:: Korean Journal of Breeding Science ::
Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer open access
ISSN : 0250-3360(Print)
ISSN : 2287-5174(Online)
Korean Journal of Breeding Science Vol.49 No.4 pp.334-343
DOI : https://doi.org/10.9787/KJBS.2017.49.4.334

QTL Analysis for Cold Tolerance at Seedling Stage using Hanareum2/Unkwang Recombinant Inbreeding Lines in Rice

Tae-Heon Kim1, Ji-Yoon Lee1, Su-Min Jo1, Jun-Hyun Cho1, Jong-Hee Lee2, You-Chun Song1, Dong-Soo Park1, Myung-Kyu Oh1, Dongjin Shin1*
1Department of Southern Area Crop Science, National Institute of Crop Science, RDA, Miryang, 50424, Korea
2Research Policy Bureau, RDA, Jeonju, 54875, Korea
Corresponding author : (jacob1223@korea.kr), +82-55-350-1185, +82-55-352-3059
20170808 20171001

Abstract

Rice production is largely affected by various environmental conditions such as cold, heat and flooding. Here, to identify cold tolerant QTLs at seedling stage in rice, we generated RIL population derived from a cross between Hanareum 2 and Unkwang which are a highly cold sensitive and cold tolerant, respectively. We observed cold phenotype of this population in the growth chamber conditions and natural field conditions. For observation of cold tolerant phenotype of RIL population in the growth chamber, we treated cold stress (5~13°C) for 14 days and recovery for 4 days. When we examined the phenotype of RIL in the field conditions, temperature range in the field conditions was about 6 to 25°C in 2015~2016. We named QTLs as Seedling Cold Tolerant (SCT) in growth chamber and Cold induced Yellowing Tolerant (CYT) in the field, respectively. Three QTLs for SCT and 5 QTLs for CYT were detected on chromosome 1, 6, 7, 8, 10, 11 and 12. Among these QTLs, qSCT12 on chromosome 12 showed 26.3 LOD score with 25.5% of phenotypic variation. When qSCT11.1 and qSCT12 were combined, cold tolerant was most strongest in our experimental conditions. qCYT10 on chromosome 10 was identified in field experiment on both 2015 and 2016. These results may provide useful information for a marker-assisted breeding program to improve cold tolerance in rice.


한아름2호/운광 RIL 집단을 이용한 벼 내냉성 QTL 탐색

김 태헌1, 이 지윤1, 조 수민1, 조 준현1, 이 종희2, 송 유천1, 박 동수1, 오 명규1, 신 동진1*
1농촌진흥청 국립식량과학원 남부작물부
2농촌진흥청 연구정책국

초록


    Rural Development Administration
    PJ010999

    서 언

    벼는 열대 및 아열대 지역에서 기원하여 전 생육기간동안 저온에 대하여 민감하며(Kovach et al. 2007, Nakagahra et al. 1997), 전 세계적으로 벼 재배 지역 중 1,500 만 ha 이상이 매년 냉해가 발생되는 것으로 보고되었다(IRRI 1979). 국내에서 는 1971년과 1980년, 1993년에 전체 벼 재배면적의 17~20%에 서 냉해가 발생되었다(Lee 2001). 더욱이 최근 지구온난화로 인한 냉해의 발생 빈도와 강도가 증가될 것으로 예측되고 있다.

    저온은 벼의 발아율 저하와 유묘의 생육장해, 분얼 감소, 출수 지연, 불임 등에 영향을 주어 수량 감소를 야기한다(Andaya and Tai 2007, Lou et al. 2007). 벼에서 저온에 대한 저항성 기작은 다수의 유전자에 의해 조절되는 양적형질로 알려져 있다 (Koseki et al. 2010, Park et al. 2010). 열대자포니카인 M202와 인디카인 IR50 조합의 RIL 집단을 이용하여 저온에 의한 위조와 고사에 관련된 12개의 QTL이 탐색 되었다. 이중 12번 염색체의 단완에 위치한 qCTS12의 설명 가능한 표현형 변이가 41%로 높았다(Andaya and Mackill 2003a). qCTS12는 CT710F와 CT780B 사이의 55kb 영역까지 유전자 위치가 정밀화 되었으며, 후보유전자로 glutathione S-transferase의 zeta class에 속하는 OsGSTZ1OsGSTZ2로 추측하였다 (Andaya and Tai 2006). 활성산소(ROS)를 제거하는 glutathione peroxidase(GPX)와 함 께 벼의 GST 유전자들이 저온 처리에 의하여 발현이 증가되는 것으로 보고되었다(Zhao et al. 2015). BSA (Bulked segregant analysis) 방법을 이용하여 유묘기(seedling stage) 저온 저항성 에 관련된 qCTSS-1, qSTSS-2a 등의 6개 QTL을 탐색하였으며 이들 QTL중 qCTSS-2a 등은 유묘기 뿐만 아니라 수잉기 (Booting stage)에서도 저온 저항성을 가지고 있었다(Yang et al. 2013). 하지만, 자포니카와 인디카의 RIL 집단에서 4℃를 3일간 처리하여 유묘기 내냉성과 저온발아성을 조사하였을 때 상관관계가 없는 것으로 보고되었다(Ranawake et al. 2014). 국내와 중국 운남성에서의 고도 차이에 따른 저온에서의 임실율 증진 QTL을 6종 탐색하고 이중 4개의 QTL에 대한 근동질계통 을 육성하여 QTL에 대한 기능을 검정하였다 (Jiang et al. 2011). 냉해 저항성 품종인 Kuchuam에서 유래된 qCT-4 QTL이 도입된 근동질계통은 모본인 Hitomebore 보다 저온조건에서 임실율이 증가되었고, Lijiangxintuanheigu에서 유래한 qLTB3이 도입된 근동질계통은 모본인 Hitomebore 보다 저온 저항성이 증가되었 다. 또한 두개의 QTL이 집적되었을 때 저온에서의 임실율이 안정적이었다. 특히, qCT-4는 다른 작물학적 형질의 차이도 관찰 되지않아 저온 저항성 육종에 유용하게 사용될 것으로 기대되었 다(Endo et al. 2016).

    뿌리의 저온 저항성 QTL로 알려진 qRC10-2은 유묘기와 성숙 기(mature stage)에서 저항성을 나타내었다. qRC10-2의 영역 내에 위치한 후보유전자는 냉해 저항성 품종에서 저온처리에 의해 발현이 증가되는 Os10g0489500와 뿌리에서 발현량이 많은 Os10g0490100 중 하나 일 것으로 보고되었다 (Xiao et al. 2014). 내냉성 품종으로 알려져 있는 진부벼와 민감성 품종인 BR29 조합의 RIL 집단을 이용하여 변온조건으로 실내 유묘 내냉성을 검정한 후 qSCT1, qSCT11 등 6개의 QTL을 탐색하고, 이들 QTL의 후보 유전자로 CAMTADuf6을 제시하였다(Kim et al. 2014). GWAS를 이용한 QTL 탐색을 통해 유묘 내냉성 qCTS3-9 QTL의 후보 유전자로 GTP-binding 단백질인 Osryh1 이 보고되었다. Osryh1의 저온 저항성 기작은 보고되지 않았지 만, 저온 저항성 품종과 민감성 품종에서 대립유전자간에 염기서 열의 다형성이 관찰되었다(Wang et al. 2016). 최근, Nipponbare에서 유래된 qCts11이 map-based clonging에 의해 COLD1 유전자로 밝혀졌다. 특히, COLD1은 G-protien의 signal relgulator 기능을 가지는 단백질로 4번 엑손의 SNP 변화 로 저온 저항성 표현형이 결정되었다(Ma et al. 2015). 본 논문에 서는 통일형 품종인 ‘한아름2호’의 유묘 냉해 저항성을 증진시키 기 위하여 ‘한아름2호’와 ‘운광’의 RIL 집단을 육성하고 실내 유묘 내냉성 검정조건과 실외 못자리 조건에서의 유묘 적고 저항성을 조사하였으며, 이를 통한 유묘 내냉성 연관 QTL 탐색 과 각 QTL의 집적 효과를 규명하기 위해 수행하였다.

    재료 및 방법

    유전분석용 집단 육성

    유전 분석 집단은 저온에 민감성인 중생종 통일형 품종인 ‘한아름2호’와 저온에 강한 자포니카형 조생종 품종인 ‘운광’을 2009년 인공교배하여 F1을 양성하였고 F2세대부터 SSD (Single seed descendent) 방법으로 총 384개의 재조합 자식 계통(RIL) 을 육성하였다. 모부본인 ‘한아름2호’, ‘운광’과 각 계통은 유묘 내냉성 연관 QTL 분석을 위해 유묘내냉성 표현형 검정에 사용되 었다.

    유묘내냉성 표현형 검정

    한아름2호/운광 재조합 자식 계통과 모부본인 ‘한아름2호’, ‘운광’의 실내 유묘 내냉성 표현형을 검정하기 위하여 20칸으로 균등하게 나누어진 파종 상자에 (60 × 30 cm) 각 계통과 ‘한아름2 호’및 ‘운광’의 종자를 20립씩 0.5 × 1.5 cm 간격으로 파종하였 다. 남부 지방의 통일형 벼품종의 못자리 기간에 해당되는 4월 중순의 평년 최저기온과 평균기온은 각각 5.8℃와 13.1℃였으 며, 특히 최저기온값은 5.2℃였다. 이를 참조하여 식물생장상에 서의 저온처리 조건을 최저 5℃에서 최고 13℃로 설정하였다. 파종 후 14일 유묘를 식물생장상(G-30, Conviron)에서 5~13℃ 의 변온 조건으로 14일간 처리하였다. 광조건은 명조건 16시간 과 암조건 8시간으로 설정하였다. 저온처리 후 4일간 온실 조건 에서 회복시킨 다음 각 계통의 유묘내냉성 표현형을 표준 검정 시스템 (SES: standard evaluation system)에 따라 1(저항성)~9 (민감성)까지 5등급으로 조사하였다 (IRRI 2002).

    포장 조건에서의 유묘 적고 저항성 검정은 2015년도와 2016 년도에 2반복으로 수행하였다. 유묘 적고 저항성 검정을 위하여 소독한 종자를 20칸으로 균등하게 나누어진 파종 상자에 (60 × 30 cm) 약 100립씩 각각 파종하였다. 각 파종상자에는 모부본 인 ‘한아름2호’와 ‘운광’을 체크품종으로 각각 파종하였다. 파종 후 3주된 모를 4월 20일 못자리(국립식량원 남부작물부, 밀양)로 옮겨 3주간 저온 처리한 후 저온에 의한 잎의 변색 정도에 따라 표현형을 조사하였다. 각 계통의 유묘내냉성은 1(저항성)~9(민 감성)까지 9으로 표준 검정 시스템에 준하여 조사하였다(IRRI 2002).

    DNA 추출 및 genotyping

    DNA 추출은 파종 후 14일된 유묘의 잎을 채취하여 CTAB (cetyltrimethyl ammonium bromide) 방법으로 추출하였다 (Murray and Thompson 1980). 한아름2호/운광 RIL 집단의 유전형 정보는 IRRI의 Genotyping Services Lab. 에 의뢰 하였 으며, BeadXpress 기반으로 한 384-plex SNP를 이용하였다. SNP 마커는 RiceOPA3.1 인 Rice SNP set이 사용되었다 (Thomson et al. 2012). Genotyping은 VeraCode Manual Protocol을 위한 GoldenGate Genotyping Assay (Illumina Part #11275211)에 따랐으며, BeadXpress Reader로 결과를 스캔하 였다. SNP data는 Illumina Genome eStudio (v 1.1.0)의 Genotyping module로 분석하여 ALCHEMY 프로그램을 이용 하여 SNP 를 calling하였다 (Wright et al. 2010).

    Linkage map 작성 및 QTL 분석

    Linkage map은 ‘한아름2호’, ‘운광’에 다형성을 나타내는 241개 SNP 마커를 이용하여 Icimapping ver. 4.0 (Chinese Academy of agricultural Sciences, China)를 이용하여 작성하 였다. LOD (Logarithm of odds) 값인 3.0을 기준으로 SNP 마커를 그룹으로 나눴으며, 마커의 순서는 input으로 정하고 마지막으로 SARF (Sum of adjacent recombination fractions) 로 rippling 하였다. 유묘내냉성 연관 QTL은 한아름2호/운광 재조합 자식 계통 집단의 표현형 조사 성적을 이용하여 Icimapping ver. 4.0 의 CIM (Composite interval mapping) 방법으로 분석하였다. 유의한 QTL의 존재 유무를 결정하는 LOD의 threshold 값은 p<0.05 조건의 1,000 permutation test에 의해 결정되었다(Churchill and Doerge 1994).

    QTL 조합에 따른 상가적 효과 분석

    한아름2호/운광 RIL집단을 각 유묘내냉성 연관 QTL의 LOD 값이 가장 높은 마커를 이용하여 QTL 조합에 따라 그룹을 나누 었다. QTL 조합에 따른 각 그룹의 SCT 는 평균±표준편차로 나타내었다.

    결과 및 고찰

    RIL 집단의 실내 유묘 내냉성 및 포장 적고 저항성 표현형 검정

    통일형 품종은 자포니카 품종보다 일반적으로 수량성은 높으 나 내냉성이 약한 특징이 있다. 이러한 통일형 품종의 내냉성 증진을 위하여 본 연구를 수행하였다. 최근까지 육성된 통일형 품종 중 단위 면적당 758kg/10a로 수량성이 가장 높은 ‘한아름2 호’의 내냉성 증진을 위하여 내냉성이 강한 자포니카 품종인 ‘운광’을 선발하고 한아름2호/운광 F2 유래 RIL 집단을 구축하였 다. 먼저 식물 생장상을 이용한 실내 유묘 내냉성 검정을 위하여 저온처리 방법으로 포장 조건과 같은 변온 조건을 선택하였다. 4월 중순의 평년 최저기온과 평균기온은 각각 5.8℃와 13.1℃였 으며, 특히 최저기온값은 5.2℃였다. 이를 참조하여 식물생장상 에서의 저온처리 조건을 최저 5℃에서 최고 13℃로 설정하였다. 저온을 10일부터 15일까지 기간을 달리하여 처리하였을 때, 14일 동안 저온을 처리하였을 때 내냉성과 민감성 표현형이 가장 명확하게 구분되었다. 위의 실내 내냉성 처리 조건에서 유묘 내냉성 품종인 ‘운광’은 생육은 지연되었지만 식물체 잎의 변색이 없었지만, 저온에 민감성인 ‘한아름2호’는 잎이 완전히 고사하였다(Fig. 2). 실내 검정 조건에서의 한아름2호/운광 RIL 집단의 유묘 내냉성 표현형은 저온에 거의 피해를 입지않은 것에서 완전히 고사한 계통까지 저항성 정도의 차이가 나타났으 며, 각 계통의 표현형이 명확하고, 표현형 간에 다양한 차이는 나타나지 않아 표준 검정 시스템(SES)에 따라 내냉성 정도를 1, 3, 5, 7, 9의 5등급으로 분류하였다(Fig. 1). ‘운광’은 1의 저항성 등급으로 나타났으며, ‘한아름2호’는 9등급으로 조사되 었다. RIL 집단의 유묘 내냉성 평균은 5.8±1.2 였다(Table 1). 또한 한아름2호/운광 재조합 자식 계통 집단의 SCT는 양적형질 의 특성인 연속변이와, 이봉분포와 유사한 분포를 나타내었다 (Fig. 2). 이 결과는 M202와 IR72의 RIL 집단과 진부와 BR29의 RIL 집단에서 나타난 유묘 냉해 저항성 표현형 반응과 유사하였 다(Andaya and Mackill 2003, Kim et al. 2014).

    한아름2호/운광 RIL 집단의 적고 저항성 표현형을 2015년과 2016년에 각각 4월 20일부터 5월 10일까지 3주간 못자리 조건에 서 검정하였다. 포장에서의 평균기온은 각각 16.8℃±2.2와 16. 9℃±1.9였으며, 평균 최고기온은 각각 24.8℃±3.5와 23.6℃ ±3.7이였다. 특히 시험기간 중의 평균 최저 온도는 각각 9.5℃ ±3.5와 10.7℃±2.6이였으며, 최저극은 각각 5.5℃와 6.7℃였다. 포장에서의 적고 저항성 검정 온도는 실내 유묘 내냉성 검정 온도보다 최저 온도는 0.5~1.6℃ 차이를 나타내었으나, 최고 온도는 10℃ 이상 차이가 났다. 적고 저항성의 표현형은 실내 유묘 내냉성 표현형 검정과 달리 식물체 잎의 변색으로 나타났다 (Fig. 1). 이것은 실내 유묘내냉성 검정 처리 온도와 포장 적고 저항성 처리 온도의 차이 때문으로 추측되었다. 식물생장상에서 이루어지는 실내 유묘 내냉성 검정과는 다르게 유묘 적고 검정은 온도뿐만 아니라 다른 환경적인 요인에 의해 잎의 변색 정도가 계통에 따라 다양하게 나타나 표준 검정 시스템에 준하여 1~9까 지 9등급으로 나누어서 저항성 정도를 평가하였다. ‘운광’은 잎 끝의 변색이 없어 적고 저항성 정도는 1 등급으로 조사되었고, ‘한아름2호’의 적고 저항성 정도는 붉은 색 및 노란색으로 식물체 의 잎이 변색되는 정도가 심하여 2015년과 2016년에 각각 8등급 과 7등급으로 조사되었다(Fig. 2). RIL 집단의 적고 저항성 표현 형은 정규분포를 나타내었으며, 평균 적고 저항성 정도는 5.1±3.0였다(Table 1).

    유묘 내냉성 및 적고 저항성 QTL 분석

    총 384의 SNP 마커를 이용하여 ‘한아름2호’와 ‘운광’에서 다형성을 보이는 241개의 SNP 분자마커를 선발하였다. RIL 집단에서 이들 241개의 SNP 분자마커 정보를 이용하여 연관지 도(linkage map)을 작성하였다. RIL 집단에서의 총 염색체 크기 는 1,187.9 cM이였으며, SNP 분자마커 간 평균 거리는 5.2 cM였다(Fig. 3). 염색체당 평균 분자마커 수는 10~35개 였으나, 각각의 염색체 크기에 따라 염색체당 분자마커가 균등하게 분포 되어 있었다.

    한아름2호/운광 RIL 집단의 실내 유묘 냉해 저항성 표현형 및 포장에서의 적고 저항성 표현형 등급과 유전형 정보를 이용하 여 Icimapping ver. 4.0 프로그램(CAAS, China)의 composite interval mapping(CIM) 방법으로 QTL을 분석하였다. 실내 유 묘 내냉성 검정에 따른 유묘 내냉성 QTL이 11번 염색체에 2개, 12번 염색체에 1개가 각각 탐색 되었다(Fig. 4). 이들 QTL을 각각 qSCT11.1qSCT11.2, qSCT12로 명명하였다. `12번 염색 체상에 위치한 qSCT12의 LOD 값은 26.3였으며, 설명 가능한 표현형 변이는 25.5% 로 major QTL 인것으로 판단되었다 (Table 2). qSCT12는 유묘를 9℃의 냉수구에 담궈 9일간 처리한 조건과 8/15℃에서 7일간 저온 처리한 조건에서 모두 탐색된 유묘 내냉성 연관 QTL인 qCTS-12 (Zhang et al. 2014)와 같은 영역에 위치하였다. 또한 Pan et al.이 보고한 수잉기 저온저항성 QTL 위치와 중첩된다(Pan et al. 2015). 따라서 qSCT12는 유묘 내냉성 뿐만 아니라 수잉기의 내냉성 증진을 위한 중요한 QTL로 판단되었다.

    qSCT11.1qSCT11.2 의 LOD 값은 4.1과 5.3이였으며, 설명 가능한 표현형 변이는 각각 3.8%, 4.4% 였다(Table 2). qSCT11.1 영역은 Lemont에서 유래한 유묘 냉해 저항성인 qSCT-11과 같은 영역으로 탐색 되었으며, cold induced wilting tolerance 연관 QTL로 보고된 qCTS11-1 과도 같은 영역에 위치 하였다(Zhang et al. 2005, Andaya and Mackill 2003). qSCT11.2는 유묘 내냉성 뿐만 아니라 저온 발아율과 내한발성에 관련된 QTL과 같은 영역에 위치하였다(Ji et al. 2008, Srinivasan et al. 2008, Guo et al. 2004). 또한 재래종인 KMXBG에서 유래한 저온에서의 임실율 향상에 관련된 qCTB-11-1과도 같은 영역에 위치하였다(Xu et al. 2008). qSCT11.2 영역은 도열병 저항성 Pi43(t) 및 흰잎마름병 저항성 Xa4와 같은 위치로 생물학적 및 비생물학적 스트레스 저항성에 중요한 QTL로 판단되었다(Lee et al. 2009, Xiao et al. 2011, Sun et al. 2003, Wang et al. 2003, Yang et al. 2003).

    2015년과 2016년의 유묘 적고 저항성 검정을 통해 각각 3개의 QTL이 탐색 되었다. 2015년도에는 7, 8, 10번 염색체에서 3개의 QTL이 각각 탐색 되었고, 2016년에는 1, 6, 10번 염색체에서 3개의 QTL이 각각 탐색 되었다(Fig. 5). 2년의 실험에서 공통으 로 탐색된 10번 염색체에 위치한 qCYT10의 LOD 값은 10.1과 3.0이었으며, 설명 가능한 표현형은 8.1%과 4.4%였다(Table 3). 특히 qCYT10은 연차 간에 안정적으로 적고 저항성에 관여하는 QTL로 판단되었다. 14~17℃의 조건에서 저항성을 유도하는 Nipponbare 유래 qCTSS10qCYT10과 같은 염색체 영역에 위치하였다(Yang et al. 2013). 유묘 내냉성과 연관된 염색체 12번에서 탐색된 major QTL인 qSCT12는 유묘 적고 저항성 QTL 분석에서는 탐색이 되지 않았다. 이는 각 저온 처리 조건에 따라 모부본인 ‘한아름2호’와 ‘운광’의 표현형이 크게 차이가 나고, 한아름2호/운광 재조합 자식 계통에서의 유묘 내냉성과 유묘 적고 저항성은 상관관계가 없는 것으로 조사되었으며 (Data not shown), 또한 유묘 내냉성 계통 중 82%가 적고에서는 저항성 을 나타내지 않는 것으로 보아 서로 저항성 기작이 다른 것에 의한 것으로 판단된다.

    QTL 조합에 따른 상가적 효과 분석

    유묘 내냉성 QTL의 집적에 따른 유묘 내냉성 효과를 분석하 기 위하여 qSCT11.1qSCT11.2, qSCT12 QTL영역에서 LOD 값이 가장 높은 곳에 위치한 id11003145, id11010555, id12002727 분자마커를 각각 선발 하였다. 이들 분자마커를 이용한 QTL의 집적 여부에 따라 한아름2호/운광 RIL 집단을 총 8개의 그룹으로 나누었다(Table 4). qSCT11.1 또는 qSCT11.2 을 가지고 있는 그룹2은 어떤 저항성 QTL도 집적되지 않은 그룹1과 같은 수준의 저온 저항성을 나타내었다. qSCT11.1qSCT11.2 QTL이 집적된 그룹5은 qSCT12이 도입된 그룹 3과 비슷한 5.4±0.9의 중도 저항성을 나타났다. 하지만 qSCT12qSCT11.1 또는 qSCT11.2과 같이 집적되었을 때 저항성 정도가 3.5±2.3 및 3.9±2.9으로 증가하였다. 이 결과로 qCTS12이 major QTL로 유묘 내냉성을 증가시키며, qCTS11.1qCTS11.2qCTS12과 상보적으로 결합하여 유묘 내냉성을 증가 시키는 기능을 할 것으로 판단하였다. 이러한 QTL 집적에 따른 저항성 증진은 저온 저항성 등의 재해저항성 형질에서 다수의 보고가 있었다. 진부벼에서 유래된 유묘 내냉성 QTL인 qSCT1qSCR11이 집적되었을 때도 유묘 내냉성이 향상되었으며, 내한 발성 QTL인 qVCT11qVCT2와 같이 집적되었을 때 내한발성 의 정도가 증가 되었다(Kim et al. 2017, Kim et al. 2014). 앞으로 본 실험에서 탐색한 각각의 QTL에 대한 근동질계통 (NIL: Near isogenic line)을 육성하여 후보유전자 탐색과 내냉 성 증진이 증진된 계통에 대한 작물학적 특성과 검정 조건에 따른 저항성 간의 정밀한 검정 등이 필요하며, 이를 통하여 유묘 내냉성이 개선된 통일형 계통을 육성할 수 있을 것으로 기대한다.

    적 요

    통일형 품종의 유묘 내냉성 증진을 위하여 내냉성 품종인 운광과 한아름2호의 RIL 집단 384 계통을 육성하고, 식물생장상 에서의 변온 조건과 포장 조건에서 각각 실내 유묘 내냉성과 적고 저항성 QTL을 탐색하였다. 이를 통하여 운광 유래 실내 유묘 내냉성 QTL인 qSCT11.1qSCT11.2, qSCT12을 탐색하였 다. 특히 qSCT12은 LOD 값은 26.3, 설명 가능한 표현형은 25.5%으로 다른 QTL 보다도 상대적으로 높았다. 또한 qSCT12 QTL이 다른 유묘 내냉성 QTL과 집적 되었을 때 저항성 정도가 증가되었다. 적고 저항성은 2년의 실험을 통하여 1번, 6번, 7번, 8번, 10번 염색체에 위치한 총 5개의 QTL을 탐색하였다. 이 중 10번 염색체에 위치하는 qCYT10은 두번의 반복 시험에서 탐색 되었다. 하지만 유묘 내냉성 검정 온도와 적고 저항성 검정 처리 온도가 차이가 있어 유묘 내냉성 QTL과 적고 저항성 QTL 이 다르게 탐색 되었다. 앞으로 본 논문에서 탐색된 유묘 내냉성 QTL과 적고 저항성 QTL의 형질 도입을 통하여 내냉성 통일형 계통 육성에 도움이 될 것으로 기대한다.

    사 사

    본 논문은 농촌진흥청 연구사업(세부과제명: 유묘 내냉성 형 질 도입 통일형 벼 중간모본 개발, 세부과제번호: PJ010999)의 지원에 의해 이루어진 것임.

    Figure

    KJBS-49-334_F1.gif

    Cold tolerant phenotype of Hanareum2 (H), Unkwang (U), and selected RILs. a) Photograph of Hanareum2 and Unkwang at 4 days recovery after cold treatment in the growth camber conditions. b) Photograph of selected RILS for seedling cold tolerant (SCT) scale. c) Photograph of selected RILS for cold-induced yellowing tolerant (CYT) scale. Photograph was taken after recovery or cold stress treatment according to Materials and Methods.

    KJBS-49-334_F2.gif

    Phenotypic frequency distribution of cold tolerant in 384 RIL population derived from a cross between ‘Hanareum2’ and ‘Unkwang’. a) Phenotypic frequency distribution for seedling cold tolerance (SCT) of RIL population. Cold stress was treated at 5~13℃ for 14 days and phenotype of each lines was observed after 4 days in normal growth condition. b) Phenotypic frequency distribution of cold-induced yellowing tolerant (CYT) of RIL population in field condition in 2015~2016.

    KJBS-49-334_F3.gif

    The genetic linkage map of RIL population derived from a cross Hanareum2 and Unkwang. The genetic linkage map was generated with 241 SNP markers using QTL IciMapping program ver. 4.0 (CAAS, China).

    KJBS-49-334_F4.gif

    The location of QTLs related to seedling cold tolerance (SCT) at stage. The curve shows the LOD score for QTL associated with SCT. Threshold of LOD score for declaring the presence of a putative QTL was determined for trait associated with SCT on the basis of 1,000 permutations at p˂0.05.

    KJBS-49-334_F5.gif

    The location of QTLs related to cold-induced yellowing tolerance in field condition (CYT) of RIL population in 2015 and 2016. The curve shows the LOD score for QTL associated with CYT. Threshold of LOD score for declaring the presence of a putative QTL was determined for trait associated with CYT on the basis of 1,000 permutations at p˂0.05.

    Table

    Phenotypic evaluation of cold tolerance at seedling stage in parents and RIL population.

    zSCT : Seedling cold tolerance, CYT : Cold induced yellowing tolerant.

    Putative QTLs associated with seedling cold tolerance (SCT) as determined by composite interval mapping.

    zLOD : The logarithm of the odds.
    yPVE : Percentage of the phenotypic variance that was explained.
    xAE : Positive value of the additive effect indicate that allele from Unkwang was in the direction of increasing the trait value.

    Putative QTLs associated with cold-induced yellowing tolerance in field condition (CYT) at seedling stage as determined by composite interval mapping.

    zLOD : The logarithm of the odds.
    yPVE : Percentage of the phenotypic variance that was explained.
    xAE : Positive value of the additive effect indicate that allele from Unkwang was in the direction of increasing the trait value.

    QTL pyramiding effect on seedling cold tolerance.

    Reference

    1. AndayaV. MackillD. (2003) Mapping of QTLs associated with cold tolerance during the vegetative stage in rice. , J. Exp. Bot., Vol.54 ; pp.2579-2585
    2. AndayaV.C. TaiT.H. (2006) Fine mapping of the qCTS12 locus, a major QTL for seedling cold tolerance in rice. , Theor. Appl. Genet., Vol.113 ; pp.467-475
    3. AndayaV.C. TaiT.H. (2007) Fine mapping of the qCTS4 locus associated with seedling cold tolerance in rice (Oryza sativa L.). , Mol. Breed., Vol.20 ; pp.349-358
    4. ChurchillG.A. DoergeR.W. (1994) Empirical threshold values for quantitative trait mapping. , Genetics, Vol.138 ; pp.963-971
    5. EndoT. ChibaB. WagatsumaK. SaekiK. AndoT. ShomuraA. MizubayashiT. UedaT. YamamotoT. NishioT. (2016) Detection of QTLs for cold tolerance of rice cultivar 'Kuchum' and effect of QTL pyramiding. , Theor. Appl. Genet., Vol.129 ; pp.631-640
    6. IRRIIRRI (1979) Report of a Rice Cold Tolerance Workshop, International Rice Research Institute,
    7. IRRIIRRI (2002) Standard evaluation system for rice., International Rice Research Institute,
    8. JiangW. JinY.M. LeeJ. LeeK.I. PiaoR. HanL. ShinJ.C. JinR.D. CaoT. PanH.Y. DuX. KohH.J. (2011) Quantitative trait loci for cold tolerance of rice recombinant inbred lines in low temperature environments. , Mol. Cells, Vol.32 ; pp.579-587
    9. KimS.M. SuhJ.P. LeeC.K. LeeJ.H. KimY.G. JenaK.K. (2014) QTL mapping and development of candidate gene-derived DNA markers associated with seedling cold tolerance in rice (Oryza sativa L.). , Mol. Genet. Genomics, Vol.289 ; pp.333-343
    10. KimT.H. HurY.J. HanS.I. ChoJ.H. KimK.M. LeeJ.H. SongY.C. KwonY.U. ShinD. (2017) Drought-tolerant QTL qVDT11 leads to stable tiller formation under drought stress conditions in rice. , Plant Sci., Vol.256 ; pp.131-138
    11. KosekiM. KitazawaN. YonebayashiS. MaeharaY. WangZ-X. MinobeY. (2010) Identification and fine mapping of a major quantitative trait locus originating from wild rice, controlling cold tolerance at the seedling stage. , Mol. Genet. Genomics, Vol.284 ; pp.45-54
    12. KovachM.J. SweeneyM.T. McCouchS.R. (2007) New insights into the history of rice domestication. , Trends Genet., Vol.23 ; pp.578-587
    13. LeeM-H. (2001) Low temperature tolerance in rice: the Korean experience. , Increased Lowland Rice Production in the Mekong Region. ACIAR Proceedings, ; pp.109-117
    14. LeeS. WamisheY. JiaY. LiuG. JiaM. (2009) Identification of two major resistance genes against race IE-1k of Magnaporthe oryzae in the indica rice cultivar Zhe733. , Mol. Breed., Vol.24 ; pp.127-134
    15. GuoL.B. QianQ. ZengD.L. DongG.J. TengS. ZhuL.H. (2004) Genetic dissection for leaf correlative traits of rice (Oryza sativa L.) under drought stress. , Yi Chuan Xue Bao, Vol.31 ; pp.275-280
    16. LouQ. ChenL. SunZ. XingY. LiJ. XuX. MeiH. LuoL. (2007) A major QTL associated with cold tolerance at seedling stage in rice (Oryza sativa L.). , Euphytica, Vol.158 ; pp.87-94
    17. MaY. DaiX. XuY. LuoW. ZhengX. ZengD. PanY. LinX. LiuH. ZhangD. XiaoJ. GuoX. XuS. NiuY. JinJ. ZhangH. XuX. LiL. WangW. QianQ. GeS. ChongK. (2015) COLD1 confers chilling tolerance in rice. , Cell, Vol.160 ; pp.1209-1221
    18. MurrayM.G. ThompsonW.F. (1980) Rapid isolation of high molecular weight plant DNA. , Nucleic Acids Res., Vol.8 ; pp.4321-4325
    19. NakagahraM. OkunoK. VaughanD. (1997) Rice genetic resources: history, conservation, investigative characterization and use in Japan. , Plant Mol. Biol., Vol.35 ; pp.69-77
    20. PanY. ZhangH. ZhangD. LiJ. XiongH. YuJ. LiJ. RashidM.A. LiG. MaX. CaoG. HanL. LiZ. (2015) Genetic analysis of cold tolerance at the germination and booting stages in rice by association mapping. , PLoS One, Vol.10 ; pp.e0120590
    21. ParkM.R. YunK.Y. MohantyB. HerathV. XuF. WijayaE. BajicV.B. De LosY.U. ReyesB.G. (2010) Supraoptimal expression of the cold ??regulated OsMyb4 transcription factor in transgenic rice changes the complexity of transcriptional network with major effects on stress tolerance and panicle development. , Plant Cell Environ., Vol.33 ; pp.2209-2230
    22. RanawakeA.L. ManangkilO.E. YoshidaS. IshiiT. MoriN. NakamuraC. (2014) Mapping QTLs for cold tolerance at germination and the early seedling stage in rice (Oryza sativa L.). , Biotechnol. Biotechnol. Equip., Vol.28 ; pp.989-998
    23. SrinivasanS. GomezS.M. KumarS.S. GaneshS. BijiK. SenthilA. BabuR.C. (2008) QTLs linked to leaf epicuticular wax, physio-morphological and plant production traits under drought stress in rice (Oryza sativa L.). , Plant Growth Regul., Vol.56 ; pp.245-256
    24. JiS.L. JiangL. WangY.H. LiuS.J. LiuX. ZhaiJ.Q. YoshimuraA. WanJ.M. (2008) QTL and epistasis for low temperature germinability in rice. , Acta Agron. Sin., Vol.34 ; pp.551-556
    25. SunX. YangZ. WangS. ZhangQ. (2003) Identification of a 47-kb DNA fragment containing Xa4, a locus for bacterial blight resistance in rice. , Theor. Appl. Genet., Vol.106 ; pp.683-687
    26. ThomsonM.J. ZhaoK. WrightM. McNallyK.L. ReyJ. TungC-W. ReynoldsA. SchefflerB. EizengaG. McClungA. (2012) High-throughput single nucleotide polymorphism genotyping for breeding applications in rice using the BeadXpress platform. , Mol. Breed., Vol.29 ; pp.875-886
    27. WangC. TanM. XuX. WenG. ZhangD. LinX. (2003) Localizing the bacterial blight resistance gene, Xa22 (t), to a 100-kilobase bacterial artificial chromosome. , Phytopathology, Vol.93 ; pp.1258-1262
    28. WangD. LiuJ. LiC. KangH. WangY. TanX. LiuM. DengY. WangZ. LiuY. ZhangD. XiaoY. WangG.L. (2016) Genome-wide association mapping of cold tolerance genes at the seedling stage in rice. , Rice (N. Y.), Vol.9 ; pp.61
    29. WrightM.H. TungC.W. ZhaoK. ReynoldsA. McCouchS.R. BustamanteC.D. (2010) ALCHEMY: a reliable method for automated SNP genotype calling for small batch sizes and highly homozygous populations. , Bioinformatics, Vol.26 ; pp.2952-2960
    30. XiaoN. HuangW.N. ZhangX.X. GaoY. LiA.H. DaiY. YuL. LiuG.Q. PanC.H. LiY.H. DaiZ.Y. ChenJ.M. (2014) Fine mapping of qRC10-2, a quantitative trait locus for cold tolerance of rice roots at seedling and mature stages. , PLoS One, Vol.9 ; pp.e96046
    31. XiaoW. YangQ. WangH. GuoT. LiuY. ZhuX. ChenZ. (2011) Identification and fine mapping of a resistance gene to Magnaporthe oryzae in a space-induced rice mutant. , Mol. Breed., Vol.28 ; pp.303-312
    32. XuL. ZhouL. ZengY. WangF. ZhangH. ShenS. LiZ. (2008) Identification and mapping of quantitative trait loci for cold tolerance at the booting stage in a japonica rice near-isogenic line. , Plant Sci., Vol.174 ; pp.340-347
    33. YangZ. SunX. WangS. ZhangQ. (2003) Genetic and physical mapping of a new gene for bacterial blight resistance in rice. , Theor. Appl. Genet., Vol.106 ; pp.1467-1472
    34. YangZ. HuangD. TangW. ZhengY. LiangK. CutlerA.J. WuW. (2013) Mapping of quantitative trait loci underlying cold tolerance in rice seedlings via high-throughput sequencing of pooled extremes. , PLoS One, Vol.8 ; pp.e68433
    35. ZhangS. ZhengJ. LiuB. PengS. LeungH. ZhaoJ. WangX. YangT. HuangZ. (2014) Identification of QTLs for cold tolerance at seedling stage in rice (Oryza sativa L.) using two distinct methods of cold treatment. , Euphytica, Vol.195 ; pp.95-104
    36. ZhaoJ. ZhangS. YangT. ZengZ. HuangZ. LiuQ. WangX. LeachJ. LeungH. LiuB. (2015) Global transcriptional profiling of a cold-tolerant rice variety under moderate cold stress reveals different cold stress response mechanisms. , Physiol. Plant., Vol.154 ; pp.381-394
    37. ZhangZH SuL LiW ChenW ZhuYG (2005) A major QTL conferring cold tolerance at the early seedling stage using recombinant inbred lines of rice (Oryza sativa L). , Plant Sci, Vol.168 ; pp.527-534
    오늘하루 팝업창 안보기 닫기