Genetic Diversity of Ethiopian Capsicum spp and Molecular Mapping of the Up Gene in Pepper (Capsicum spp.)

Abstract

에티오피아 유전자 은행에 보존된 고추 유전자원의 다양성 연구와 고추 과실의 기원을 조절하는 유전적 요인들을 이해하는 것은 육종에 중요한 정보를 제공할 수 있다. 작물 유전자원의 다양성의 구조와 깊이를 연구하는 것은 이용가능 한 유전적 자원의 실용화와 보존에 매우 필수적이다. 에티오피아에서 고추는 매우 경제적이고 사회적 중요성을 가진 작물임에도 불구하고, 단일염기다형성(SNP) 마커를 이용한 유전적 다양성에 관련한 자세한 연구는 제한적이다. 따라서, 에티오피아 고추 유전자원의 다양성과 유전적 구조를 조사하기 위해, 에티오피아 생물다양성 연구소에서 수집하고 유지된 총 142 종에 대하여 평가하였다. 우리는 53,284 genome wide SNP 분자마커를 genotyping-by-sequencing (GBS)를 이용하여 발견하여 검증하였다. 우리는 모델 기반의 집단 구조, 계통도, 주성분 분석을 사용하여 C. annuum 과 C. frutescens를 각각 132종과 9종의 두 개의 뚜렷한 집단으로 확인하였다. 이 밖에도, 전장유전체 연관 분석 (GWAS) 결과로 과실, 줄기, 잎 관련 특성과 크게 연관된 509개의 SNP 마커를 발견하였다. 전반적으로, 이 연구는 보존과 육종이라는 관점에서 에티오피아 고추 종에 존재하는 유전적 다양성을 이해하는데 유용할 것이다. 고추의 과실방향에서 두개의 주요한 시장으로, pendant와 upright가 있다. 과실의 Pendant 와 upright 방향 그리고 드물게 발생하는 중간형은 집단의 구조에 따라 과실이 달리기 전과 후에 쉽게 구별되어지는 형태학적 가변성을 판별하는 것이다. 고추 핵심 집단 (core collection)에서 GWAS 분석을 통한 highly significant SNP와 3개의 양친형 집단 (bi-parental population)으로부터 유전자를 발견하는 것은 염색체 7번에 존재하는 과실의 방향성을 조절하는 유전자좌의 맵핑 구역을 좁혀가는 것을 가능하게 한다. 추가로 분자 마커를 개발하고, 과실 방향에 기초하는 후보 유전자를 분리하기 위해, Capsicum annuum LA F2 mapping population 을 사용하여 fine mapping을 수행하였다. 450 individuals로 구성된 LA F2 mapping population은 양친형 라인인 C. annuum LP97 and A79의 교배를 통해 개발되었다. 유전자 분석 결과 상향 과실 방향의 포현형은 단일 열성 유전자 Up에 의하여 조절됨을 나타냈다. Up 유전자좌의 fine mapping을 위해 150개의 SNP 분자마커가 사용되었다. 유전자 분석 결과 상향 과실 방향의 포현형은 단일 열성 유전자 Up에 의하여 조절됨을 나타냈다. Up 유전자좌의 fine mapping을 위해 150개의 SNP 분자마커가 사용되었다. 이 두개의 마커 서열은CM334 유전체에 정렬되었으며, Up 유전자좌는 101kb genomic region으로 구분되었다. 대상 지역에서 13개의 후보유전자가 예측되었다. 후보유전자의 CDS 영역인 Zinc finger MYM-type protein 1-like는 66과 75 위치의 두 개의 비 동의 염기치환과, 첫번째 뉴클레오타이드의 104bp 에서 104b에서 한 개의 염기 결실을 나타내었다. 이러한 돌연변이는 12개의 parental line과 5개의 종에서 일관되게 관찰되었다. 따라서 이 유전자는 Up 유전자좌에 매우 유력한 후보유전자였다. 이 연구를 통해 얻은 정보는 분자표지 기반 선발을 통하여 조기 과실 방향 결정으로 고추 품종의 특성과 육종에 대한 추가 연구를 촉진할 것이다.

Diversity study of Capsicum germplasms preserved in the Ethiopian Gene bank and understanding genetic factors that controls the fruit orientation in pepper can provide important information for breeding. Investigating the extent and structure of crop germplasm diversity is essential for the conservation and utilization of the available genetic resources. Despite the great economic and social importance of pepper in Ethiopia, detailed studies of the genetic diversity using single nucleotide polymorphism (SNP) markers is limited. Thus, with the objective of investigating the variability and genetic structure of Ethiopian pepper germplasms, a total of 142 accessions which were collected and maintained by the Ethiopian Biodiversity Institute were evaluated. We identified and validated 53,284 genome wide SNP molecular markers using genotyping-by-sequencing (GBS). Employing model based population structure, phylogenetic tree and principal coordinate analysis, we identified C. annuum and C. frutescens as two distinct genetic populations with 132 and 9 accessions, respectively. Besides this, genome wide association (GWAS) analysis detected 509 SNP markers that were significantly associated with fruit, stem and leaf-related traits. Overall, this report is useful to understand the genetic variability existed in Ethiopian Capsicum species, for its conservation and breeding. There are specific known markets for the two major fruit orientation in pepper, i.e. pendant and upright. Pendant and upright position with rare occurrence of intermediate orientation of pepper fruit is a distinguishing morphological variability that can be easily recognized before or after the fruit is set, depending on the population types. Identification of genes from three different bi-parental populations and highly significant SNP positions from GWAS analysis of Capsicum core collection enable us to narrow down the mapping region of fruit orientation controlling the locus in chromosome 12. To further develop molecular markers and isolate the candidate gene underlying fruit orientation, fine mapping was performed using Capsicum annuum LA F2 mapping population. The LA F2 mapping population consisting of 450 individuals was developed from the cross between parental lines C. annuum LP97 and A79. Genetic analysis revealed that the phenotype of the up fruit orientation was controlled by a single recessive gene, Up. One hundred fifty SNP markers were used for fine mapping of the Up locus. High-resolution genetic mapping of these markers in Karia F2 mapping population placed Redu0119 and SAR201-1386 at genetic distances of 0.8 and 0.6 cM, respectively, on either side of the Up locus. These two marker sequences were aligned to the CM334 genome and the Up locus was delimited to a 101 kb genomic region. Fifteen candidate genes were predicted in the target region. Overall, there were a total of 31 conservative amino acid substitutions, due to 18 non-synonymous and 13 synonymous nucleotide switches. The first CDS region of the candidate gene, Zinc finger MYM-type protein 1-like has displayed one non-synonymous nucleotide substitution at 106 bp and one nucleotide deletion at 104 bp. Therefore, Zinc finger MYM-type protein 1-like was the most likely candidate gene for the Up locus. The information obtained here will facilitate further research on the trait and breeding of pepper varieties with the early determination of fruit orientation through marker-assisted selection.