찰옥수수와 단옥수수간 잡종집단을 이용한 식미관련 양적형질 유전자좌 분석

Abstract

본 연구는 찰옥수수의 수량 및 식미관련 형질들에 대한 작물학적 분석과 관련된 양적형질 유전자좌(QTL)를 탐색함으로써 고품질 찰옥수수 육종의 기초자료를 얻고자 수행하였다. 분석 재료는 찰옥수수 자식계통 02S6140(♀)와 단옥수수 자식계통 KSS22(♂)를 교배한 F2:3 집단(158 개체 및 계통)이었으며, F2 식물체, F2:3 종자, F3 식물체에서 각각 14개의 농업형질을 조사 분석하였고, 양적형질 유전자좌(QTL) 분석에 활용하였다. 당질 및 찰질의 열성 입질을 가진 양친의 교잡한 일대잡종(F1 hybrid)은 우성인 일반질로만 표현되었고, F2 세대에서는 일반질 9 : 당질 4 : 찰질 3의 비율로 3가지 표현형 분리와 9가지 유전형 분리가 확인되어 이론분리비에 적합하였다. F1의 출사일수(71일)는 교배양친의 평균(75.5일)보다 짧아지는 방향으로 잡종강세가 일어났지만, F2 집단의 평균값(76일)은 교배양친의 평균값(75.5일)과 큰 차이가 없었으며 입질별로는 찰질 집단에서 출사일수가 2일 정도 더 길어졌다. 과피두께는 F1, F2 집단(각각 71, 74㎛)에서 교배양친의 평균[83.5㎛, 찰옥수수 자식계통 02S6140(116㎛), 단옥수수 자식계통 KSS22(51㎛)] 보다 얇아 교잡에 의하여 과피가 얇은 교배친 KSS22쪽으로 편향되었으며, F2 집단내에서는 당질 80㎛, 일반질 74㎛로 차이가 있었다. F2:3 종자에서 조사된 당질의 유전자형별 평균 아밀로스함량은 2.3～10.8%로 차이가 많았으며, 특히 당질로 표현된 이중열성(susuwxwx) 옥수수 계통은 아밀로스함량이 현저히 낮아(2.3%) 아밀로스함량 분석으로 su1 돌연변이 당질과 이중열성 당질을 검정교배를 통하지 않고 선발이 가능하였다. 일반질은 나타나지 않고 찰질과 당질이 동일한 이삭에서 분리될 때, 이 찰질 종자는 교배조합에서 분리된 어느 찰질 종자보다 아밀로스함량이 낮았고(5.4%), 찰질 교배친(02S6140, 6.6%)보다도 낮았다. 또한 과피두께의 유전력은 0.82로 선발효과가 높았다. 따라서 얇은 교배친의 과피두께를 가지면서 교배친보다 찰질이 우수한 찰옥수수 육종이 가능함을 확인하였다. 158 개체의 F2 집단을 재료로 255 SSR 마커를 이용하여 10개의 연관군을 가지는 유전자지도를 작성하였다. 연관지도의 전체 거리는 2,158.5cM, 마커간 평균 거리는 9.6cM 이었고 이중 192 SSR 마커(85.3%)는 1:2:1의 이론분리비에 적합하였다. 반면 4개의 마커는 찰옥수수 교배친인 02S6140에 편향되었으며, 2개의 마커는 단옥수수 교배친인 KSS22에 편향되었고, 27개의 마커는 양친의 교잡인 F1에 편향되게 분리하였다. 조사된 수량 또는 식미관련 형질과의 QTL 분석은 LOD=3.0 기준으로 총 14개 형질 중 11개의 형질에서 26개의 QTLs을 탐색하였다. 이것들 중 표현형변이가 10%이상인 major QTL은 출사일수, 아밀로스함량(2), dextrose, sucrose, 이삭장, 이삭폭, 이삭열수에서 8개를 탐색하였다. 특히 4번 염색체의 umc2280과 bnlg1265 사이 동일한 위치에서 표현형변이 비중이 매우 높은 4개의 QTLs[아밀로스함량 qAMY4(17.1%), dextose함량 qDEX4(57.3%), sucrose함량 qSUC4(40.7%), 이삭폭 qWid-Ear4(12.5%)]이 함께 탐색되었으며, 이들은 기 보고된 전분 및 당 관련 유전자 fl2, su1, glt1의 위치와 동일하였다. 그리고 아밀로스함량과 관련된 또 다른 qAMY9(49.6%)은 본 연구에서 이용한 SSR primer phi027과 정확히 일치하여 wx1(waxy1) 유전자로 확인되었다. 또한 유전자좌간 상위성 효과를 보이는 EpQTL도 6개의 형질에서 7쌍이 탐색되었다. 이 연구를 통하여 탐색된 main QTLs과 EpQTL로부터 설명될 수 있는 식미관련 형질들의 총 표현형변이 값은 아밀로스함량 68.3%, 과피두께 18.8%, dextrose함량 57.3%, sucrose함량 48.8% 이었고, 수량구성요소 형질인 이삭장 29.4%, 이삭열수 49.1%이었다. 당질과 찰질의 교잡 후대로부터 식미관련 형질들의 분리유전 현상과 QTL을 탐색한 결과 목표로 하는 과피가 얇고 찰성이 높은 고품질의 찰옥수수 육종이 가능할 것으로 전망된다.

This research was conducted to understand yield components and taste-associated traits for high quality waxy corn breeding using 158 F2:3 families of a crossing between sugary inbred(KSS22, ♀) and waxy inbred(02S6140, ♂). Four taste-associated traits were measured from F2:3 seeds, and ten yield components in F2 and F3 plants. These traits were used for quantitative trait loci (QTL) analysis. This material complied with Mendel's dominant and segregation law, was all normal kernel in F1, and the ratio of kernel types was 9 of normal, 4 of sugary, 3 of waxy in F2 seeds. Days to silking from sowing for F1 was seventy one days, earlier than seventy six days for parents and F2 families. Silking date for waxy kernel group delayed two days compared with the date for sugary and normal groups. Pericarp thicknesses in F1:2 and F2:3 seeds was 71 and 74㎛, respectively, thinner than parental average of 83.5㎛, therefore pericarp thickness of early progenies derived from a crossing of waxy parent(02S6140, 116㎛) and sugary parent(KSS22, 51㎛) skewed with the thin parent, KSS22. There was significant difference between sugary group of 80㎛ and normal group of 74㎛ in F2:3 families. The average amylose content for sugary kernel genotypes ranged 2.3% to 10.8%, especially 2.3% for sugary kernel of susuwxwx genotype, showing significantly low content. The result indicates that we can select double mutant sugary using amylose content analysis of sugary lines in the mutant breeding program. In comparison with waxy kernel phenotype in F2:3 families, the waxy type segregated with double mutant sugary together had the amylose content of 5.4% compared with the other waxy families segregated from waxy or normal F2 kernel. It was much lower than the amylose content of waxy parent 02S6140, which has 6.6%. The broad-sense heritability of pericarp thickness was 0.82, indicating that we can breed high quality waxy corn with thinner pericarp and higher amylopectin content compared with the parents. The linkage map was constructed using 225 SSR markers on the 158 F2 individuals derived from a cross of 02S6140 and KSS22. The map comprised a total genomic length of 2,158.5 cM in ten linkage groups and an average distance between markers of 9.6cM. Chi-square test revealed that 192 markers (85.3%) associating with all ten chromosomes deviated from the expected 1:2:1 Mendelian ratio. A total of 26 QTLs were detected for 11 traits, with setting of LOD threshold over 3.0. Major eight QTLs explaining over 10% of total phenotypic variance of each trait were detected from days to silking, amylose content (2), dextrose content, sucrose content, ear length, ear width, and ear row number. Especially, four QTLs, i.e., amylose content (17.4%), dextrose content (57.3%), sucrose content (40.7%) and ear width (12.5%), were found in the same region of the interval umc2280 and bnlg1265 in chromosome 4. This QTL genomic region includes mutant floury2 (fl2), sugary1 (su1), and glucosidase- transferase1 (glt1) affecting the starch and sugary traits. Another trait associated with amylose content, explaining 49.6% of phenotypic variance, was matched exactly phi027 marker, waxy1 (wx1). In addition, qDTS explaining 23.0% of phenotypic variance, was located in bin 8.05 as mutant vegetative to generative transition2 (vgt2) of candidate gene. Seven pairs of EpQTL showed epistatic interaction, detected in six traits. The R2 values including main QTL and EpQTL explained 68.3% of phenotypic variance as two main QTLs(66.8%) and one EpQTL(1.5%) in amylose content, 18.8% of three main QTLs in pericarp thickness, 57.3% of only one main QTL in dextrose content, 48.8% of two main QTLs(46.7%) and one EpQTL(2.1%) in sucrose content, 29.4% of four main QTLs(26.7%) and one EpQTL(2.7%) in ear length, 49.1% of three main QTLs(30.7%) and one EpQTL(18.4%) in ear row number. The results from the study implied that genetic segregation in progenies and quantitative trait loci(QTL) analysis of the taste-associated traits from a cross sugary and waxy inbreds aid the introgression of favorable traits using conventional and MAS breeding efforts.