Phenotypic Characterization and Genetic Mapping of Open-hull Sterile Mutant in Rice

Abstract

초 록

벼에서 개영(Open-hull) 불임 돌연변이의 특성 검정과 유전 분석

벼의 종자를 둘러싸고 있는 벼의 영(hull)은 내영과 외영으로 구성되어 있다. 이것은 수정될 때 잠시 열렸다가 수정이 되면 곧 닫힌 후, 수정된 씨방이 점차 자라서 종자로 발달하는 과정에서 이를 보호하는 역할을 한다. 내영과 외영이 만나는 그 끝은 서로 단단하게 고리를 걸어 놓은 모양으로 연결되어 있어서 종자 내부의 습도를 유지시키고 외부의 충격으로부터 종자를 보호할 수 있다. 본 실험은 자포니카 벼인 신선찰벼에 돌연변이 유발제인 MNU (N-methyl-N-nitrosourea)를 처리하여 발생한 개영 (Open-hull) 불임 돌연변이를 재료로 하여 수행되었다. 이 돌연변이는 내영과 외영이 벌어진 채 출수하여 수정이 끝난 이후에도 닫히지 않아 종자는 개영 (Open-hull) 상태로 등숙하게 되면 이삭은 심한 불임상태가 된다. 돌연변이 개체의 키나 잎 모양 등 전체적인 식물체 표현형은 신선찰벼와 비교하였을 때 달라지지 않았으나, 이삭의 모양에서 큰 차이를 보였다. 신선찰벼의 이삭과는 달리 돌연변이 개체의 이삭은 등숙 기간 이후에도 불임으로 인해 이삭이 무거워 지지 않아서 직립형태로 생육을 유지하는 것으로 보였다. 불임의 원인을 밝히기 위해 돌연변이 화분의 임성 검사를 실시해 본 결과, 화분의 활력이 상당히 저하되어 있었다. 또한 돌연변이 개체를 제웅 하여 활력이 강한 정상 개체의 화분으로 교배한 후 봉투를 씌웠을 때 종자가 정상적으로 맺히는 것으로 보아, 불임의 원인은 자방친이 아닌 화분친에 있는 것을 알 수 있었다. 개영(Open-hull)과 관련된 유전자의 유전 연구와 유전자 지도를 작성하기 위해서 통일형인 밀양-23호를 돌연변이와 교배하였다. F1식물체에서는 돌연변이의 표현형이 나타나지 않은 것으로 보아 이 돌연변이의 표현형은 열성유전자에 의해 지배되고 있음을 알 수 있었다. F2집단에서 정상개체와 돌연변이 개체의 분리비는 약 4.5:1로 나왔으나, F3집단의 분리비는 3:1로 나타나는 것으로 보아 이 돌연변이는 단일열성유전자가 지배하고 있음을 알 수 있었다. F2와 F3집단을 이용하여 정밀지도를 작성한 결과, 개영 (Open-hull)과 관련된 유전자는 3번 염색체 작은 팔의 두 개의 STS 마커 105732-3와 105732-8 사이의 30.6Kb 간격에 위치하는 것을 알 수 있었다. 이 30.6Kb에는 3개의 후보유전자가 포함되어 있었다. 본 연구는 벼의 영 (hull)과 관련된 유전자와 영 (hull) 발달 메커니즘 연구의 기초자료를 제공하는데 의의가 있다.

Abstract

Rice hulls are the organs covering and protecting rice grains. Palea and lemma are main parts of rice hulls. These two parts are hooked together on each side of the grains. Rice hull opens at flowering closes in the end of flowering. The hulls remain closed throughout the ripening period to maintain internal humidity of the grains. An Open-hull Sterile mutant was induced by N-methyl-N-nitrosourea (MNU) treatment on Sinsunchalbyeo rice, a Japonica type. This mutant showed open hulls even in the ripening stages and fully mature grains. The palea and lemma showed various phenotype alterations compared to those of wild-type. In present study, the F2 population was developed from the cross between the Open-hull sterile mutant (Oryza sativa ssp. japonica) and Milyang23 (O. sativa ssp. indica) to study the genetic inheritance of the mutant trait. The result showed that all of the F1 plants exhibited wild-type morphology and the segregation of F3 individuals show a good fit to the 3:1 ratio (wild-type to mutant type), indicating that this phenotype is controlled by single recessive gene. Ten Open-hull sterile mutants and 10 wild-type plants in the F2 population were selected and then equal amounts of DNA from individual plants with the same phenotype were pooled into a single bulked sample for bulked segregant analysis (BSA). BSA was performed by using STS (sequence tagged site) markers which covered 12 rice chromosomes. The result showed that Open-hull sterile mutant was mapped on the short arm of chromosome 3 between between the flanking markers 3027.9 and 3033.5-1 and the distance between two markers was 5.6cM. In order to narrow down the candidate region, additional STS markers were designed on the flanking region and finally, we were able to narrow it down until 30.6Kb and three candidate genes were found.