QTL mapping and Candidate Genes of Functional Stay-green in Rice SNU-SG1

Abstract

이 연구는 식물 생장․발달의 마지막 단계에서 잎의 노화지연, 즉 잎의 녹색과 광합성능이 종자등숙기간 내내 높게 유지되는 SNU-SG1 변이체의 functional stay-green (FSG) 형질에 관여하는 유전자를 동정하기 위해 QTL mapping 및 Next Generation Sequencing 연구를 수행하였다. SNU-SG1 (자포니카)의 기능성 stay-green 형질에 대한 표현형 조사는 엽록소의 함량을 나타내는 SPAD 값을 이용하였다. 밀양 23호 (인디카) 를 비교군 으로 사용 하였으며, flag leaf과 second leaf 두 부분의 SPAD값을 2회 측정하였다. 출수 직후 1차 측정, 출수 50일 후 2차 로 실시하였다. polymorphism을 보이는 분자마커를 기반으로 SNU-SG1/밀양23호 F2 집단 및 RIL 집단의 QTL 분석으로 SNU-SG1의 기능적 stay-green은 적은 수의 major QTL에 의해 조절 되어진다는 것과, 3개의 major QTL이 F2 집단과 RIL 집단의 7번 (1개) 및 9번 (2개) 염색체에서 공통적으로 존재하는 것을 밝혀낼 수 있었다. 그 중9번 염색체에 있는 FSG 관련 유전자 정확한 위치를 동정하기 위하여 F7-RIL line에서 9번 염색체에 대해 17개의 SSR 및 STS 마커를 이용하여 5CM 이하의 간격으로 맵핑을 수행하였고, 연관지도는 Mapmaker 3.0을 이용하여 작성하였다. QTL 분석결과 9번 염색체 RM566, S9058.3 마커지역이 QTLs 지역임을 알아 내었다. QTL 지역 안에 있는 FSG 관련 유전자 동정을 위해서 효율적이고, 빠른 동정을 위해 SNU-SG1, 밀양23호의 whole genome sequencing (Illumina Genome Analyger IIx) 을 수행 하였다. 이 시퀀싱 결과를 이용하여 주요 QTLs 에서 reference genome 인 니폰바레와 밀양23호 에서는 정상이고, SNU-SG에서만 돌연변이가 일어난 유전자 3개를 동정 할 수 있었다. 이러한 QTL 분자표지를 기반으로 한 SNU-SG1의 stay-green 형질에 관련된 유전자 동정은 분자육종을 통해 저투입, 고품질, 다수성 자포니카 벼의 개발에 유용하게 이용 될 것이다

During monocarpic senescence in higher plants, functional stay-green delays leaf yellowing with maintaining photosynthetic competence whereas nonfunctional stay-green retains leaf greenness without sustaining photosynthetic activity. Thus, functional stay-green has been considered as a beneficial trait to increase grain yield in cereal crops. A stay-green japonica rice SNU-SG1 showed significant positive correlation with grain yield and agronomic traits, indicating that SNU-SG1 is a functional stay-green variety. SNU-SG1 was crossed with an indica/japonica hybrid cultivar Milyang23 (M23) in order to determine the inheritance mode and identify major QTLs conferring functional stay-green in SNU-SG1, respectively. For QTL analysis, linkage maps with 16 and 18 DNA marker loci were constructed with F7 recombinant inbred line (RIL) populations, respectively. In previous study, molecular marker-based QTL analyses with F2 and F6 RIL populations revealed that the functional stay-green phenotype of SNU-SG1 was regulated by several major QTLs accounting for a large portion of genetic variation. Four main-effect QTLs located on chromosome 3, 7, and 9 were simultaneously detected in both populations (Yoo et al,. 2007). So, we focus on the main-effect QTLs on chromosome 9 that can be considered as the target loci mostly influencing on the functional stay-green in SNU-SG1. And we detected three candidate genes using next-generation sequencing that has the following advantages high sensitivity, fidelity, throughput and speed. Functional stay-green QTLs that have been also detected in different genetic backgrounds and environmental conditions may help develop the low-input high-yielding rice varieties through the allele-marker-assisted molecular breeding with SNU-SG1.