Physicochemical and Genomic Studies on Eating Quality of Japonica Rice (Oryza sativa L.)

Abstract

벼의 품질은 다양한 이화학적 특성을 아우르는 복잡한 형질이다. 그 중에서도 식미 형질은 시장에서 소비자에게 직접적 영향을 주는 주요 형질로 분류된다. 밥을 섭취하며 느껴지는 모든 감각 관련 속성은 식미 파악에 중요한 요소로서, 이와 관련된 이화학적 특성들이 식미의 직간접적 평가에 활용되고 있다. 하지만 식미는 개인의 주관적 판단에 의해 결정되고, 경험적문화적 배경이 그 판단에 영향을 미쳐 문화권마다 선호하는 벼 품질의 항목 또한 서로 상이하게 다르므로 소비층에 맞는 식미 형질을 파악하고 조절할 수 있어야 한다. 더불어서 식미 관련 주요 유전자인 Waxy 유전자의 대립유전형에 따른 변이 만으로는 다양한 식미가 설명되고 있지 않아 그 이외의 관여 유전자들을 파악하는 것이 중요하다. 본 연구의 목표는 자포니카 벼의 식미 결정 요인을 방향성분, 물리적 특성, 화학성분 등으로 세분화하여 이화학적유전적 품종육성 지표를 확립하는데 있다. 이를 위해 밥의 세분화된 식미 특성 지표를 확립하고, 관여 요인의 전유전체 연관분석 및 전사체분석으로 관여 유전자를 발굴해 선발지표를 개발을 했다. 자포니카 재래종과 육성종으로 구성된 284개 자원을 대상으로 10개의 식미 관련 형질들을 연차반복하여 조사했다. 도요 식미치 분석 결과 3년차 반복에서 공통적으로 2번 염색체 상단과 8번 염색체 하단부에서 lead SNP이 발견되었고, 최고 및 최저 도요 식미치의 자원을 선별해 출수 후 10일차 배유에서 전사체분석한 결과 고식미 자원과 저식미 자원에서 공통의 발현량 차이를 보이는 유전자를 발굴했다. Os06g0256500은 glucose-6-phosphate와 fructose-6-phosphate를 호환시키는 효소로, 전분생합성 경로에서 중요한 기질이다. 이 유전자의 기능을 T-DNA 삽입 계통을 이용해 검증한 결과, knock-out 개체와 wild-type간에 유의한 도요 식미치 차이를 보였다. 신속점도계를 활용해 전분호화도를 측정한 후 전유전체 연관분석 및 전사체분석 결과, 2번 염색체 상단에서 최고점도, 최저점도, 최종점도에 유의하게 관여하는 유전자로 Os02g0224300을 동정했다. 이 유전자는 high molecular weight glutenin family protein을 encoding하는데, 35S enhancer tagging line을 이용해 기능을 확인했다. 그 결과 wild-type에 비해 enhancer tagging line에서 유의하게 낮은 전분호화특성을 보였다. 식미 형질에 기여하는 유전요인을 밝히고 기능을 확인하여 이를 통해 기존 육종과정에서 식미를 향상 시킬 때 MAS를 활용하지 못하던 것을 가능하게 기여 할 수 있다. 고시히카리 특이적 염기서열에서 식미관련 품종 특이적 유전 구간을 파악하고 육종에 활용하기 위해 Nanopore와 Illumina platform을 이용해 고시히카리 유전체를 해독했다. 자포니카 품종인 니폰바레와 고시히가리의 유전체를 비교 했을 때 3번 염색체와 11번 염색체에서 특이적 구간을 확인 했다. 고시히카리 특이적 염기서열 구간에 고시히카리를 육종 소재로 이용해 육성된 품종 16개의 NGS read sequence를 고시히카리 유전체에 정렬했을 때, 11번 염색체의 P5 마커 구간에서 유의하게 고식미 품종에서 정렬이 되었고 저식미 품종에서 정렬이 되지 않아 해당 구간의 식미와 연관성을 확인했다. 더불어서 저식미 품종인 삼남벼에 P5마커 구간을 이입한 근동질계통에서 식미 특성 중 도요 식미치에서 유의하게 삼남벼에 비해 향상 되었다. 이 결과는 기존의 고식미 품종에 P5 구간의 이입을 통해 윤기를 향상시켜 식미를 증진하는데 활용 될 수 있다. 향미가 아닌 자포니카 쌀에서 식미에 영향을 주는 주요 방향성 물질을 발견하고 이것을 벼 육종의 새로운 기준으로 활용하고자 식미 평가와 방향성분 물질 분석을 수행했다. 식미 평가와 도요 식미 분석을 통해 선별한 고식미 품종 7개와 저식미 품종 7개의 밥과 백미에서 headspace SPME GC/MS분석으로 휘발성 방향물질을 프로파일링 했고 PLS-DA 분석을 통해 식미 구분에 결정적 작용을 하는 주요 물질을 선별 했다. 밥의 식미 구분에 큰 영향을 미친 물질로는 1-octen-3-ol, 1-ethyl-3,5-dimethylbenzene, 3-ethyloctane 등이 있었고, 백미에서 분석된 주요 물질로는 1-hexanol, methyl myristate, palmitic acid, benzene ethanol 등이 있었다. 밥과 백미의 프로파일링 결과 탐지된 방향성 물질들 중 두 시료 상에서 공통적으로 발견된 물질은 6개가 있었지만 모두 식미 구분에 영향을 주는 주요 물질로 분류 되지는 않았다. 해당 연구에서는 밥의 휘발성 방향물질을 분석해 식미와 유관한 밥의 향에 대해 직접적인 접근을 취했다. 백미에서 분석된 식미 결정 주요 물질은 향후 자포니카 쌀의 향취 형질에 대해 새로운 육종 기준으로 활용 될 수 있다. 본 연구에서 취한 다양한 식미 구성요소와 복합적 식미 특성에 대해 통합적인 접근을 통해 종합적으로 연구 결과를 식미 향상 분자육종 프로그램에 활용할 수 있다.

Eating quality is a major trait in rice (Oryza sativa L.) that is significantly and directly related to the consumers satisfaction, hence achieving high eating quality has been a goal of many breeding programs. However, widely known major genetic factor, Wx, cannot explain all the variations in eating and cooking quality. Moreover, for complicated traits like eating quality, identifying genetic architecture of a trait and minor effect genetic factors are crucial in unravelling the genetic factors controlling the trait to utilize it in breeding programs. Firstly, 10 eating and cooking qualities were assessed in 284 japonica rice accessions, and the genome-wide association of traits and genetic variants were studied with year replicates to dissect the genetic architecture of eating and cooking qualities and to discover novel genes that control the traits. With transcriptome analysis, the candidate genes for cooked rice glossiness and starch pasting properties were identified in chromosome 6 and 2, respectively. A candidate gene for glossiness, Os06g0256500, is related to the interconversion of glucose 6-phosphate to fructose 6-phosphate which is an important substrate beginning the starch biosynthesis. A candidate gene for maximum, minimum, and final viscosity, Os02g0224300, is related to one of the storage protein subunits. The transcripts expression levels of the genes and different phenotypic variations based on the haplotypes were determined. Moreover, the functions of the genes to the eating quality properties were verified using homozygote T-DNA insertion lines. These newly identified genetic factors are related to the eating quality properties other than amylose and protein content, and it is expected to be usefully applied in breeding programs for acquiring high eating quality rice cultivars. Secondly, high eating quality cultivar, Koshihikari, was studied for its cultivar-specific genome and genetic regions significantly related to eating quality were identified. Koshihikari de novo genome was assembled using Oxford nanopre long-read sequences and Illumina short-read sequences. Highly contiguous genome was obtained, and structural variations were examined. Among the gaps between Koshihikari and Nipponbare (reference genome, IRGSP-1.0), previously identified eating quality related QTLs were found in chromosome 3 and 11. From the sequence variations in chromosome 11, eating quality related marker P5 was located. From the study, high eating quality cultivars generated from Koshihikari possessed P5 sequences, on the other hand, low eating quality cultivars generated from Koshihikari did not. The eating quality of near-isogenic lines of Samnam genetic background with P5 segment was improved when measured by Toyo taste meter. The identified Koshihikari-specific genomic region was associated with eating quality, so introgression of the region could further increase the eating quality of breeding lines and facilitate the breeding program by means of MAS. Lastly, aroma and flavor are studied in japonica rice cultivars which is an important sensory attribute affecting eating quality. In this chapter, volatile organic compounds potentially affecting the eating quality of non-aromatic japonica rice were identified using gas chromatography mass spectrometry, sensory panel test, and Toyo taster meter analyses of 14 rice cultivars. Partial least squared discriminant analysis demonstrated an outstanding classification of the volatile compounds on eating quality discrimination. Among the compounds, 1-octen-3-ol, 1-ethyl-3,5-dimethylbenzene, 2,6,11-trimethyldodecane, 3-ethyloctane, 2,7,10-trimethyldodecane, methyl salicylate, 2-octanone, and heptanal were selected as important compounds. Characterization of rice eating quality based on volatile compounds suggests the application of metabolite profiling data for rice breeding of high eating quality.