Inheritance Study of Male Sterile Transformants Containing Pollen-specific Promoter and Diphtheria Toxin A Gene

수술특이프로모터와 디프테리아 독성 유전자에 의한 웅성불임 형질전환체의 후대 유전분석

The objectives of this study were to investigate the genetic and phenotypic features of male sterile transformants by pollen-specific expression of diphtheria toxin gene and to find out inheritance patterns of transgene to the next generation. When backcrossed (BC) progenies were tested for expression of kanamycin resistance ($Km^R$), 9 lines out of 13 lines, except 4 lines ($BC_{1}5-13,\;BC_{1}5-23,\;BC_{1}5-28,\;BC_{1}5-32$), showed the ratio of $Km^R$ to kanamycin sensitive ($Km^S$), from 1:30 to all $Km^S$. As a result, they were much lower than Mendelian segregation of a dominant gene. To determine whether male sterility is a heritable and stable trait, 5 male sterile plants ($BC_{1}5-13,\;BC_{1}5-14,\;BC_{1}5-23,\;BC_{1}5-32,\;BC_{1}5-33$ lines) which had different transgene copy numbers were backcrossed as female parents with pollens from wild type. To confirm the existence of the DTx-A gene in the genome of the progenies, PCR was conducted using specific primers of the DTx-A coding region. A PCR band of 428 bp was obtained from each generation, which is the predicted size of the DTx-A gene fragment. Trangenes were inherited to the next $BC_4T_0$ progenies and showed male sterility, however, based on the copy numbers of DTx-A gene male sterile plants did not show predicted ratio. When male sterile plants were backcrossed with fertile plants, fruit capsule sizes and seed settings were relatively reduced from those of selfing wild type plants. The fruit sizes and seed settings were reduced in proportion to the increase in the copy number of DTx-A gene.

본 실험은 diphtheria 독성유전자의 수술조직 특이적인 발현을 이용하여 유기된 웅성불임 형질전환체들의 유전적 특성 및 표현형의 특징을 조사하고 후대로의 유전양상을 조사하여 전이유전자의 안정성을 검정하며 유전자의 조직특이적 발현 현상을 실제적으로 작물육종에 이용할 수 있는 가를 검토코자 수행하였다. 각 계통의 $BC_1$ 종자의kanamycin 저항성 검정을 수행한 바 조사된 13계통 중 $BC_{1}5-13,\;BC_{1}5-23,\;BC_{1}5-28$과 $BC_{1}5-32$의 4계통을 제외한 나머지 9계통의 kanamycin 저항성 개체($Kan^R$) 대 kanamycin 감수성 개체($Kan^S$)의 비율은 1 : 30-0 : 52로 나타났다. 그러나 이 결과는 화분 특이 BAN215 프로모터에 의한 형질전환체의 도입유전자 copy 수에서 예상되는 Mendel 법칙의 우성유전자의 유전비율에 모든 개체가 다 부합되지는 않았다. 형질전환된 웅성불임 개체에 존재하는 DTx-A 유전자가 후대로 안정적으로 전이되는지 또한 웅성불임 상태가 그대로 유지되는지를 확인하기 위하여 완전웅성불임개체중 전이유전자의 copy 수가 다른 5개체(5-13, 5-14, 5-23, 5-32, 5-33)를 선발하고 여교잡을 실시하여 $BC_2T_0$세대부터 $BC_4T_0$세대를 확보하였으며 각 계통의 후대로부터 428bp 크기의 DTx-A 유전자의 PCR 밴드를 확인할 수 있었다. 각 계통의 후대 개체들은 전이유전자를 후대 4대($BC_4T_0$)까지도 안정적으로 전달하고 전달받은 후대들은 웅성불임성을 그대로 유지하였으나 그 비율은 각 세대에 전이된 DTx-A 유전자의 copy수에 따라 차이를 나타냈다. 웅성불임개체들과 임성개체들을 여교잡하여 수확한 꼬투리의 크기와 종자결실은 정상적인 개체들의 교배때와는 달리 감소하였으며 이는 전이된 DTx-A 유전자의 copy수가 많은 개체들에서 더욱 많이 감소하였다. 따라서 이러한 종류의 유전자 전환체를 육종에 이용하기 위해서는 이론분리비에 부합되는 개체를 선발한 후 누대(累代)에 걸쳐 검정함으로써 안정성이 있는 개체를 이용하여야 할 것으로 생각된다.