엽록체 유전정보를 이용한 두류 유전자원 형태적 형질의 유전력 분석

An Analysis of the Heritability of Phenotypic Traits Using Chloroplast Genomic Information of Legume Germplasms

두류는 식량으로서 중요한 자원 중의 하나로 유용한 형질을 이용하여 장기적인 먹거리의 소재로 개발 및 활용하고 있다. 그런데 형질은 작물의 다양성과 관련하여 유전적 혹은 환경적 요인에 따라 형질 변이가 발생하기 때문에 유용한 형질의 장기적인 활용을 위해서는 유전적으로 장기적인 유지가 가능한 유전력이 높은 형질을 선발하는 것이 중요하다. 그러나 유전력의 추정은 복잡한 세대증식의 설계와 재배시간, 농업노동력 공급 등에 필요한 많은 시간과 비용이 소요되기 때문에 이를 해결할 수 있는 대안이 요구된다. 본 연구에서는 두류 6종에 대한 형태적 형질과 엽록체의 총455개 유전자의 계통 분류학적 차이를 통계적으로 상호 비교하여 형질에 대한 유전력을 추정하였다. 그 결과로 개화일수, 협당 립수, 조지방이 유의수준 0.05 이하(P-value≤0.05)에서 상관관계가 있는 유전자가 각각 62.86%, 69.45%, 57.14%로 높은 상관성을 보였고, 생육일수는 유의수준 0.1 이하에서 62.42%로 상관성을 보임으로써 환경적 영향보다 유전적 영향에 의한 변이가 더 크게 작용할 것으로 예상된다. 반면 성숙일수, 100립중, 조단백질, 조섬유, 식이섬유 함량에 대한 변이는 유의수준 0.05이하에서 상관성이 있는 유전자가 평균 11.82%로 환경적 변화영향이 더 클 것으로 추정되었다. 이 가운데 성숙일수와 100립중은 기존의 연구와는 다른 결과를 보였는데 이는 재배환경, 인간활동(농약, 비료 사용 등)과 같은 환경적 영향 뿐만아니라 유전력과 유전적 진전과의 관계에 따른 상위적, 상가적 유전자의 복잡한 영향으로 인하여 다른 연구결과가 나타났을 것으로 판단된다. 비록 엽록체 유전자 정보를 이용한 유전력 추정이 다소 미흡하지만 향 후에 단일염기다형성의 활용, 낮은 계통발생 신호의 보완을 위한 미토콘드리아 유전체 정보, 핵DNA 유전자 정보 등을 활용하고, 실제 조사결과와의 비교검정을 통한 보완이 이루어진다면 유전력 추정을 통한 신품종 개발 및 우수자원 선발과 육종기술 등과 같이 농업유전자원의 보존, 관리, 재배, 증식 등 광범위한 농업분야의 발전에 크게 기여할 수 있을 것이다.

Developing and breeding improved legume-based food resources require collecting useful genetic traits with heritability even though requiring some time-consuming, costly, and labor intensive. We attempted to infer heritability of nine genetic traits-days to flowering, days to maturity, period from flowering to maturity, the number of seeds per pod, 100-seeds weight, and four contents such as crude protein, crude oil, crude fiber, and dietary fiber-using 455 homologous chloroplast gene sets of six species of legumes. Correlation analysis between genetic trait differences and phylogenetic distance of homologous gene sets revealed that days to flowering, the number of seeds per pod, and crude oil content were influenced by genetic factors rather than environmental factors by 62.86%, 69.45%, 57.14% of correlated genes (P-value ≤ 0.05) and days to maturity showed intermediate genetic effects by 62.42% (P-value ≤ 0.1). The period from flowering to maturity and 100-seeds weight showed different results compared to those of some previous studies, which may be attributed to highly complicated internal (epistatic or additive gene effects) and external effects (cultural environment and human behaviors). Despite being slightly unexpected, our results and method can widely contribute to analyze heritability by including genetic information on mitochondria, nuclear genome, and single nucleotide polymorphisms.