Genome wide association study on cooked rice texture in rice (Oryza sativa L.)

Abstract

Texture is considered a multidimensional sensory property experienced by humans. The types of texture felt by food are various. Food texture can be an indicator of high-quality rice and is an essential consideration in its consumer acceptance and palatability. Phenotypic variations of texture in cooked rice are described in terms of hardness, tenderness, and adhesiveness by texture assessments. We investigated diverse cooked rice texture parameters that include hardness (HRD), adhesiveness (ADH), cohesiveness (COH), springiness (SPR), resilience (RES), and chewiness (CWN) in 248 rice accessions, including improved varieties and landraces using a texture profile analysis (TPA). Short-reads data were produced from next-generation sequencing (NGS). The data was mapped against the rice reference genome (Nipponbare, IRGSP v1.0) to identify genomic variants. A total of 1,254,682 high-quality single-nucleotide polymorphisms (SNPs) datasets derived from the panels and texture parameters obtained from the TPA method were used for genome-wide association study (GWAS). SNPs associated significantly with HRD were detected on chromosome 5 (Chr05:13917049), 6 (Chr06:1772858; Chr06:1772859), which included Waxy (Wx), OsBDG in linkage disequilibrium region, and 6 (Chr06:4518410). A total of 19 significant SNPs associated with ADH were identified on chromosome 6. Detected SNP that is involved in RES located on Chromosome 5 (Chr05:3455897). The linkage disequilibrium analysis determined the putative candidate region that included significant SNPs analyzed with p-value ≤ 1.572e-6 and inherited together. We identified the phenotypic differences through linkage disequilibrium (LD)-based analysis using candidate gene (GS5) that affects RES of cooked rice. The results of this study could contribute to our understanding of texture of cooked rice. Detected SNPs associated with the texture parameters and candidate genes affecting texture parameters will be an effective material to improve the physical characteristics of cooked rice in breeding system.

조직감은 인간에 의해 지각되는 다면적인 관능 특성이다. 식품에서 느낄 수 있는 조직감 유형은 다양하다. 조직감은 고품질 쌀을 직접적으로 평가하는 지표로 활용될 수 있으며, 사람들의 기호에 영향을 미치는 요소이므로 육종 과정에서 중요하게 고려해야 한다. 쌀밥에서 조직감 표현형은 조직감 분석 및 평가에 의하여 단단함, 부드러움, 찰기가 있음 등과 같은 단어로 표현할 수 있다. 육성종과 재래종을 포함한 248개의 벼 패널에서 텍스쳐 프로파일 분석(Texture Profile Analysis, TPA)을 이용하여 쌀밥 조직감을 조사하였다. 패널에서 대규모 병렬형 염기서열 분석법(Next Generation Sequencing, NGS)으로 숏 리드(Short reads)를 얻었고, 이를 벼의 참조 유전체(Nipponbare, IRGSP v1.0)과 대조하였다. Re-sequencing 을 통해 조사된 고품질 단일 염기 다형성(Single nucleotide polymorphism, SNP) 1,254,682개와, TPA에서 평가된 경도, 부착성, 응집성, 탄력성, 순간 복원력, 씹힘성을 포함하는 조직감 항목을 이용하여 전유전체연관분석(Genome wide association study, GWAS)을 실시하였다. 경도와 유의하게 연관된 단일 염기 다형성 마커는 4개로, 벼 염색체 5번(Chr05:13917049), 6번(Chr06:1772858, 1772859, 4518410)에서 탐지되었다. 부착성과 연관된 단일 염기 다형성은 염색체 6번에서 총 19개를 확인하였다. 염색체 5번에는 순간 복원력과 연관된 단일 염기 다형성 마커(Chr05:3455897)를 찾을 수 있었다. 연관 불균형 기반 분석(Linkage Disequilibrium (LD)-based analysis)을 통해, 각 쌀밥의 조직감 항목에서 p-value ≤ 1.572e-6로 유의하게 분석된 마커 위치를 포함하며, 함께 유전되는 지역의 범위와 후보 유전자를 확인하였다. 특히, 순간 복원력 형질 관련 유전자인 GS5의 일배체형 분석을 통해 표현형 차이를 식별하였고, 이를 통해 가장 강력하게 쌀밥 조직감에 영향을 주는 후보 유전자를 제시하였다. 본 연구 결과에서는 벼 재래종과 육성종에서 쌀밥 조직감의 다양한 표현형 정보를 포함한다. 탐색된 쌀밥 조직감 연관 단일 염기 다형성과, 연관 불평형 범위 내 위치하고 있는 후보 유전자군 정보와 같은 조직감 항목의 유전적 기초 자료는 향후 벼에서 조직감 개선 육종 과정에 이용할 수 있을 것으로 사료된다.