Genome-Wide Association Study of Rice Grain Morphology Combined with Micro-CT Phenotyping

Abstract

Rice (Oryza sativa L.) is one of the most essential stable crops in the world, providing food for over half of the global population. To enhance crop productivity and profitability in response to rising consumer demand, yield, disease resistance, and grain quality are regarded as the primary breeding objectives. Grain morphology is a crucial aspect to understand in rice breeding, as it is closely related to yield and grain quality. Brown rice comprises three parts: endosperm, embryo, and bran layer. Despite the importance of internal grain structure for plant breeding and crop improvement, research in this area has been limited compared to the extensive studies conducted on grain shape and size. This is primarily due to the delicacy, small size, and opaque nature of the grain. In our study, to overcome the limitation of studying grain internal structure, a non-destructive 3D imaging technique, micro-CT, was employed to study the internal morphology of the grain. The phenotype data obtained from the imaging was then combined with genotype data to conduct a Genome-Wide Association Study (GWAS) to identify quantitative trait loci (QTLs) that control the trait. As a result of the GWAS, 128 lead SNPs were detected and s genes such as OsYUC9, and OsPUP7 were found to be within the QTL region. The findings of the study indicated that the gene OsPUP7, which has previously been documented as having an association with grain size, may have a significant effect on grain size as observed in the panel used in this study. Moreover, the study proposed a novel relationship between OsYUC9, a gene regulating Indole-Acetic Acid (IAA) content in the developing grain, and the size of the rice embryo. The study analyzed the frequency of alleles for each morphological part of the grain by selecting the most frequently occurring SNPs. The analysis of two lead SNP sites for the grain revealed significant differences between the alleles, with the A allele from the 3:26977492 site having a favorable effect on the grain morphology, resulting in longer and larger grain volume while having a narrower grain width. For the bran layer, three SNP sites were analyzed, and the results showed that the allele 4, which has three positive alleles (T, T, C), results in the largest bran size when compared to the grain for traits such as BGCR, BGVR, and BGLR. For the embryo, the results showed that the allele with G at the 1:9223183 site has a significant impact on the height and volume. These findings provide further insights into the genetic basis of rice morphological traits and suggest that these information could be utilized in breeding programs to produce high quality rice cultivars with improved grain size and nutrients.

쌀의 품질을 결정하는 요소에는 식미, 도정, 외관, 영양 등이 있다. 현미상태의 종자는 배유, 배아, 속겨로 구성되며 각 구조는 서로 다른 영양성분을 가지고 있다. 종자의 대부분을 구성하는 배유는 전분과 단백질로 구성되어 있으며 배아와 속겨는 GABA, 비타민, 지질 등과 같은 기능성 물질이나 산업적 가치가 풍부한 물질들을 함유하는 것으로 보고되어 있다. 종자의 구조가 쌀 품질의 결정요소들에 직간접적으로 영향을 미치기 때문에 종자의 구조에 관련하는 양적형질유전자좌 (QTL)의 발굴은 더 나은 품질과 수량을 가지는 벼의 육성에 매우 중요한 의의를 갖는다. 따라서 본 연구는 현미의 내부 구조에 관여하는 QTL을 탐지하기 위해 215개의 벼 유전자원을 대상으로 micro-CT를 이용하여 종자 내부 구조 관련 형질들을 측정하였고, 전유전체연관분석 (Genome-wide association study, GWAS)을 실시하여 성공적으로 연관 SNP들을 탐지하였다. 그 결과 종자 입형에 관여하는 너비, 두께, 길이, 장폭비, 부피과 같은 형질들에서 총 128개의 연관 SNP가 탐지되었다. 탐지된 SNP들의 후보영역 내에서 배아 길이와 관련해 후보유전자로 생각되는 옥신관련 유전자 OsYUC9가 탐지되었으며 종자 크기에 관련하는 것으로 기존에 보고된 OsPUP7이 종자와 배유에 관련하는 QTL 영역에 존재했다. 이 유전자들이 해당 유전자원들의 표현형에 미치는 영향을 알아보기 위해 haplotype 분석을 실시한 결과 이들의 서열 변이로 인한 형질의 차이가 일부에서 나타났다. 또한 GWAS에서 탐지된 SNP들의 allelic combination에 따라 표현형에 유의미한 차이가 나타났다. 같은 종자 부위 내에서 여러번 중복되어 탐지된 연관 SNP들의 조합으로 분석을 실시한 결과 종자의 경우 총 4개의 조합으로 나타났으며 이중 통계분석이 가능한 allele 1이 종자의 부피가 가장 큰 조합으로 나타났다. 속겨의 경우 횡단면, 종자대비 종단면 면적비, 종자대비 부피비 에서 하나씩의 연관 SNP가 탐지되었으며 이들의 조합을 본 결과 allele 4가 가장 종자크기 대비 큰 부피의 속겨를 가지는 것으로 드러났다. 이는 영양 가치가 높은 종자의 육종에 활용될 수 있으나 백미를 목적으로 하는 경우 도정에 어려움을 줄 수 있기 때문에 이 조합을 활용하여 목적에 맞는 벼의 생산이 가능할 것으로 전망된다. 배아에서 역시 여러 형질에 대해 반복해서 나타나는 5개 연관 SNP의 allele combination을 분석한 결과, 총 10개의 조합으로 구별되었다. 이 중 통계 가능한 2개의 조합을 살펴 본 결과 allele 3의 조합이 배아의 높이와 부피가 가장 큰 것으로 나타났다. 이 조합을 가지는 벼를 육종 재료로 활용한다면 더 영양적 가치가 높은 쌀을 생산할 수 있을 것으로 판단된다. 본연구를 통해 밝혀진 결과들은 벼 종자 구조의 표현형에 대한 종합적 이해를 제공하며 영양가 높고 외관 품질과 수량이 우수한 벼의 육종에 기초자료로써 활용될 수 있다.