Genetic Mapping and QTL Analysis for Capsaicinoid Content in Pepper (Capsicum spp.)

Abstract

The genus Capsicum displays various levels of pungency due to the accumulation of capsaicinoid. The biosynthesis of capsaicinoids in pepper is determined by Pun1, Pun2, and pAMT genes. The capsaicinoid contents are regulated by QTLs. This study was conducted to reveal additional genetic factors controlling capsaicinoid biosynthesis in Capsaicum spp. In the first chapter, QTL analysis was performed using an F2 population derived from crossing the pungent Capsicum chinense Jolokia and the non-pungent Capsicum chinense SNU11-001. Since C. chinense SNU11-001 carries pAMT mutation causing no capsaicinoid accumuation, Kompetitive allele specific PCR (KASP) analysis, SNP genotyping method analysis was conducted for genotyping the pAMT gene for F2 plants and the F2 population was grouped into the whole and the pAMT normal populations. In case of the whole population, all detected QTLs were clustered on chromosome 3. Some of QTL regions corresponded to the pAMT gene. In case of the pAMT normal population, QTLs were detected on chromosome 5 and chromosome 11 for dihydrocapsaicin trait. In the second chapter, genetic mapping of a novel pungeny gene in Capsicum chacoense. The non-pungent pepper C. chacoense PI260433 which carries the Pun1 gene and the recessive pun2 gene and accumulates no capsaicinoids and capsinoids. The pungent pepper C. annuum Jeju which carries Pun1 and pAMT genes showed accumulation of both capsaicinoids and capsinoids. A complementation test revealed that loss of pungency in C. chacoense PI260433-np may be due to a mutation at a novel pungency locus. Through QTL analysis, QTLs were detected on chromosome 3 and chromosome 9. The QTLs detected on chromosome 3 may correspond to the location of the pAMT locus. The QTLs detected on chromosome 9 may contain the Pun2 locus. In conclusion, genes controlling capsaicinoid accumulation on chromosome 3, 5, and 11 were revealed and genetic mapping of Pun2 gene was conducted.

Capsicum 종은 캡사이시노이드의 축적에 의해서 매운 맛 정도의 차이가 나타난다. 고추의 캡사이시노이드 생합성은 Pun1, Pun2 그리고 pAMT 유전자들에 의해 결정이 된다. 캡사이시노이드의 함량은 양적유전자에 의해 조절이 된다고 알려져 있다. 본 연구에서는 고추 종 (Capsicum spp.)에서 캡사이시노이드 함량을 조절하는 추가적인 유전적 요인을 구명하기 위하여 진행이 되었다. 첫 번째 장에서는 매운 고추로 알려진 Capsicum chinense Jolokia와 맵지 않은 고추로 알려진 C. chinense SNU11-001를 교배한 F2 집단에서 QTL분석을 하였다. C. chinense SNU11-001은 pAMT 유전자 돌연변이에 의해 캡사이시노이드 생합성 과정이 진행되지 않는 점에서 착안하여, KASP 유전형분석을 통하여 F2 집단에 대하여 pAMT 유전형을 분석하여 전체 F2 집단과 정상 pAMT 유전자를 지니는 집단 두 가지로 나누었다. 전체 F2 집단에 대하여 QTL분석을 한 결과, 모두 염색체 3번에서 QTL에 분포하였으며, pAMT 유전자 지역을 공통적으로 포함하는 것을 알 수 있었다. 정상 pAMT 유전자를 지니는 집단에 대하여 QTL분석을 실시한 결과, 디하이드로캡사이신 함량을 조절하는 QTL이 5번 염색체와 11번 염색체에 분포하였다. 두 번째 장에서는 두 가지의 유전자원을 이용하여 C. chacoense에서 캡사이시노이드의 유무를 결정하는 새로운 유전자 동정을 하였다. 맵지 않은 고추로 알려 진 C. chacoense PI260433-np는 Pun1 유전자를 보유하고 있으며, 열성 유전자 pun2를 보유하여 캡사이시노이드와 캡시노이드를 생합성하지 않는다. 매운 고추로 알려진 C. annuum Jeju는 Pun1 유전자와 pAMT 유전자를 보유하여 캡사이시노이드와 캡시노이드 합성에 관여한다. 상보성 검사를 통해 C. chacoense PI260433-np는 새롭게 발견 된 유전자좌에 의해 캡사이시노이드 합성 유무를 결정함을 확인하였다. QTL분석 결과, 염색체 3번과 염색체 9번에서 QTL을 발견하였으며, 염색체 3번에서 발견된 QTL은 pAMT 유전자 위치에 해당함을 확인하다. 염색체 9번에서 발견 된 QTL은 Pun2 유전자좌를 포함하고 있음을 알 수 있었다. 두 연구 결과로부터, 고추의 캡사이시노이드 함량을 조절하는 QTL들이 염색체 3번, 염색체 5번 그리고 염색체 11번에 위치하고 있음을 확인하였으며, Pun2 유전자를 맵핑하였다. 해당 연구 결과를 통하여, 고신미 품종을 육성하고 캡사이시노이드 합성에 관여하는 유전자에 대한 이해를 높일 수 있을 것으로 기대한다.