벼 Cyanidin 3-Glucoside 함량 관여 양적형질유전자좌 분석

Abstract

C3G(Cyanidin 3-Glucoside)는 검정색 종피 유색미의 주요색소인 안토시아닌을 구성하는 주요성분이며 항산화능력이 우수하고 흑자색미 색소의 주 구성성이다. C3G 함량에 관여하는 양적형질 유전자좌(QTL)와 후보유전자를 찾기 위해 연구를 수행하였다. C3GHi 품종에 흑진주와 수원425를 부본으로 하는 교배조합을 만들어 Backcrossed RILs 유전분석 집단을 육성하였다. 각 조합은 F2 세대에서 SSD(Single Seed Descent) 방법으로 F5 세대까지 세대진전을 진행하였고 F5 세대 RILs 집단에서 각 개체별로 기초농업형질인 간장, 수장, 수수를 조사하고 수확하여 C3G 함량을 측정하였다. 집단의 개체수와 C3G함량의 분포도를 비교하여 C3GHi/Suwon 425 집단을 분석집단으로 사용하였다. 유전분석 방법은 NGS(Next Generation Sequencing) 기술을 이용한 GBS(Genotyping by Sequencing)를 이용하였다. GBS 방법을 통해 총 6,703개의 SNPs가 탐색되었다. 이중 무의미하거나 중첩되는 SNP 마커들을 제외하는 선별 작업을 거쳐 475개의 의미 있는 SNP 마커를 선별하였다. 선별된 475개의 SNP 마커의 염기서열 위치를 이용하여 물리지도(Physical map)를 작성하고 SNP 마커의 유전자형을 토대로 연관지도(Linkage map)를 구성하였다. 총 17개의 연관군(Linkage group)이 구성되었는데 물리지도상에 gap이 컸던 4번 염색체는 3개 그룹으로 나누어졌고 1번, 5번, 11번 염색체는 2개의 그룹으로 나누어졌다. 연관지도에는 473개의 마커가 위치하였고, 마커간 평균 거리는 3.55cM 이었다. SNP 마커와 C3G함량간의 연관성평가(association analysis)를 수행하기 위해 분산분석(Single-effect ANOVA)을 실시하여 2번, 5번, 8번, 9번, 10번, 12번 염색체에서 C3G 함량과 연관된 6개의 QTL 위치를 찾았다. 유전자 효과가 큰 2번과 9번 염색체 QTL 내에서 후보유전자를 찾기 위해 마커를 추가하여 마커간의 거리를 좁혔다. 그 결과 2번 염색체 QTL에서 색소의 안전성에 관여하는 유전자와 9번 염색체 QTL에서 플라보노이드 생합성 시작 아미노산인 phenylalanine 생합성 과정에 관여하는 유전자를 발견하였다.

통상 흑미로 이용되고 있는 흑진주와 초형이 좋은 흑자미 수원 425를 이용하여 C3G함량이 교배모본보다 8배가량 높은 중간모본 C3GHi를 육성하였다. 이를 이용하여 C3G 함량과 관련된 유전자를 찾기 위한 집단을 만들어 GBS방법을 통해 발굴된 SNP마커를 이용하여 간장, 수장, 수수 그리고 C3G함량 관련 QTL을 탐색하였다. 이와 동시에 C3GHi를 중간모본으로 하는 전통적인 교배육종을 실시하였다. C3G함량이 높은 C3GHi계통에 백색 종피를 가진 대립벼 1호를 교배하고 계통을 전개하였다. 계통의 초형과 C3G함량을 기준으로 계통선발로 육성된 계통을 KNOU6로 하고 품종명을 슈퍼자미2호로 하였다. 천연색소(C3G) 함량을 높인 슈퍼자미2호(흑진주벼/수원 425호//대립벼 1호) 품종의 중부평야지에서 평균출수기는 8월 30일로 만생종이며 모본인 흑진주보다 1달가량 늦다. 간장은 106 cm 정도로 큰편이며 임실률은 82.0%였다. 또한 현미천립중은 30.1 g 정도로 일반 흑미에 비해 무거운 편이며, 슈퍼자미2호 품종의 현미 장폭비는 2.08의 장원형으로 흑진주벼에 비해 길이와 폭이 12%, 26%로 증가된 대립종이다. 미량원소 중 K, Ca 함량은 흑진주벼에 비해 낮았고, 단백질, 회분 함량도 낮게, 열량, 지방, 탄수화물 함량은 비슷한 수준으로 나타났다. 슈퍼자미2호 품종의 C3G 색소함량은 2013년에는 1,782 mg(100g 종자), 2014년에는 1,980 mg(100g 종자)으로서 슈퍼자미 보다는 다소 낮았으나 흑진주벼 보다는 9배 이상 높았다. 슈퍼자미2호는 고기능성 품종으로 직접 이용되거나 다른 기능성 품종을 육성하는 데에 활용될 것으로 기대된다.