제 1장. 국내 유전자원 잡초벼의 도열병저항성 QTL분석
벼의 도열병 (Magnaporthe grisea)은 우리나라를 포함한 벼를 재배하는 모든 지역에서 문제가 되고 있는 병으로 이상저온 (Adachi et al. 1983, Jacobs and Person 1999)과 열악한 재배 환경은 도열병 발생을 증가시키며 (Suzuki 1975, Long et al. 2001) 잠재적으로 대발생할 수 있는 가능성을 항상 가지고 있는 병이다. 최근 지구온난화에 의한 기온의 상승과 강우 패턴의 변화, 일조부족 등 이상 기상은 이러한 가능성을 더욱 증가시키고 있다.
벼는 도열병이 발생하면 생육이 불량해지고 쌀 수량 및 품질에도 영향을 주므로 도열병은 반드시 방제해야 되는데 안전한 재배를 위해서는 병에 강한 품종 즉 저항성 품종을 재배하는 방법이 가장 효과적이고 경제적인 것으로 알려져 있다 (Khush 1989, Khush and Jena 2012). 그러나 작물의 병해충은 재배환경과 시기에 따라 계속 변해왔고 문제가 생길 때마다 이에 대응한 새로운 품종이 육성 되었으나 이 저항성 품종 또한 시간이 경과하면서 이병화 되는 역전현상 (break down)의 가능성을 항상 안고 있고 실제로 경험해 왔다 (Lee 1972, Han et al. 2001). 지금까지 육성된 우리나라 벼 품종 중 이병화 사례를 보면 짧게는 1-2년 길게는 8년 만에 이병화 되었고 지속적으로 저항성을 유지하는 내구저항성(durable resistance) 품종은 극히 일부이다. 이처럼 벼 도열병 내구저항성을 어렵게 하는 원인으로는 벼의 유전적 요인으로 도열병 저항성 유전자의 단순화와 도열병 발생 시기가 전 생육기간으로 매우 길고, 생육 시기마다 유전현상이 복잡하며, 재배 환경의 변화에 따라 도열병균 레이스 변이가 빠르고 다양하기 때문에 내구저항성이 반드시 필요하고 중요하지만 생육기간 전반에 내구저항성을 갖는 저항성 품종을 육성하는데 상당한 어려움과 제한이 있는 것이 사실이다 (Kou & Wang 2010, Bonman 1992, Notteghem 1993). 그렇다고 하더라도 유전적으로 언제든지 이병화의 가능성을 안고 있는 몇 개의 주동유전자에 의한 저항성 (수직·진성저항성) 보다 장기간 안정된 저항성을 유지하는 양적형질 유전자개념이 포함된 내구저항성 (수평·포장저항성)이 평가와 검정은 다소 어렵지만 재배안정성을 확보하는 면에서 바람직하다. 이러한 저항성을 위해서는 유전자원이 가지고 있는 유전자의 정보를 이해하고 각각의 유전자 조합과 저항성 정도를 파악하여 이상적인 유전자 조합을 만들거나 새로운 유전자원을 발굴 재배 벼에 도입하는 것이 필요하다 (Kim et al. 2009, Shanti et al. 2001).
새로운 저항성 유전자원으로 잡초벼는 그 지역 자연환경에 적응하여 재배벼와 공존하여 왔기 때문에 유사성도 많지만 유전적 다양성도 함께 포함하고 있으며 (Cao et al. 2006) 우리나라 잡초벼는 japonica 배경의 야생벼와 재배벼 사이의 특성을 보인다 (Suh & Sato 1997). 수집 잡초벼에 대한 도열병검정결과 저항성인 강화앵미11, 금릉앵미 33, 구례앵미9, 거창앵미 12 등을 선발하였고 낙동벼와 교잡 후대에서 도열병 races KJ-101, KJ-301, KI-197 및 KI-409 등에 대하여 저항성 유전자와 연관성을 검토한 결과 우성저항성 유전자를 1-4개 가지고 있는 것으로 밝혀졌다 (Cho et al. 1996). 또한 강화앵미11과 낙동벼 NIL에 대한 잎도열병 QTL 검정 결과 염색체 7번, 11번, 12번에서 QTL이 탐색되었다 (Suh et al. 2010). 본 연구에서는 도열병 내구저항성 유전자탐색을 위하여 도열병에 약한 일품과 금릉앵미33을 교잡하여 F3-8 세대까지 개체별 단일종자 수확세대진전 (single seed descent, SSD) 법으로 181개 RILs (recombinant inbred lines)를 육성하였고, 잎도열병 유묘검정과 180 SSR마커를 사용하여 QTL분석을 실시하였다. 분석결과 8개의 QTL이 탐색되었고 이중 4번 염색체에서 major QTL이 탐색되어 qLB4.1로 명명하였다. 이 QTL의 좌위는 SSR마커 RM5586∼RM6679사이 위치하는 것으로 밝혀졌으며 두 마커는 52.6cM 좌위에서 BAC clone OSJNBb0012E08에 위치하는 것으로 나타났다. 이 qBL4.1을 활용한 도열병 저항성 품종육성을 위하여 육성된 근동질 계통 중 QTL이 확인된 계통과 여교잡하여 염색체 단편이 이입된 CSSL (Chromosome segment substitution lines) 계통을 육성하였고 이 계통은 도열병 저항성이 향상된 우량계통 육성에 활용될 것이다.
제2장. GWAS에 의한 도열병 저항성 유전자분석
우리나라에서 도열병 발생에 대한 기록은 1926년 전국적으로 대발생한 기록을 시작으로 쌀 수확량에 큰 영향을 미쳤다. 대표적인 사례로는 1928년에 18%의 감수와 1936년 30%, 1962년 10%, 1964년 40%의 감수가 보고되었고 (Jeong & Park 1976), 이후 여름철 이상 저온으로 냉해와 이삭도열병이 같이 발생한 1980년과 1993년에는 쌀 수확량이 32%, 9%가 감소하였다. 특히 1970년 이후 다비, 다수성 통일형 품종으로 바뀌면서 1976년과 1977년에 이삭도열병이 심하게 걸린‘break down’이 발생하였다 (Lee 1978).
지금까지 우리나라 육성품종 중 내구저항성 (durable resistance)이 있다고 알려진 팔공, 가야 등이 보유한 저항성 유전자는 팔공이 Pia, Pib, 가야는 Pib, Pita, Piz 등 2-3개의 주동유전자 (major gene)를 가지고 있는 것으로 밝혀졌으며 (Cho et al. 2007), 안전재배를 위해서는 이병화의 가능성을 안고 있는 몇 개의 주동유전자에 의한 저항성 (수직·진성저항성) 보다는 장기간 안정된 저항성을 유지하는 양적형질 유전자개념을 포함하는 내구저항성 (수평·포장저항성) 품종이 재배안정성을 확보하는 면에서 바람직하다. 따라서 이러한 내구저항성을 위해서는 밝혀진 내구저항성 품종과 유전자원에 대한 저항성 유전자탐색과 새로운 내구저항성원을 발굴하여 도입하는 것이 바람직하다 (Kim et al. 2009, Shanti et al. 2001).
본 연구에 사용된 96개 벼 자포니카 유전자원은 대안 등 국내육성 24품종과 재래벼 앉은뱅이 등 26품종 그리고 전국에서 수집된 잡초벼 고성앵미3 등 22계통, 육성우량계통 SR27990-12-3-3-2 등 19계통 및 일본에서 육성된 5품종 등 육성시기 및 유전적 배경이 다양한 자원으로 구성되었다. 또한 내구저항성이 있는 팔공과 일품에 대한 BIL집단 육성을 위하여 팔공을 반복친으로 교배한 BC1F2는 BC1F7-8 세대까지 온실과 포장에서 개체별 단일종자 수확 세대진전 (single seed descent, SSD)법으로 BC1F7-8 169 BIL을 육성하였다. 96개 유전자원과 169 BIL 계통은 잎도열병 밭못자리검정과 Nagasaki 등이 개발한 SNP chip을 이용한 genotyping을 실시하였다.
BIL집단에 대한 도열병 저항성 관련 QTL 탐색 결과 염색체 2번, 4번, 7번, 11번, 12번에서 16개의 QTL이 탐색되었다.
또한 96개 유전자원에 대한 700개 SNP 마커의 genotyping 결과 전체적으로 major allele frequency의 평균은 0.747이고 1번 염색체에서 0.672로 가장 낮았으며 9번 염색체에서 0.800으로 가장 높았다. Gene diversity는 평균 0.335였고, 5번 염색체가 0.288로 가장 낮았고, 11번 염색체에서 0.372로 가장 높았으며, PIC는 5번 염색체에서 0.228로 가장 낮았고, 12번 염색체에서 0.292로 가장 높았다. 친족 플롯 (kinship plot)은 잡초벼 순창앵미13, 영광앵미12, 영광앵미14와 재래벼 다다조, 다마금, 구이도 및 황조도 등 7개 유전자원들 간 genetic diversity가 낮은 group을 제외하고는 모든 group들 간 다형성은 비교적 높은 것으로 나타났다. 이들 결과의 clustering은 10개 major cluster로 구분되었다. Major cluster I은 조생종 오대와 일본품종 Koshihikari, Hitomebore, Akitagomachi 등 4품종 이었으며 Cluster II는 2개 sub-cluster로 중생골드, 풍미, 수원527호와 고품, 팔공, 신동진 등 6개 고품질 품종으로 grouping되었다. 하이아미는 단독으로 clustering되어 타 품종들보다 다형성이 높게 나타났고 Cluster IV는 6개 sub-cluster로 grouping되었다. cluster V는 자인앵미5-2, cluster VI은 다마갱으로 유전자원들과 다형성이 높았다. Cluster VII은 5개 sub-cluster로 구분되었으며, Cluster VIII은 수중도와 수원530호, 조선도, 오백조, 김천재래벼 등으로 구성되었다. Cluster IX는 추청, 진흥, 앉은뱅이, 남제주앵미6, 가창앵미8-2 등으로 group되었고 Cluster X은 고품질 품종 일품과 일품과 Moroberekan 간 교잡으로 육성된 재조합 계통 (RIL) 9계통 등으로 구성되었다.
도열병 밭못자리검정과 저항성 관련 QTLs의 GWAS 분석 결과 1번, 2번, 3번, 4번, 6번, 7번, 8번, 9번 및 12번 염색체들에서 23개가 탐색되었고 이들 QTL은 새로운 도열병 저항성 유전자 탐색 및 도열병 안정지속저항성 계통 육성을 위한 재료로 활용할 계획이다.