Molecular Diagnosis of Rice Genotypes Derived from Inter-subspecific Hybridization

Abstract

아시아 재배벼는 인디카와 자포니카 두 아종으로 이루어져 있다. 인디카 벼는 열대 조건에, 자포니카 벼는 온대지역에 적응한 것으로 알려져 있다. 두 아종은 형태적, 생리적 형질 및 유전체 구조에서 차이를 보인다. 잠재 수량을 향상시키기 위해 인디카와 자포니카 간의 아종간 교배가 진행되어 왔다. 하지만 잡종불임은 인디카와 자포니카 간의 효과적인 교잡을 방해하는 가장 일반적인 생식장벽이다. 그럼에도 불구하고 인디카-자포니카 교배에서 육성된 가장 역사적인 성공은 통일벼의 개발이다. 분자마커는 벼 분자육종과 유전분석에 효율적이며 필수적인 도구이다. 96개 인디카-자포니카 단일염기서열 (SNP) 로 구성된 두 개의 유전형 분석 세트가 벼 유전분석과 분자육종을 위해 플루다임 플랫폼을 사용하여 개발되었다. 세트 1의 SNP 들은 전체 12개 벼 염색체에 인접한 마커 사이에서 4~5Mb 간격으로 일정하게 분포하였다. 세트 2의 SNP 들은 세트 1에서의 긴 유전적 간격에 위치하였고, 동정된 농업형질 연관 14개 유전자의 기능적 혹은 연관된 14개 SNP를 포함한다. 추가적으로 SNP 세트로 다양한 재배 및 야생벼 자원의 유전 다양성 분석; 아종 감별 서브세트 구성 및 검정; 돌연변이 유전자 지도 작성을 위한 BSA 분석; 연관지도 작성과 양적형질유전자좌 (QTL) 분석; 마커 이용 여교배 중 배경 프로파일링을 수행하였다. 뿐만 아니라 아종특이적 SNP 들을 확인하였고, 이의 분포와 농업형질 및 아종분화와의 연관을 고찰하였다. 이 유전형 분석 시스템은 벼 유전분석과 분자육종에 빠르고 효율적인 도구를 제공할 것이다. 잡종불임은 다수의 QTL에 의해 조절된다. TN1과 도봉을 사용하여 여섯 개 집단을 육성하여, 이삭의 임성을 조사하였다. 두 개의 정역 F2 집단과 두 개의 정역 BC1F1 집단을 사용하여 이삭 임성 QTL을 분석하였다. F2 집단에서 9개, BC1F1 집단에서 4개의 QTL이 확인되었다. qSF9은 본 연구에 사용한 모든 집단에서 확인되었다. qSF5는 도봉 세포질을 가지는 여교배 집단에서만 탐색 되었다. 세포질 효과를 확인하기 위해, 세포질 마커와 미토콘드리아 유전체 염기서열재분석으로 TN1과 도봉의 세포질을 조사하였다. TN1과 도봉은 각각 인디카와 자포니카형 세포질을 가지고 있었다. TN1과 도봉에는 각각 IR688B, 니폰바레와 유사한 미토콘드리아 변이가 있었다. 게다가 미토콘드리아에서 4개의 세포질 효과 후보유전자를 발견하였다. 본 연구의 결과는 아종간 교잡에서 아종간 잡종 불임을 극복하는데 활용될 수 있을 것이다. 일부 고수량 품종들(HYVs)은 인디카-자포니카 교잡에서 육성되었다. 본 연구에서는 인디카와 자포니카 교배로 육성된 8개 고수량 품종의 전장유전체를 일루미나 플랫폼으로 염기서열재분석 하였다. 8개 고수량 품종에서 공통적인 총 14개의 자포니카형 대립유전자를 보이는 유전체 구역이 확인되었다. 자포니카형 구역들은 식미, 비생물 스트레스 내성 및 수량 관련 형질과 연관된 QTL들과 겹쳤다. 고수량 품종들의 14개 자포니카형 공통 구역에서 총 39개 유전자을 선발하였다. 39개 유전자에서 유전자 하나 당 마커 하나씩 39개 SNP 마커가 개발되었다. 농업형질과 연관된 16개 SNP 마커를 포함하여 총 55개 SNP 마커로 94개 품종의 유전형을 분석하였다. 94개 품종들은 54개 SNP 마커들에 의해 인디카 I, 인디카 II, HYV형 및 자포니카의 네 그룹으로 구별되었다. 19개 HYV형 중 18개 품종들은 자포니카형 구역에 존재하는 Wx 유전자에서 개발된 SNP 마커 WAXY-TG에서 자포니카형 Wxb 대립유전자를 보였다. 게다가 HYV의 아밀로즈 함량은 자포니카와 유사하였다. 뿐만 아니라 HYV의 종자 형태 관련 형질들 역시 자포니카와 유사하였다. 하지만 HYV의 천립중은 자포니카와 인디카보다 높았다. 결론적으로 HYV의 자포니카형 대립유전자들은 육종과정에서 자포니카와 유사한 식미와 종자 형태 관련 형질을 위해 선발되었다. 본 연구의 모든 결과는 벼 아종간 교배의 육종적 적용을 위한 효율적인 분자적 수단을 제공할 수 있을 것이다.

Rice (Oryza sativa L.) is consisted of two subspecies, indica and japonica. Indica rice is known to be adaptable in tropical conditions, and japonica rice for temperate conditions. Two subspecies showed difference in morphological, physiological traits and genomic structure. To improve the yield potential, inter-subspecific crosses between indica and japonica have been conducted. However, hybrid sterility is one of the most common reproductive barriers hinder effective hybridization between indica and japonica of rice. In spite of that, one of the most historical success made in indica-japonica crosses was the development of Tongil rice Molecular markers are efficient and essential genotyping tools for molecular breeding and genetic analysis of rice. Two 96-plex indica–japonica single nucleotide polymorphism (SNP) genotyping sets were developed for genetic analysis and molecular breeding in rice using the Fluidigm platform. SNPs in set 1 were evenly distributed across all 12 rice chromosomes at a spacing of 4–5 Mb between adjacent SNPs. SNPs in set 2 mapped to the long genetic intervals in set 1 and included 14 functional or linked SNPs in genes previously cloned and associated with agronomic traits. Additionally, SNP sets were performed for genetic diversity analysis of various cultivated and wild rice accessions; construction and validation of a subspecies diagnostic subset; bulked segregant analysis (BSA) for mutant gene mapping; linkage map construction and quantitative trait locus (QTL) analysis; and background profiling during marker-assisted backcrossing. Furthermore, we identified subspecies-specific SNPs, and discuss their distribution and association with agronomic traits and subspecies differentiation. This genotyping system will serve as an efficient and quick tool for genetic analysis and molecular breeding in rice. The hybrid sterility is controlled by multiple QTLs. Six populations derived from TN1 and Donbong were developed, and evaluated spikelet fertility. We analyzed QTLs for spikelet fertility using two reciprocal F2 populations and two reciprocal BC1F1 populations. Nine QTLs were detected in F2 populations and four QTLs were identified in BC1F1 populations. qSF9 was identified all populations in this study. The qSF5 was detected in only Dobong cytoplasm backcrossed populations. For identify cytoplasm effect, TN1 and Dobong were investigated using cytoplasm markers and mitochondrial genome resequnencing. TN1 and Dobong were revealed carrying indica and japonica type cytoplasm, respectively. The mitochondrial genome of TN1 and Dobong carry similar variation with IR688B and Nipponbare, respectively. In addition, we found four candidate genes in mitochondria for cytoplasm effect. The result of this study could be applied to overcome inter-subspecific hybrid sterility during inter-subspecific hybridization. Some high-yielding varieties (HYVs) were developed from indica-japonica hybridization. In this study, eight HYVs developed from indica-japonica crosses were whole genome resequenced using Illumina platform. Total 14 common genomic regions showing japonica type alleles were identified from eight HYVs. The japonica-type regions were overlapped with QTLs mainly related eating quality, abiotic tolerance and yield related traits. Total 39 genes were selected in 14 japonica type common region of HYVs. 39 SNP markers were developed in selected 39 genes by one marker per one gene. Total 55 SNP markers, including 16 SNP markers linked with agronomic traits, were genotyped in 94 varieties. 94 varieties were classified into four groups, such as indica I, indica II, HYV type, and japonica by 54 SNP markers. 18 varieties out of 19 HYV-type varieties showed japonica-type Wxb allele on SNP marker WAXY-TG, which designed on Wx gene in japonica-type region. Furthermore, the amylose contents of HYVs was similar to japonica varieties. In addition, grain shape related traits were also similar to japonica. However, 1000-grain weight of HYVs was higher than japonica and indica. In conclusion, japonica-type alleles in HYVs were selected for japonica-like eating quality and grain shape related traits during breeding procedures. All result of in this study could serve effective molecular tools for breeding application of inter-subpspecific crosses in rice.