Development of Molecular Markers Based on AFLP and MITE in Ginseng Species

Abstract

고려인삼(Panax ginseng C. A. Meyer)은 중요한 약리적 효능을 가진 오가과의 대표적 약용 작물이다. 고려인삼과 전칠삼 (중국삼), 화기삼 (미국삼)은 전세계적으로 약용의 목적으로 이용되고 있으며 그 중에서도 고려인삼은 그 효능이 다른 종에 비하여 월등하여 높은 평가를 받고 있다. 고려인삼은 지금까지 9품종이 개발되었는데 육성된 품종들 간의 식별 방법은 생육 과정 중에 경험적인 형태적 관찰을 통해서만 이루어지고 있기 때문에 보다 체계적이고 과학적인 방법이 요구되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구의 목적은 고려인삼 품종들과 관련 종들을 구분하는 AFLP와 MITE에 기반한 분자 마커를 개발하는 것이다. AFLP는 대상 식물의 유전체 정보가 없어도 마커를 개발할 수 있는 좋은 기술이다. 본 연구에서 AFLP를 통해 얻은 549개의 밴드 중에 고려인삼과 미국삼을 구분하는 마커 117개를 찾았고 고려인삼 품종 간에 구분할 수 있는 마커 5개를 찾았으며 각각 21.3 %와 0.9 %에 해당한다. 고려인삼 품종 간 마커 개발의 효율성이 낮은 것은 이들간에 유전변이가 낮기 때문인 것으로 볼 수 있다. MITE는 600bp 이하의 작은 크기를 가지며TIRs과 TSDs 그리고 유전체 내에 많은 복제수를 갖는 등의 특징으로 인해 보리나 옥수수 등 많은 식물체에서 마커를 찾는데 이용되어 왔다. 본 연구에서는 133개의 MITE consensus 서열 중에 25개의 MITE family에 해당하는 73개의 MITE 지역을 최종 분석하여 고려인삼과 미국삼을 구분하는 16개의 마커를 찾았으며 이것은 21.9 %에 해당한다. 그리고 73개 중에 10개가 MIP 밴드 패턴을 보여주고 있는데, 이 중 3개가 MITE의 삽입 여부로 알 수 있는 구분 마커이며 전부 고려인삼에만 MITE가 삽입된 것으로 보아 고려인삼과 미국삼의 종 분화 이후 고려인삼에만 특이적으로 MITE가 삽입된 것으로 보인다. 또한 MIP 밴드 패턴을 보이는 10개를 가지고 이들의 밴드 서열을 분석하여 MITE의 존재 유무를 확인하고 이들 서열의 비교 분석을 수행하였으며 향후 MITE family에 대한 더 많은 비교 분석 데이터가 필요하지만, 이러한 데이터는 인삼 유전체의 진화를 연구하는데 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

Korean ginseng (Panax ginseng C. A. Meyer) is an important medicinal herb belonging to family Araliaceae. Three species, P. ginseng, P. notoginseng and P. quinquefolius, have been generally used as herbal medicine worldwide. To date, nine Panax ginseng cultivars have been cultivated. However, identification of them is being carried out only by empirical morphological observation. Thus, the main objective of this study is development of AFLP and MITE-based molecular markers to distinguish P. ginseng cultivars and related species. AFLP analysis is an excellent technique for molecular marker development of plant species whose genome information is limited. In AFLP analysis, 117 (21.3%) polymorphic bands were identified between P. ginseng and P. quinquefolium and 5 (0.9%) bands among P. ginseng cultivars among the total 549 amplified bands. This inefficiency result to find a marker among ginseng cultivars may be due to low genetic variation among cultivars. MITE which has been successfully used in other plant species can also be used for marker development in ginseng species, because of its characteristic small size and high copy number. In this study, 133 MITE consensus sequences were identified. As a result, 73 MITE regions of 25 MITE families were analyzed and 16 (21.9%) polymorphic regions were identified between P. ginseng and P. quinquefolium. In addition, 10 MITE regions were identified to show MITE-based insertional polymorphism (MIP) patter, 3 between P. ginseng and P. quinquefolium and rest 7 within single cultivar itself. All MIP bands found in P. quinquefolium were smaller than their counterpart bands in P. ginseng. This implies that MITEs might be inserted in P. ginseng genome after divergence from P. quinquefolium. Furthermore, many InDel and base substitutions were found among flanking sequences of MITE, when compared scaffold sequences matching to MIP amplicons. It indicates that P. ginseng genome was probably duplicated before insertion of the MITEs, although some MIP regions found in scaffolds seem to be resulted from MITE excision. In conclusion, this study analyzed genetic polymorphism in P. ginseng cultivars and related Panax species by AFLP and MITE analysis, and revealed polymorphic regions that can be used for molecular marker development. These results will be a valuable resource to understand structure and evolution of ginseng genome.