본 리뷰의 목적은 벼 종자 저장단백질 구조분석 및 발현특성분석 결과 종합화를 통하여 종자형질 개선 등의 실용화연구를 위한 기반구축을 모색하는데 있다. 최근 벼 염색체염기서열완전해독 연구 결과를 이용한 유용형질 유전자 분리 및 실용화 연구가 많이 진행되고 있다. 특히 벼 종자 저장단백질은 인류에게는 주요 영양원으로 사용되어지며 종자 발아시에는 식물체 성장을 위한 질소원으로 사용되어진다. 벼 종자 저장단백질의 분류는 용매에서의 용해도에 따라 약산성 및 알카리 용해성의 glutelin, 알코올 용해성의 prolamin, 염 용해성의 globulin으로 나눈다. 벼 염색체 상에는 11개의 glutelin 유전자와 33개의 prolamin 유전자가 존재하며 prolamin 유전자의 경우 5번 염색체 15 Mb 부위에 15개의 유전자가 위치하였다. 이와 같이 종자저장단백질 유전자들이 동일 염색체 부위에 위치하고 있는 것은 진화학적으로 동일 염색체에서 유래하였거나 유사한 유전자발현 조절영역을 가지고 있음을 의미한다. Globulin 유전자는 5번 염색체에 단일 유전자로 존재하였다. 마이크로어레이를 이용한 종자저장 단백질 관련 유전자의 조직 특이 발현 양상을 분석한 결과 glutelin과 대다수의 prolamin 합성 유전자는 종자배유에서만 발현을 하였으며 소수의 prolamin과 globulin 합성 유전자는 종자배유와 발아종자에서도 발현을 나타내었다. 종자 저장단백질의 프로모터부위를 분리한 후 종자에서의 발현 양상을 분석한 결과 glutelin type C1 프로모터가 종자의 전체 부위에서 발현을 나타내었으며 glutelin type B5와 α-globulin 프로모터가 많은 양의 발현을 나타내었다. 본 리뷰를 통하여 벼 종자 저장단백질의 구조및 발현특성 연구 진행사항을 살펴보았다. 이러한 연구 동향분석은 종자형질 개선 및 물질생산 등의 실용화 연구를 수행하는 연구자들에게 최근의 연구 현황을 제공할 수 있을 것으로 생각된다.

본 연구는 전이인자 Ac/Ds를 이용하여 세계적인 경쟁력을 갖춘 삽입변이 집단을 구축하고 Ds 삽입에 대한 분자학적 정보를 획득하여 database 화에 이용하는 것을 목적으로 하였다. 또한 농업적 유용유전자들의 생물학적 기능을 구명하고 생명공학적 방법을 통하여 새로운 작물 창출에 활용하고자 한다. 본연구를 통하여 얻을 수 있는 자료와 정보는 벼의 유전자 기능분석을 보다 효율적으로 실시하고 유용 유전자를 선발하여 육종에 이용함과 아울러 또한 이들의 지적 소유권 획득에 기초자료로 이용될 수 있을 것이다. 1. T1 진전에 의한 대량 고정종자 생산 확보를 위해 Largescale screening 활용하고 발아 활력 유지를 위해 종자를 장기보존하였다. 그 결과 Ds Knockout 육종소재의 안정적 재료공급 체계 확립하였는데 종자 증식용 파종상의 규격화를 통한대량 증식 방법 확립였고 증식계통의 목적에 맞는 재배 방법채택을 통한 편의성을 증진하였다. 2. 변이체의 선발은 각 생육 시기별 변이체 특성검정 및 선발하였으며 2008년도에는 변이율이 5.15%를 보였으나 2009년에는 4.34%로 낮았으며 평균 4.75%의 변이율을 나타냈다. 2010년 증식계통은 생육이 불량하여 표현형 조사는 불가하여 바로 이앙하여 증식하였다. 특히 spotted leaf(spl)의 형태를 나타내는 변이형이 우점하였다. 유묘기의 Ds 증식 집단에서의 표현형 변이는 주로 엽록소 이상을 보이는 변이체가 많이 관찰되었다. 3. 흑미 삽입변이체의 종자특이 전사인자의 발현 분석을 수행하기 위하여 컴퓨터 분석법을 이용하여 흑미 종자의 안토시아닌 생합성 발현 유전자를 동정하고 안토시아닌 생합성 유전자의 발현 분석을 통한 합성 기작 연구를 수행하였다. 그 결과 흑미 종자 삽입변이체 선발하였는데 115,000점의 Ac/Ds 삽입변이체 중 흑미 9계통을 선발하였다. 4. 흑미 종자의 유전자 발현 분석을 연구하기 위하여 Microarray 통계분석을 실시하였는데 672개의 안토시아닌 생합성 관련 유전자 중 전이인자 hyper-geometric 통계 분석으로 12개 전이인자 분류별 82개의 생합성 관련 전이인자 유전자 선발하였다. 5. 최근 기능유전체 연구의 효율을 높이기 위하여 변이체에대한 총체적인 해석과 함께 변이체의 표현형 변이와 삽입염기서열 분석의 연관성을 데이터 베이스화하는 이른바 Phenome 데이터베이스로 가는 추세이다. 이러한 Phenome 분석에 삽입변이집단의 데이터베이스가 활용될 것으로 기대된다.

본 연구의 목적은 일본의 식물유전체 연구 동향분석을 통하여 농업생산성 향상을 위한 연구방향을 모색하는데 있다. 일본에서의 식물유전체 연구는 국가연구소 주도적으로 이루어지고 있으며 벼 등 다양한 구조유전체연구결과를 이용한 유용형질 유전자 기능분석 및 실용화 연구에 집중하고 있다. 식물 구조유전체 및 기능유전체 연구를 위한 기반조성으로 농업생물자원연구소(National Institute of Agrobiological Sciences, NIAS)에서는 벼과 식물의 유전체 DB 구축, 이화학연구소(Rikagaku Kenkyusho, RIKEN)에서는 애기장대 유전체 DB 및 식물 완전장 유전자 DB 구축, 국립유전학연구소(National Institute of Genetics, NIG)에서는 국가생물자원프로젝트(National Bio Resource Project) DB를 구축하여 관련 연구자들에게 다양한 식물 유전체 정보 및 연구재료들을 제공하고 있다. 최근 세계적 식량환경 문제해결 및 혁신적 농업기술개발을 목표로 신농업전개 게놈프로젝트(New Agri-genome Project)를 수행하여 수량, 내병성, 환경문제 해결을 위한 유용 유전자분리, 이용 등 세계적인 연구 성과를 도출하고 있다. 또한 개도국의 농업생산성 향상을 위하여 JIRCAS 에서는 식물유전체 연구 기술지원을 하고 있으며 아프리카 토양에 적합한 다수성의 NERICA 벼를 개발하여 식량생산 증진에 기여하고 있다. 본 연구를 통하여 우리에게 정보가 부족하였던 일본의 식물유전체 연구 진행사항을 살펴보았다. 이러한 연구동향 분석은 동식물 유전체 연구를 수행하는 연구자들에게 최근의 유전체 기술정보 등을 제공 할 수 있으며 세계적인 식량, 에너지, 환경문제의 해결에 크게 기여 할 것으로 생각한다.

The rice recombinant inbred lines derived from Milyang23 and Gihobyeo cross were used in genetic mapping and QTL analysis studies. In this study, we developed a new 101 CAPS markers based on the SNPs in the whole genome region between these varieties. As a result, the total genetic distance and average distances were 1,696.97 cM and 3.64 cM, respectively. In comparison to the distance of the previous genetic map constructed based on 365 DNA markers, the new genetic map was found to have a decreased distance. The map was applied for the detection of QTLs on all seven traits relevant to diameter of stem internode, length of culms, length of panicles and the number of panicles including the correlation analysis between each trait. The QTLs results were similar to the report in previous studies, whereas the distance between the markers was narrowed and accuracy increased with the addition of 101 CAPS markers. A total of 9 new QTLs were detected for stem internode traits. Among them, qI1D-6 had higher LOD of 5.1 and phenotype variation of 50.92%. In this experiment, a molecular map was constructed with CAPS markers using next generation sequencing showing high accuracy for markers and QTLs. In the future, developing more accurate QTL information on stem internode diameters with various agriculturally important traits will be possible for further rice breeding.

Low-molecular-weight glutenin subunits (LMW-GS) play a crucial role in the processing quality of wheat flour. They are encoded multi gene family located at the Glu-A3, Glu-B3 and Glu-D3 on the short arm of chromosome 1A, 1B and 1D respectively. Typical LMW-GSs are composed of three parts including a short N-terminal domain, a relatively short repetitive domain and a C-terminal domain. Further, typical LMW-GS sequences are divided into LMW-s, LMW-m and LMW-i types, on the basis of the first amino acid of the mature proteins (serine, methionine and isoleucine, respectively). Although it is known that the allelic variation of LMW-GSs affect the properties of dough, it is still not clear which LMW-GSs confer better bread-making quality because of the larger number of expressed subunits and their overlapping mobility with abundant gliadin proteins. Therefore, it is important to characterize LMW-GS genes and develop functional markers to identify different LMW-GS alleles for application in wheat breeding. In this review, we discuss the various aspects of LMW-GS, including their structural characteristics, the development of marker, relationship between LMW-GSs and bread wheat quality, and genetic engineering of the LMW-GSs.

농작물은 다양한 외부 환경스트레스에 노출되어 있다. 환경스트레스는 작물의 성장에 영향을 주어 세계 각 지역의 농업 생산량을 심각하게 감소시키고 있다. 따라서 작물의 생산성을 높이기 위해서 다양한 환경스트레스에 내성이 강한 새로운 품종의 개발이 요구된다. 최근의 연구 동향은 환경스트레스 저항성 유전자를 작물에 도입시켜 환경 변화에 대한 저항성이 강한 작물을 개발하는 것이다. 본 연구에서는 배추의 저온, 고농도의 염과 건조 등의 환경스트레스에 대한 저항성 유전자로 추정되는 BrTSR53의 염기서열을 분석하였다. BrTSR53의 유전자의 총 길이는 481 bp이며 이중에서 ORF 부위는 234 bp이었다. 이 ORF의 염기서열 상동성을 분석한 결과 Arabidopsis에서 보고된 유전자와 유사한 것으로 나타났다. BrTSR53의 발현을 분석하기 위하여 quantitative real-time PCR을 실시하였다. 그 결과 배추를 고염 처리, 저온 처리하고 3시간 후에 가장 높은 mRNA 양을 보였으며, 건조 처리에서는 36시간 후에 발현량이 최대치를 보였다. 따라서 이 ORF는 환경스트레스에 대한 배추의 저항성 유전자임을 확인하였다. 그리고 BrTSR53 유전자를 효모발현 벡터인 pYES-DEST52에 삽입하고 western blot 분석법을 통해 효모에서 분자량이 약 13 kDa인 저항성 단백질의 발현을 확인하였다. 또한 BrTSR53 형질전환 효모는 염분 스트레스에 대한 저항성이 증가한 것으로 나타났다. 따라서 BrTSR53 유전자는 농작물의 환경스트레스 저항성을 높여줄 수 있는 주요한 유전자원으로 이용될 수 있다고 사료된다.

최근 급속하게 발달한 차세대 유전체분석기술을 기반으로 밀양23호와 기호벼의 유전체 서열을 분석하고, 새로운 CAPS 마커를 개발하였다. NGS를 통해 Nipponbare 유전체 길이의 60 배수만큼 염기서열을 결정하였고, CDS 안에서 두 품종간 특이적으로 나타나는 SNP를 CAPS 마커로 이용하였다. 새롭게 개발된 146개 CAPS 마커와 기존의 보고된 219개 마커를 통합하여 총 365개의 마커로 밀양23호/기호벼의 재조합자식 유전집단에 대해 분자 유전지도를 작성하였다. 벼의 줄기굵기와 간장 그리고 수장에 관한 QTL을 탐색한 결과, 총 19개의 유의성이 있는 QTL을 찾을 수 있었다. 이 중에 4개 줄기굵기 형질 관련 QTL과 2개 간장 형질 관련 QTL이 기존에 보고되지 않은 새로운 QTL이었다. 그 줄기굵기 QTL 중 가장 큰 LOD값을 갖는 qI1D5는 5번 염색체에서 탐색되었으며, 1절굵기 표현형 변이는 8.99%였다. 또한, 간장관련 QTL 중 가장 큰 LOD 값을 갖는 qCL5은 5번 염색체에서 탐색되었고, 이 QTL의 간장 표현형 변이는 4.24%였다. 재염기서열을 통해 밝혀진 SNP 중 소수만이 본 연구에 사용되었다. 향후 본 연구에서 밝혀진 SNP 정보를 이용한다면 더 많은 마커를 개발하여, 고밀도 유전지도 작성이 가능할 것이다. 더 나아가 MGRIL을 이용하여 농업적으로 유용한 형질에 대해 더 정확한 QTL 분석과 유용유전자의 개발이 가능하게 될 것이다.

밀양23호/기호벼 재조합자식 유전집단을 대상으로 PCR 기반 DNA 마커들로 구성된 분자유전자지도를 만들고자, 주로 아가로스 젤 상에서 분석이 가능한 마커들을 위주로 STS, InDel, RTM, SSR 마커들을 선발하여 분석하였다. InDel 마커 37개, STS 마커 88개, RTM 마커 8개, SSR 마커 91개를 포함한 224개의 마커로 구성된 유전지도를 만들었는데, 총 유전거리는 1,425 cM이었으며, 마커간 평균거리는 6.7 cM이었다. 이들 DNA 마커들의 프라이머 시퀀스 정보를 바탕으로 e-PCR프로그램을 이용하여 각 마커들의 벼 유전체상에서의 물리적인 위치를 파악하고 물리지도를 작성하였다. 이 물리지도에서 마커간의 물리적 거리의 합은 356.8 Mbp이었으며, 총 유전거리에서 이를 나누어 구한 1 cM당 평균 물리적 거리는 250 kbp이었다. 5% 유의수준에서 분리비 편의(segregation distortion) 현상을 보인 마커는 전체 마커의 22.8%인 51개이었으며, 주로 3번 염색체의 중간부위, 6번 염색체의 거의 모든 영역, 7번 염색체의 상단부위, 8번 염색체의 하단부위, 12번 염색체의 상단부위에 분포하였다. 이 분자유전자지도는 자포니카형 품종과 통일형 품종 또는 인디카 품종간의 교배후대 집단에서 유용형질의 유전자 위치를 분석하고자 할 때 이용 가능한 마커들에 대한 정보를 제공할 것이다.