Map-based Cloning of Panicle Apical Abortion and Dwarfing Mutant Genes in Rice

Abstract

벼는 세계에서 가장 중요한 작물이자 많은 아프리카, 아시아 사람들의 중요한 주식이다.전 세계 인구에 식량을 공급하기 위해서는작물의 생산과 생산성이 동시에증가되어야 한다.이상적인 초형을 가지고 있는 작물들은 수량 증가에 유리하기 때문에식물체 초형의 개선은 작물 육종에 있어서 매우 중요하다.벼에서 이삭의 구조와 식물체의 키는 초형의 중요한 요소들이고 이는 곧 수량을 결정한다. 이삭의 형태는 주로 지경과 영화(소수)의 배열에 의해 결정되고 직접적으로 수량에 여향을 미친다. 자포니카 재배종인 화청벼에 MNU를 처리하여 이삭선단퇴화 (PAA-Hwa) 돌연변이를 유기 하였다.이 돌연변이는 일반적인 생육환경하에서 식물체의 키가 약간 줄어들고,잎몸이 좁아지며 진한 녹색을 띠었다.또이삭 끝이 퇴화되며,이삭이 작아지고 곧추서는 등의 여러가지 비 정상적인 표현형을 보였다.유전분석 결과 이삭선단퇴화 현상은 단일열성 유전자에 의해 조절 되었고 이를 paa-h로 명명하였다. paa-h유전자는 4번 염색체의 aptn3과 S6685-1, 두 마커 사이에 위치하였고,이 사이에 존재하는 후보 유전자들의 염기서열을 분석한 결과 Loc_Os04g56160유전자에서 단일염기변화가 일어났고 아미노산이 glycine에서 glutamic acid로 치환되었다. Loc_Os04g56160유전자는 주로 이삭에서 발현되고, 951개의 아미노산으로 이루어져있으며 Plasma membrane ATPase protein을 암호화한다. Loc_Os04g56160유전자의 T-DNA 라인은 이삭선단퇴화 표현형을 가지는 PAA-Hwa 돌연변이와 동일한 표현형을 보였다. Dwarfism은 작물육종에 중요한 농업형질 중에 하나이다. 왜냐하면 왜성 재배종들은 도복에 저항성이 있고 이것은 단자엽 식물, 특히 벼에서 수량 증가를 가져오기 때문이다.하지만 dwarfism을 조절하는 유전적 메커니즘은 아직 잘 밝혀지지 않았고,대부분 돌연변이의 원인이 되는 유전자들 또한많이 알려지지 않았다. Shiokari로부터 얻는 dwarf13 돌연변이의 특성을 연구하였는데,포장조건 하에서 돌연변이의 표현형은 정상인 것에 비해 식물체 키가 작아지고,분얼이 증가 했으며,잎 끝이 짧고 둥글어졌다.또잎몸에 노란색 줄무늬가 생겼고,출수기가 늦어지고 불균일해졌으며,근계가 잘 발달하였다.그리고짧고,바로 서는 이삭의 형태를 보였으며종자가 작아진 것을 관찰 할 수 있었다.이 돌연변이는 절간신장 패턴에 의해구분하는 Takeda 방법으로는 dn-type에 속하고, GA를매개하는 과정에 근거한,GA 반응으로 구분하는 Mitsunaga방법에 의해서는 E group에 속한다.OsCPS1, OsKS1, OsKO1, OsKAO, OsGA20ox2, OsGA2ox3 and OsGA2ox1과 같은 GA 생합성과 관련된 유전자들의 발현은 dwarf13 돌연변이에서 증가하였다. 해부학적 관찰한 결과 dwarf13돌연변이는 정상개체에 비해 유관속의 개수가 적었고,세포의 크기도 작았다.유전분석 결과 dwarf13 돌연변이는 단일열성 유전자에 의해 조절되었고,해당 유전자는 9번 염색체의 동원체 부근의 DMR-3과 S5789,두마커 사이(265kb)에 위치하는 것으로 나타났다.이 영역에는 30개의 후보 유전자가 있는 것으로 예측되었다. Paa-h와 d13유전자는 각각 이삭선단퇴화와 dwarfism의 분자생물학적 기작의 연구를 위한 새로운 단서를 제공 할 것으로 기대한다.