This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Seed dormancy is an important adaptive mechanism to protect seeds under the unfavorable environments. Unlike to wild type species, the seed dormancy trait of cultivated crops has been weakened by breeding programs during the domestication period. Weak seed dormancy often causes preharvest sprouting (PHS) problem in many cereal crops that result in significant economic loss. The seed dormancy is a quantitative trait loci (QTL) controlled by multiple genetic and environmental factors. So far, many QTLs for seed dormancy have been identified from rice and wheat as well as in the model plant Arabidopsis. Unveiling of QTL genes and complex mechanisms underlying seed dormancy is accelerated by the rapid progress of crop genomics. In the present study, we reviewed current status of research progress on the seed dormancy QTLs and correlated genes in Arabidopsis and cereal crops.
식물의 종자는 미성숙한 상태에서 발아하거나 생존에 불리 한 조건에서 발아하지 않도록 보호해주는 내재적인 특성을 가지고 있는데 이를 종자 휴면(seed dormancy)이라고 한다. 종자의 휴면은 식물이 생존에 적합한 환경에서 생활사를 시 작하기 위해 진화적으로 적응한 생존전략인 것이다. 수많은 야생 식물 종의 종자가 강한 휴면성을 보이는 것과는 달리, 밀, 쌀 등 주요 작물들은 재배와 경작의 편이성을 위해서 오 랜 세월에 걸쳐 야생의 종자 휴면성을 약하게 만드는 방향으 로 육종되었다. 재배품종들은 대부분 수확후 단기간내에 휴면 성이 상실되기 때문에 원하는 시기에 균일하게 발아하여 경 작이 가능하다. 그러나 종자 휴면성이 약하면 곡물이 수확하 기도 전에 발아하는 문제점이 생길 수 있다. 수확기 종자의 휴면성은 종자가 강우, 폭풍 등 습도가 높은 환경에서 발생할 수 있는 수발아를 방지할 수 있는 중요한 농업 특성이기 때문 이다. 따라서 종자 휴면성이 낮은 품종의 경우 수확기 이전에 습한 환경에서 종자가 이삭에 달린 채로 발아하는 특성 (수발 아, preharvest sprouting, PHS) 때문에 생산성과 품질이 저 하되는 문제점이 크다. 특히 밀의 경우 미국, 호주, 캐나다, 일 본 등 전세계적으로 재배되고 있는 주요 품종에서 수발아로 인해 수확된 밀의 품질이 크게 떨어져서 대량의 경제적 피해 가 발생하고 있는 상황이다(Clarke et al. 2005, Ogbonnaya et al. 2008, Yanagisawa et al. 2005).
곡물의 수발아성은 종자의 형태 및 색, 물의 흡수능, 환경 조건 등 여러가지 인자에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있 지만 가장 중요한 요인은 종자의 휴면성이다. 종자가 발달하 는 과정에서 획득되는 종자 휴면은 다양한 유전적, 환경적 인 자에 의해 결정되는 복합형질이다. 종자의 휴면성은 배 (embryo)를 둘러싸고 있는 외부 조직(seed coat)의 물리화학 적 특성과 배 안에 내재된 발아 억제인자 의해서 유지되는 것 으로 생각되며 특정 유전자의 발현과 억제를 통해 일어나는 과정이다. 미성숙 종자가 성숙되는 과정에서 1차 휴면 (primary dormancy)이 형성되며, 성숙한 종자에서는 온도, 습도 등과 같은 환경적 요인에 의해 2차 휴면(secondary dormancy)이 유도되는 것으로 알려져 있다. 또한 종자 휴면 성은 많은 유전자 간의 상호작용뿐만 아니라 유전적, 환경적 요인들간의 복합적 상호작용에 의해 조절되는 전형적인 양적 형질(quantitative trait loci, QTL)로 간주되고 있다. 지금까 지 모델식물과 곡물에서 수십 개 이상의 다양한 종자 휴면 QTL이 보고되었다. 또한 최근에는 유전체 정보 분석 기술의 발전으로 인해 QTL 후보 유전자들을 규명하는 연구가 빠른 속도도 진행되고 있다. 본 논문에서는 애기장대와 주요 곡물 에서 지금까지 알려진 종자 휴면 QTL과 유전자 연구동향을 분석하였다.
본 론
애기장대의 종자휴면 QTL과 Delay of Germination1 (DOG1) 유전자
모델식물인 애기장대는 빠른 생장주기와 작은 게놈 크기 등의 장점으로 인해 세포, 분자생물학적 연구에 적합하다. 또 한 생태형에 따라 다양한 종자 휴면성을 보이는 것으로 알려 져 있어서 종자휴면을 조절하는 유전자와 분자생물학적 작용 기작을 연구하기에 좋은 재료이다. Alonso-Blanco et al. (2003)은 종자 휴면성이 낮은 Landsberg erecta(Ler)와 높은 Cape Verde Islands(Cvi) 간 교배조합을 이용한 QTL 분석을 통해서 종자 휴면과 연관된 7개 QTL을 확인하고 이를 DELAY OF GERMINATION(DOG 1-7)이라고 명명하였으 며, 그 중 4개(DOG1, DOG2, DOG3, DOG6)가 종자발아와 연관된 주동 QTL로 밝혀졌다. Bentsink et al. (2010)은 서로 다른 DOG QTL 좌위가 각각 독립적인 유전자 발현 네트워 크를 조절하며, 따라서 애기장대에서 나타나는 종자휴면성의 자연적인 변이는 여러 개의 유전적, 분자생물학적 과정에 의 해서 조절된다고 제시하였다. 한편 Clerkx et al. (2004)은 다 양한 스트레스 조건에서 종자휴면과 발아를 조절하는 유전인 자를 연구하기 위하여 스트레스 저항성이 높은 Shakdara (Sha)와 Ler 품종간의 교배조합 분석을 통해 종자형질에 대한 5개의 QTL을 확인하였는데, 그 중 3개가 Ler/Cvi 집단에서 확인된 종자 휴면 QTL 위치와 거의 동일하다. 염스트레스 종 자발아 QTL은 염색체 1, 3, 5에서 발견되었으며, 그 중 3, 5 번이 종자 휴면 QTL과 중복되어 염스트레스 조건에서 종자 발아와 휴면이 서로 연관되어 있음을 보여준다. 한편 종자수 명, 휴면, 당 함량 등 다양한 종자형질이 동일한 QTL 위치에 서 중복되어 나타나는 것으로 보아 종자 휴면과 이들 종자형 질간에 공통의 유전학적, 혹은 분자생물학적 기작이 작용하는 것으로 생각된다(Clerks et al. 2004).
유전지도 기반 유전자 분석(map-based cloning) 기술을 통 해 DOG1 유전자가 최초로 규명되었는데(Bentsink et al. 2006), 지금까지 기능이 알려지지 않은 식물 특이적인 유전자 (At5g45830)이다. DOG1은 종자에서 주로 발현되며, 애기장 대의 자연집단에서 나타나는 대립인자 변이와 DOG1 유전자 의 발현다양성이 연관되어 있다는 점에서 주목된다. 애기장대 에는 DOG1과 구조적으로 매우 유사한 유전자 (DOG1 Like) 유전자가 4종 더 존재한다. DOG1 유전자의 프로모터 부위의 cis-regulatory region과 단백질 코딩 부위에서 Ler과 Cvi 간 에 다형성이 나타나는 것으로 확인되었다. 비록 DOG1 단백 질 코딩부위에서 나타나는 아미노산의 변이가 기능적 차이를 유발한 것으로 보이지는 않지만 DOG1 유전자의 발현수준과 애기장대의 종자휴면에서 나타나는 자연적인 변이는 밀접하 게 연관되어 있다(Benstick et al. 2006). 또한 애기장대 종자 에서 DOG1 유전자 및 단백질의 양과 종자 휴면은 밀접하게 관련되어 있으며, DOG1은 종자가 언제 휴면이 타파될지를 결정해주며, 종자 발아에 최적 온도를 결정해서 알려주는 매 우 중요한 유전자이다(Chiang et al. 2013, Graeber et al. 2014, Nakabayashi et al. 2012).
DOG1은 다양한 작용스펙트럼을 갖는 것으로 사료된다. Teng et al. (2008)은 애기장대 Ler과 Cvi 간의 RIL 집단을 이용하여 종자의 포도당 민감성(glucose sensitivity)과 연관 된 5개 QTL(GSQ1-5)을 규명하였는데, 그 중 GSQ5가 DOG1 유전자라는 것이 밝혀졌다. GSQ5/DOG1은 ABA에 의한 당신호전달에 관여하는 핵심 인자인 ABA Insenstivity 4(ABI4)의 발현을 촉진하여 당에 대한 민감성을 높이는 것으 로 생각된다. 이런 결과는 당신호전달과 종자휴면이 밀접하게 관련되어 있고, DOG1이 중요한 기능을 한다는 것을 시사한 다(Ashikawa et al. 2013, Teng et al. 2008). 한편 Graeber et al. (2014)에 따르면 DOG1은 배유 유래의 종자바깥쪽의 세포층의 세포벽구조에 영향을 주어서 종자휴면을 조절한다 고 보고한 바 있다. 또한 Zheng et al. (2012)은 히스톤 K9 메틸화에 관여하는 KYP/SUVH4 유전자 돌연변이체에서 DOG1을 비롯한 휴면연관 유전자 발현이 증가한다고 보고하 면서 DOG1과 HUB1, KYP/SUVH4가 동일한 유전학적 과 정에 작용한다고 제안하였다. 온도, 빛 등 여러가지 환경 변화 에 의해 애기장대 종자의 휴면이 유도 또는 타파될 때 DOG1 유전자 위치에서 히스톤 메틸화 마크(H3K4me3와 H3K27me3) 의 변화가 확인되었다(Footitt et al. 2015). 뿐만 아니라 LYSINE SPECIFIC DEMETHYLASE LIKE 1 and 2 (LDL1 and LDL2)가 DOG1과 ABI3의 발현을 억제한다는 것이 보고 되었다(Zhao et al. 2015). 이런 결과들은 DOG1이 후성유전 학적(epigenetic) 조절을 통해 환경변화에 대응하여 종자의 휴면 사이클(dormancy cycle)을 조절하고 있음을 제시하는 것이다. DOG1은 종자 발아 외에도 종자의 수명, 개화시기 등 여러가지 형질 다양성에도 관여하는 것으로 보고되었다.
DOG1의 종자 휴면 조절 기능과 관련해서 주목되는 점은 애기장대뿐만 아니라 배추, 밀, 보리, 옥수수, 수수, 벼 등 주요 작물에서도 DOG1과 유사한 유전자가 존재한다는 것이다. 특 히 벼에서 보고된 종자휴면 QTL 위치에 DOG1 유사 유전자 가 존재할 뿐만 아니라(Lu et al. 2011, Marzougui et al. 2012), 벼의 중요한 QTL 유전자로 클로닝된 Sdr4의 하위 작 용 유전자가 DOG1 유사 유전자라는 것이 밝혀졌다(Sugimoto et al. 2010). 또한 밀, 보리, 벼의 DOG1 유사 유전자들을 애 기장대에서 과발현시켰을 때 종자 휴면성을 뚜렷하게 증가시 키는 기능이 증명되었다(Ashikawa et al. 2010, 2013). 따라서 DOG1 및 유사 유전자들은 곡류의 수발아 저항성 증진에 활용 가능성이 높은 유전자이다. 실제로 Ashikawa et al. (2014)은 밀의 TaDOG1L4와 보리의 HvDOG1L1 유전자를 각각 밀의 펠더(Fielder) 품종에 도입하여 종자 휴면성을 증진시킬 수 있 다는 것을 증명하였다.
QTL 분석 외에도 애기장대 종자 휴면 돌연변이체인 reduced dormancy(rdo1, 2, 3, 4) 선발을 통해 휴면 조절 유전 자가 규명되었다(Peeters et al. 2002). RDO4는 HISTONE MONOUBIQUITINATION1(HUB1) 유전자로 밝혀졌으며 이런 결과는 염색체 재구성(chromatin remodeling) 기작에 의 해 종자 휴면성이 조절된다는 것을 시사한다(Liu et al. 2007). RDO2는 transcription elongation factor인 TFIIS로 클로닝 되었으며 RDO4/HUB1과 함께 RNA Polymerase II Associated Factor 1 Complex(PAF1C)를 형성한다(Liu et al. 2011). PAF1C은 종자 휴면 외에도 개화 등 중요한 발생학적 변화를 조절하는 것으로 제안되었다. 최근 RDO5 유전자가 PP2C 계열 phosphatase라는 것이 규명되었는데, DOG1이나 ABA와는 독립적으로 작용하는 것으로 보인다(Xiang et al. 2014). rdo5 돌연변이체에서 PUF 계열 RNA binding protein 인 Arabidopsis PUMILIO9(APUM9)와 APUM11의 발현수 준이 높아진 것으로 보아 RDO5가 APUM9의 발현제어를 통 해 종자휴면을 조절하는 것으로 추측된다. 최근 단백질 탈인 산화 효소와 관련된 또 다른 종자 휴면 QTL 유전자가 규명되 었다. Amiguet-Vercher et al. (2015)은 Eilenburg-0(Eil-0)과 Loch Ness-0(Lc-0) 간의 RIL(recombinant inbred line) 집단 을 이용하여 종자휴면 QTL인 IBO를 보고하였다. IBO는 새 로운 PP2C 관련 단백질로 Eil-0과 Lc-0간에 단일 아미노산 변 이가 발견되었다. 비록 이 단일 아미노산 변이가 IBO 단백질 의 탈인산화효소 활성에 영향을 주지는 않았으나, Lc-0 계통 에서 나타나는 종자 발아 감소 특성과 연관되어 있는 것은 확 실하다. 또한 Lc-0형 IBO 단백질이 ABA 신호전달에 관여하 는 주요 탈인산화효소인 ABA Insensitive1(ABI1)의 활성을 방해하는 것으로 확인되었다. 따라서 IBO의 작용 기작은 ABA 신호전달과 관련되어 있는 것으로 보인다.
Munkvold et al. (2009)은 수발아 저항성이 강한 Cayuga 품종과 약한 Caledonia 품종의 교배조합을 16가지 서로 다른 환경에서 분석하여 15개의 수발아 저항성 QTL을 보고하였는 데, 염색체 2B(QPhs.cnl-2B.1)에서 주동 QTL이 위치하며 염 색체 2D, 3D, 6D에서도 수발아 저항성 QTL이 확인되었다. 특히 주동 QTL인 QPhs.cnl-2B.1은 종자휴면성 QTL인 QDor.cnl-2B.1를 포함하고 있으며, 벼에서도 상응하는 위치 에 종자 휴면 QTLs이 확인되었다(Somyong et al. 2011). 이 는 종자의 휴면성이 수발아성을 결정하는 주요 유전학적 원 인임을 시사한다.
일본과 중국의 밀 품종에서 확인된 수발아 저항성 주동 QTL은 염색체 4AL(QPhs.ocs-4A.1, Qphs.pseru-4A.1)에 위 치하는 것으로 보고되었다(Chen et al. 2008, Mori et al. 2005). Lin et al. (2015)은 유전체 기반 분석(GBS)을 통해서 Qphs.pseru-4A.1에 연관된 SNP 마커를 개발하여 수발아 저 항성 품종선발에 이용 가능성을 제안한 바 있다.
밀의 염색체 3AS에 위치한 수발아 저항성 주동 QTL인 QPhs.ocs-3A는 휴면성이 강한 일본 밀 품종인 젠토우지코무기 (Zenkoujikomugi)에서 보고되었으며, 원인 유전자가 최초로 규명된 경우이다. Nakamura et al. (2011)은 microarray 분석 을 통해서 QPhs.ocs-3A의 후보유전자로 MFT(Mother of FT and FTL)를 보고하였다. MFT 유전자는 저온에서 형성되는 종자휴면과 관련되어 있으며 종자 배반(scutellum)과 배축 (coleorhizae)에서 발현되는 특징을 보인다. 특히 휴면성이 다 른 품종간에 MFT 유전자의 프로모터 영역에서 SNP를 보이기 때문에 재배 밀의 휴면성 도입에 중요한 역할을 하였음을 시사 한다(Nakamura et al. 2011). 한편 Liu et al. (2013)은 Rio Blanco 품종에서 확인된 PHS 주동 QTL인 Qphs.pseru-3AS에 대한 map based cloning에 성공하여 원인 유전자를 분리하고 TaPHS1이라고 명명하였다. TaPHS1은 Nakamura et al. (2011)이 발표한 MFT 유전자와 동일한 유전자이다. Liu et al. (2013)은 TaPHS1 유전자 발현을 RNAi 방법으로 억제하면 수발아 저항성이 감소한다는 것을 입증하였다. 지금까지 MFT 유전자는 애기장대에서 개화시기를 조절하는 중요한 유전자로 알려져 왔다. 그러나 밀 뿐만 아니라 콩의 종자에서 발현되는 GmMFT 유전자를 애기장대에 형질전환하면 종자발아가 억제 된다는 보고(Li et al. 2014)는 MFT 유전자의 기능적 다양성 을 보여준다. Wang et al. (2015)은 MFT, FT, FTL 등을 포함 하는 phosphatidylethanolamine binding proteins (PEBPs) 계 열의 단백질이 애기장대에서 콩으로 진화하는 동안 기능적으 로 다변화하였음을 증명하였다.
최근 Lin et al. (2015)은 유전체 기반 염기서열분석(GBS) 방법을 이용하여 밀의 수발아저항성 QTL에 근접한 SNP 마 커를 보고하면서 염색체 4A에 있는 QTL loci와 연관된 2개 의 SNP marker(GBS212432 and GBS109947)가 수발아 저 항성 품종선발에 유용하게 사용될 수 있음을 보여주었다. 또 한 18개의 수발아 저항성 주변 SNP로부터 품종선발을 위한 KAPS (Competitive Allele-Specific PCR) 마커가 개발되었 다. 이처럼 유전체 정보를 기반으로 개발되는 마커들은 수발 아 저항성 밀의 육종에 활용될 것으로 보인다.
보리에서는 여러가지 환경조건에서 27개의 휴면 QTL이 발견되었으며 4개의 (SD1 ~ SD4) 주동 QTL이 보고되었다 (Gubler et al. 2005). 보리의 SD2 휴면 QTL 위치에 GA 농 도를 조절하는 GA 20-oxidase 유전자가 존재하는 것으로 밝 혀져서 GA가 보리의 종자휴면을 결정하는데 중요한 역할을 하는 것으로 사료된다(Li et al. 2004).
Wan et al. (2006)은 일반 재배종에 비해 종자 휴면성이 월등히 높은 인디카 품종인 N22 교배집단을 이용하여 염색체 1, 3, 5, 7, 11번에 종자 휴면과 연관된 5개의 QTL(qSdn-1, qSdnj-3, qSdn-5, qSdn-7, qSdn-11)이 위치한다고 보고하였다. 또한 N22 품종에 대한 감마선 돌연변이 집단으로부터 종자휴 면성이 약화된 돌연변이체(Q4359과 Q4646)를 선발, 분석하 여 qSdn-1과 qSdn-5가 N22 품종의 종자 휴면성을 결정하는 주동 QTL이라는 것을 확인할 수 있었다(Lu et al. 2011). Li et al. (2006)은 재배종 일년생 벼인 Oryza sativa와 야생형 일 년생 벼인 Oryza nivara간 교배집단을 이용하여 재배정착 (domestication)과 관련된 QTL 형질들을 분석하였다. Oryza nivara는 Oryza sativa에 비해 종피(seed coat)가 아니라 배 (embryo)에서 유래된 종자 휴면성이 높은 것으로 생각되며 3 개의 휴면 연관 QTL(sd1, sd6, sd12)이 확인되었다. Gu et al. (2004)은 종자 휴면성이 높은 야생형 잡초성벼 (SS18-2) 교 배집단을 이용하여 6개의 종자휴면 QTL(qSDS-4, qSDS-6, qSDS-7-1, qSDS-7-2, qSDS-8, qSDS-12)을 확인하였는데, 두 개 이상의 좌위가 Epistatic 상호작용을 통해 종자휴면을 조절하 는 것으로 보인다. 잡초성 벼에서 유래된 qSD1, qSD7-1과 qSD12는 멘델 유전을 하지만, 종자발달 과정에서 온도, 상대 습도, 빛의 세기와 같은 환경적 요인에 따라 다양한 반응을 나타낸다는 것이 보고되었다(Gu et al. 2006a, 2006b). 벼 종 자의 1차 휴면성(primary dormancy)은 습도나 빛 보다는 특 히 온도에 민감하다. 따라서 종자발달 과정에서 온도가 낮아 지거나 높아지면 종자휴면성이 높아지거나 낮아지는 특성을 보인다. Gu et al. (2008)에 따르면 상대적인 온도가 낮아지 면 qSD12의 부가적인 효과(additive effect)가 증가하는 반면 qSD1과 qSD7-1의 효과는 감소한다. 이처럼 온도 변화에 대한 QTL 간의 반응차이는 온도가 서로 다른 지역에서 잡초벼의 종자 휴면성을 최적화하여 적응하는데 도움이 되었을 것으로 생각된다. 특히 qSD12는 야생벼가 경작 가능한 재배벼로 육 종되는 과정에서 종자 휴면성을 조절하는데 매우 중요한 역 할을 했을 것으로 추정되며 종자의 배(embryo) 또는 배유 (endosperm) 조직의 휴면성과 연관되어 있다. 또한 qSD12가 segregation distortion loci (SDL)의 특징을 보인다는 점에서 주목되며, 발아하는 종자집단에서 종종 나타나는 불균일성을 유전학적으로 설명할 수 있을 것으로 보인다(Gu et al. 2008). Gu et al. (2010)은 qSD12에 대한 정밀지도분석을 통해 관 련된 9개의 후보유전자를 보고하였는데 그 중 6개는 transposon/ retrotransposon 유전자이고 나머지 3개는 PIL5 (LOC_Os12g40700), bHLH 전사인자(LOC_Os12g40730) 및 기능이 알려지지 않은 유전자이다. qSD12 좌에 있는 유전 자는 종자발달 초기에 ABA 함량을 높이는 작용기작을 통해 서 일차휴면을 유도하는 것으로 생각된다(Gu et al. 2010). qSD12는 종자 발아와 휴면의 조절에 ABA의 관련성을 밝힌 첫번째 QTL이다.
Ye et al. (2013)은 잡초성벼 교배조합에서 확인된 종자휴 면 QTL인 qSD1-2가 초장과 관련된 QTL인 qPH1과 연관되 어 있다고 보고하였다. 최근 유전지도 기반 유전자 분석을 통 해서 qSD1-2/qPH1 유전자가 바로 GA 생합성에 관여하는 OsGA20ox2 유전자라는 것이 규명되었다(Ye et al. 2015). OsGA20ox2는 작물의 키를 작게 하여 녹색혁명에 기여한 반왜 성(semi dwarf) 유전자이다. Ye et al. (2015)은 OsGA20ox2 가 종자발달 단계에서 배유의 등숙과 관련하여 1차 휴면성을 조절한다고 제안하였다.
Fujino et al. (2004)은 저온에서 종자발아성이 현저히 다 른 Italica Livorno와 Hayamasari 품종간 교배조합을 이용하 여 3개의 저온발아성 QTL(low-temperature germinability QTL; qLTG-3-1, qLTG-3-2, qLTG-4)을 분리하였다. 그 중 염 색체 3번에 있는 저온발아성 주동 QTL인 qLTG-3-1 유전자 가 규명되었는데 식물 특이적인 유전자(LOC_Os03g01320) 로 glycine rich cell wall protein(GRP)과 lipid transfer protein(LTP) 도메인을 가지고 있으며 N 말단 부위에 10개의 잘 보존된 아미노산 모티브(LLALNLLFFT)가 있다(Fujino et al. 2008). 유전체 분석 연구를 통해서 qLTG-3-1가 (hybrid proline-or glycine-rich proteins, HyGRP)라는 식물 특이적 단백질 군에 속하며 벼 유전체에는 최소한 21 종의 유사 유전 자군이 존재한다는 것이 밝혀졌다(Fujino et al. 2014). 벼 이 외에도 보리, 수수, 옥수수 등 작물에서 HyGRP 유전자군이 확인되었기 때문에 qLTG3–1 상동 단백질에 의해 종자발아 가 조절되는 공통 기작이 보전되어 있을 것으로 추측된다 (Fujino et al. 2014). qLTG3–1 유전자는 종자의 배를 감싸고 있는 epiblast 혹은 호분층에서 발현되는 특성을 보이며, Italica Livorno에서 분리한 qLTG3–1 유전자를 Hayamasari에 도입하면 저온 발아성이 증진되는 것을 확인하였다. Fujino et al. (2008)은 qLTG3–1이 종자발아과정에서 나타나는 세포 질의 액포화를 촉진하며, 배를 둘러싸고 있는 외피 조직을 약 화시켜 발아가 쉽게 일어나도록 하는 기능을 한다고 제안하 였다. Microarray 분석을 통해 qLTG3–1 표적 후보 유전자 29 종이 보고되었는데 방어반응(defense response)에 관련된 유 전자군이 발현되는 점이 주목된다(Fujino et al. 2010).
Miura et al. (2002)은 Nipponbarre와 Kasalath간 BIL 교 배조합을 이용한 QTL 분석을 통해서 3개의 종자수명 QTL(qLG-2, qLG-4, qLG-9)과 5개의 종자휴면 QTL(qSD-1, qSD-3, qSD-5, qSD-7, qSD-11)을 보고하였다. Lin et al. (1998)도 Nipponbarre와 Kasalath 교배조합으로부터 출수기 와 종자휴면에 연관된 QTL을 분석하여 염색체 3, 5, 7, 8에 위치한 종자휴면 QTL을 확인하였으며, 특히 염색체 3번의 종자휴면 주동 QTL과 출수기 QTL의 위치가 겹친다고 보고 한 바 있다. Sugimoto et al. (2010)은 유전지도 기반 유전자 분리 방법으로 염색체 7번에 위치한 종자 휴면 QTL(Sdr4) 유 전자를 규명하는데 성공하였다. 휴면성이 강한 Kasalath에서 분리한 Sdr4 유전자(LOC_Os07g39700)를 Nipponbarre에 도입하면 종자 발아율이 현저하게 감소하며, 반대로 Sdr4가 도입된 Nipponbarre의 NIL 계통에서 Sdr4 유전자발현을 억 제하면 종자발아가 증가된다는 것을 보여주었다. Sdr4 역시 지금까지 기능이 알려지지 않은 새로운 단백질이며 N 말단에 핵으로 가는 시그날 펩티드가 있다. 또한 Sdr4 유전자는 주로 종자의 배의 유근(radicle)에서 발현되며 종자발달에 따라 유 전자 발현이 증가하는 특징을 보인다(Sugimoto et al. 2010). Sugimoto et al. (2010)은 Sdr4 유전자가 종자발달을 관장하 는 마스터 유전자인 OsVP1에 의해 조절되며 애기장대에서 종자휴면을 조절한다고 알려진 DOG1 상동 유전자(OsDOG1 like)를 통해서 작용한다고 제안하였다.
Marzougui et al. (2012)은 휴면성이 강한 Nona Bokra와 약한 Koshihikari 품종간의 염색체 치환조합(chromosome segment substitution lines, CSSL)을 이용하여 염색체 1번과 6번에 위치한 세 개의 종자휴면 QTL(Sdr6, Sdr9, Sdr10)을 보 고하였다. Sdr6를 가진 계통에서 ABA 합성의 주요 효소인 OsNCED3의 발현이 매우 높았기 때문에 ABA 합성 조절을 통해서 종자 휴면에 영향을 준다고 추측된다. Sdr6는 기존에 보고되었던 qSD-1(Miura et al. 2002), qSD1(Gu et al. 2006a & 2006b) 및 qDGE1(Li et al. 2011)과 동일한 위치인 것으로 생각되며 특히 그 위치에 DOG1 유사 유전자(OsDOG1-like) 가 발견되어서 주목된다. 뿐만 아니라 또 다른 종자 휴면 QTL 인 qDGR5b과 qSdn-5의 위치에서 두 개의 또 다른 DOG1-like 유전자(LOC_Os05g48650과 LOC_Os05g41280)가 존재한다 는 것이 확인되었다(Lu et al. 2011b). 이런 결과들은 애기장대 와 마찬가지로 벼에서도 DOG1 계열 유전자가 종자휴면과 발 아를 조절하는 핵심 인자일 가능성을 시사하는 것이다.
지금까지 살펴본 바와 같이 벼의 재배종과 야생종 및 잡초 성벼(weedy rice)의 염색체로부터 종자 휴면과 관련된 40개 이상의 QTL이 확인되었으며, 그 중 qLTG-3-1, Sdr4, qSd1-2 등 3개의 QTL에 대한 원인 유전자가 규명되었다. 벼에서 보 고된 종자 휴면 연관 QTL과 후보 유전자 정보를 Table 1에 정리하였다. 종자 휴면 QTL은 종자 등숙, 종자 수명, 종자 발 아, 종피의 색, 탈립성 등 다양한 종자 형질과 밀접하게 관련 되어 있을 뿐 만 아니라 출수기, 키 등 종자 이외의 농업형질 과 중복되기도 한다.
Table 1.
QTLs and candidate genes related to seed dormancy of rice
DGE (germination energy under the dormancy condition), DGR (germination rate under the dormancy condition), Rc (Red pericarp colour), GW (1000 seeds weight), PH (plant height), AL (awn length), BL (Black hull), SH (shattering)
NI, no information
적 요
종자의 휴면은 식물이 생존에 적합한 환경에서 생활사를 시작하기 위해 진화적으로 적응한 중요한 생존전략이다. 야생 종의 종자가 강한 휴면성을 보이는 것과는 달리, 재배작물의 종자는 경작의 편의성을 위해서 종자 휴면성을 약화하는 방 향으로 육종되어 왔다. 반면 수확기 종자의 휴면성이 약하면 다습한 조건에서 종자가 이삭에 달린 채로 발아하는 수발아 가 발생할 수 있다. 밀 등 주요 곡물의 수발아는 전 세계적으 로 심각한 경제적 손실을 발생하고 있는 상황이다. 종자의 휴 면성은 복합적인 유전적 환경적 인자에 의해 조절되는 양적 형질(QTL)이다. 지금까지 밀, 벼 등 곡물과 모델 식물인 애기 장대에서 수십 개 이상의 종자 휴면 QTL이 보고되었으며 작 물 유전체 연구의 발전에 의해 QTL 유전자 규명이 가속화되 고 있다. 본고에서는 애기장대와 작물의 종자휴면 QTL 유전 자 연구동향을 살펴보았다.
사 사
본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원 시험연구사업(과제 번호: PJ010015 및 PJ01194203)과 박사후 연구원 지원 프로 그램에 의해 수행되었음.
References
1. Alonso-Blanco C, Bentsink L, Hanhart CJ, Vries HBE, Koornneef M. Analysis of natural allelic variation at seed dormancy loci of Arabidopsis thaliana. Genetics 2003. 164: 711-729.
2. Amiguet-Vercher A, Santuari L, Gonzalez-Guzman M, Depuydt S, Rodriguez PL, Hardtke CS. The IBO germination quantitative trait locus encodes a phosphatase 2C-related variant with a nonsynonymous amino acid change that interferes with abscisic acid signaling. New Phytol 2015. 205: 1076-1082.
3. Anderson JA, Sorrells ME, Tanksley SD. RFLP Analysis of genomic regions associated with resistance to preharvest sprouting in wheat. Crop Sci 1993. 33: 453-459.
4. Ashikawa I, Abe F, Nakamura S. Ectopic expression of wheat and barley DOG1-like genes promotes seed dormancy in Arabidopsis. Plant Sci 2010. 179: 536-542.
5. Ashikawa I, Abe F, Nakamura S. DOG1-like genes in cereals investigation of their function by means of ectopic expression in Arabidopsis. Plant Sci 2013. 208: 1-9.
6. Ashikawa I, Mori M, Nakamura S, Abe F. A transgenic approach to controlling wheat seed dormancy level by using Triticeae DOG1-like genes. Transgenic Res 2014. 23: 621-629.
7. Bentsink L, Hanson J, Hanhart CJ, Blankestijn-de Vries H, Coltrane C, Keizer P, El-Lithy M, Alonso-Blanco C, de Andrés MT, Reymond M, van Eeuwijk F, Smeekens S, Koornneef M. Natural variation for seed dormancy in Arabidopsis is regulated by additive genetic and molecular pathways. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010. 107: 4264-4269.
8. Bentsink L, Jowett J, Hanhart CJ, Koornneef M. Cloning of DOG1, a quantitative trait locus controlling seed dormancy in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006. 103: 17042-17047.
11. Chen CX, Cai SB, Bai GH. A major QTL controlling seed dormancy and preharvest sprouting resistance on chromosome 4A in a Chinese wheat landrace. Mol. Breeding 2008. 21: 351-358.
12. Chiang GC, Barua D, Dittmar E, Kramer EM, de Casas RR, Donohue K. Pleiotropy in the wild the dormancy gene DOG1 exerts cascading control on life cycles. Evolution 2013. 67: 883-893.
13. Clarke FR, Knox RE, DePauw RM. Expression of dormancy in a spring wheat cross grown in field and controlled environment conditions. Euphytica 2005. 143: 297-300.
14. Clerkx EJ, El-Lithy ME, Vierling E, Ruys GJ, Blankestijn-De Vries H, Groot SP, Vreugdenhil D, Koornneef M. Analysis of natural allelic variation of Arabidopsis seed germination and seed longevity traits between the accessions Landsberg erecta and Shakdara, using a new recombinant inbred line population. Plant Physiol 2004. 135: 432-443.
15. Dong YJ, Tsuzuki E, Kamiunten H, Terao H, Lin DZ, Matsuo M, Zheng YF. Identification of quantitative trait loci associated with pre-harvest sprouting resistance in rice (Oryza sativa L). Field Crops Res 2003. 81: 133-139.
18. Fujino K, Obara M, Sato K. Diversification of the plant-specific hybrid glycine-rich protein (HyGRP) genes in cereals. Front. Plant Sci 2014. 24: 489.
19. Fujino K, Sekiguchi H, Sato T, Kiuchi H, Nonoue Y, Takeuchi Y, Ando T, Lin SY, Yano M. Mapping of quantitative trait loci controlling low-temperature germinability in rice (Oryza sativa L.). Theor. Appl. Genet 2004. 108: 794-799.
20. Fujino K, Sekiguchi H, Matsuda Y, Sugimoto K, Ono K, Yano M. Molecular identification of a major quantitative trait locus, qLTG3-1, controlling low-temperature germinability in rice. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2008. 105: 12623-12628.
22. Graeber K, Linkies A, Steinbrecher T, Mummenhoff K, Tarkowská D, Turecková V, Ignatz M, Sperber K, Voegele A, de Jong H, Urbanová T, Strnad M, Leubner-Metzger G. DELAY OF GERMINATION 1 mediates a conserved coat-dormancy mechanism for the temperature- and gibberellin-dependent control of seed germination. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2014. 111: E3571-E3580.
23. Groos C, Gay G, Perretant MR, Gervais L, Bernard M, Dedryver F, Charmet G. Study of the relationship between pre-harvest sprouting and grain color by quantitative trait loci analysis in a white x red grain bread-wheat cross. Theor. Appl. Genet 2002. 104: 39-47.
29. Gu XY, Liu T, Feng J, Suttle JC, Gibbons J. The qSD12 underlying gene promotes abscisic acid accumulation in early developing seeds to induce primary dormancy in rice. Plant Mol. Biol 2010. 73: 97-104.
31. Kato K, Nakamura W, Tabiki T, Miura H, Sawada S. Detection of loci controlling seed dormancy in group 4 chromosomes of wheat and comparative mapping with rice and barley genomes. Theor. Appl. Genet 2001. 102: 980-985.
33. Li C, Ni P, Francki M, Hunter A, Zhang Y, Schibeci D, Li H, Tarr A, Wang J, Cakir M, Yu J, Bellgard M, Lance R, Appels R. Genes controlling seed dormancy and pre-harvest sprouting in a rice-wheat-barley comparison. Funct. Integr. Genomics 2004. 4: 84-93.
35. Li Q, Fan C, Zhang X, Wang X, Wu F, Hu R, Fu Y. Identification of a soybean MOTHER OF FT AND TFL1 homolog involved in regulation of seed germination. PLoS One 2014. 9: e99642.
37. Lin M, Cai S, Wang S, Liu S, Zhang G, Bai G. Genotyping-by-sequencing (GBS) identified SNP tightly linked to QTL for pre-harvest sprouting resistance. Theor. Appl. Genet 2015. 128: 1385-1395.
38. Lin SY, Sasaki T, Yano M. Mapping quantitaive trait loci controlling seed dormancy and heading date in rice, Oryza sativa L. using backcross inbred lines. Theor. Appl. Genet 1998. 96: 997-1003.
39. Liu S, Sehgal SK, Li J, Lin M, Trick HN, Yu J, Gill BS, Bai G. Cloning and characterization of a critical regulator for preharvest sprouting in wheat. Genetics 2013. 195: 263-273.
40. Liu Y, Geyer R, van Zanten M, Carles A, Li Y, Hörold A, van Nocker S, Soppe WJ. Identification of the Arabidopsis REDUCED DORMANCY 2 gene uncovers a role for the polymerase associated factor 1 complex in seed dormancy. PLoS One 2011. 6: e22241.
41. Liu Y, Koornneef M, Soppe WJ. The absence of histone H2B monoubiquitination in the Arabidopsis hub1 (rdo4) mutant reveals a role for chromatin remodeling in seed dormancy. Plant Cell 2007 2007. 19: 433-444.
42. Lu B, Xie K, Yang C, Zhang L, Wu T, Liu X, Jiang L, Wan J. Genetic analysis of two weak dormancy mutants derived from strong seed dormancy wild type rice N22 (Oryza sativa). J. Integr. Plant Biol 2011. 53: 338-346.
43. Mares DJ, Mrva K, Cheong J, Williams K, Watson B, Storlie E, Sutherland M, Zou Y. A QTL located on chromosome 4A associated with dormancy in white- and red-grained wheats of diverse origin. Theor. Appl. Genet 2005. 111: 1357-1364.
45. Marzougui S, Sugimoto K, Yamanouchi U, Shimono M, Hoshino T, Hori K, Kobayashi M, Ishiyama K, Yano M. Mapping and characterization of seed dormancy QTLs using chromosome segment substitution lines in rice. Theor. Appl. Genet 2012. 124: 893-902.
46. Miura K, Lin Y, Yano M, Nagamine T. Mapping quantitative trait loci controlling seed longevity in rice (Oryza sativa L). Theor. Appl. Genet 2002. 104: 981-986.
47. Mori M, Uchino N, Chono M, Kato K, Miura H. Mapping QTLs for grain dormancy on wheat chromosome 3A and group4 chromosomes, and their combined eVect. Theor. Appl. Genet 2005. 110: 1315-1323.
49. Nakabayashi K, Bartsch M, Xiang Y, Miatton E, Pellengahr S, Yano R, Seo M, Soppe WJ. The time required for dormancy release in Arabidopsis is determined by DELAY OF GERMINATION1 protein levels in freshly harvested seeds. Plant Cell 2012. 24: 2826-2838.
50. Nakamura S, Abe F, Kawahigashi H, Nakazono K, Tagiri A, Matsumoto T, Utsugi S, Ogawa T, Handa H, Ishida H, Mori M, Kawaura K, Ogihara Y, Miura H. A wheat homolog of MOTHER OF FT AND TFL1 acts in the regulation of germination. Plant Cell 2011. 23: 3215-3229.
51. Ogbonnaya FC, Imtiaz M, Ye G, Hearnden PR, Hernandez E, Eastwood RF, van Ginkel M, Shorter SC, Winchester JM. Genetic and QTL analyses of seed dormancy and preharvest sprouting resistance in the wheat germplasm CN10955. Theor. Appl. Genet 2008. 116: 891-902.
52. Peeters AJ, Blankestijn-De Vries H, Hanhart CJ, Léon-Kloosterziel KM, Zeevaart JA, Koornneef M. Characterization of mutants with reduced seed dormancy at two novel rdo loci and a further characterization of rdo1 and rdo2 in Arabidopsis. Physiol. Plant 2002. 115: 604-612.
53. Rasul G, Humphreys DG, Brule-Babel A, McCartney CA, Knox RE, DePauw RM, Somers DJ. Mapping QTLs for pre-harvest sprouting traits in the spring wheat cross ‘RL4452/AC Domain’. Euphytica 2009. 168: 363-378.
54. Roy JK, Prasad M, Varshney RK, Balyan HS, Blake TK. Identification of a microsatellite on chromosomes 6B and a STS on 7D of bread wheat showing an association with preharvest sprouting tolerance. Theor. Appl. Genet 1999. 99: 336-340.
56. Sugimoto K, Takeuchi Y, Ebana K, Miyao A, Hirochika H, Hara N, Ishiyama K, Kobayashi M, Ban Y, Hattori T, Yano M. Molecular cloning of Sdr4, a regulator involved in seed dormancy and domestication of rice. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010. 107: 5792-5797.
58. Teng S, Rognoni S, Bentsink L, Smeekens S. The Arabidopsis GSQ5/DOG1 Cvi allele is induced by the ABA-mediated sugar signalling pathway, and enhances sugar sensitivity by stimulating ABI4 expression. Plant. J 2008. 55: 372-381.
60. Wang Z, Wang J, Bao Y, Wang F, Zhang H. Quantitative trait loci analysis for rice seed vigor during the germination stage. J Zhejiang Univ Sci B (Biomed & Biotechnol) 2010. 11: 958-964.
61. Wang Z, Zhou Z, Liu Y, Liu T, Li Q, Ji Y, Li C, Fang C, Wang M, Wu M, Shen Y, Tang T, Ma J, Tian Z. Functional evolution of phosphatidylethanolamine binding proteins in soybean and Arabidopsis. Plant Cell 2015. 27: 323-336.
62. Xiang Y, Nakabayashi K, Ding J, He F, Bentsink L, Soppe WJ. Reduced Dormancy5 encodes a protein phosphatase 2C that is required for seed dormancy in Arabidopsis. Plant Cell 2014. 26: 4362-4375.
63. Ye H, Beighley DH, Feng J, Gu XY. Genetic and physiological characterization of two clusters of quantitative trait Loci associated with seed dormancy and plant height in rice. G3 (Bethesda) 2013. 3: 323-331.
64. Ye H, Feng J, Zhang L, Zhang J, Mispan MS, Cao Z, Yang J, Beighley DH, Gu X. Map-based cloning of qSD1-2 identified a gibberellin synthesis gene regulating the development of endosperm-imposed dormancy in rice. Plant Physiol 2015. 169: 152-165.
65. Ye H, Michael E, Foley M, Gu XY. New seed dormancy loci detected from weedy rice-derived advanced populations with major QTL alleles removed from the background. Plant Sci 2010. 179: 612-619.
67. Zanetti S, Winzeler M, Keller M, Keller B, Messmer M. Genetic analysis of pre-harvest sprouting resistance in a wheat × spelt cross. Crop Sci 2000. 40: 1406-1417.
68. Zhao M, Yang S, Liu X, Wu K. Arabidopsis histone demethylases LDL1 and LDL2 control primary seed dormancy by regulating DELAY OF GERMINATION 1 and ABA signaling-related genes. Front. Plant Sci 2015. 6: 159.
69. Zheng J, Chen F, Wang Z, Cao H, Li X, Deng X, Soppe WJ, Li Y, Liu Y. A novel role for histone methyltransferase KYP/SUVH4 in the control of Arabidopsis primary seed dormancy. New Phytol 2012. 193: 605-616.
DGE (germination energy under the dormancy condition), DGR (germination rate under the dormancy condition), Rc (Red pericarp colour), GW (1000 seeds weight), PH (plant height), AL (awn length), BL (Black hull), SH (shattering)
NI, no information
Table 1.
QTLs and candidate genes related to seed dormancy of rice
QTL genes identified by Map-based cloning
DGE (germination energy under the dormancy condition), DGR (germination rate under the dormancy condition), Rc (Red pericarp colour), GW (1000 seeds weight), PH (plant height), AL (awn length), BL (Black hull), SH (shattering)
