Development and Characterization of EMS-induced Mutants with Enhanced Salt Tolerance in Silage Maize

Maize (Zea mays L.) is one of the most valuable agricultural crops and is grown under a wide spectrum of environmental conditions. However, maize is moderately sensitive to salt stress, and soil salinity is a serious threat to its production worldwide. In this study, we used ethyl methane sulfonate (EMS) to generate salt-tolerant silage maize mutants. We screened salt-tolerant lines from 203 M₃ mutant populations by evaluating the morphological phenotype after salt stress treatment and selected the 140ES91 line. The 140ES91 mutant showed improved plant growth as well as higher proline content and leaf photosynthetic capacity compared with those of wild-type plants under salt stress conditions. Using whole-genome re-sequencing analysis, 1,103 single nucleotide polymorphisms and 71 insertions or deletions were identified as common variants between KS140 and 140ES91 in comparison with the reference genome B73. Furthermore, the expression patterns of three genes, which are involved in salt stress responses, were increased in the 140ES91 mutant under salt stress. Taken together, the mutant line identified in our study could be used as an improved breeding material for transferring salt tolerance traits in maize varieties.

EMS 유도 내염성 증진 사료용 옥수수 돌연변이체 선발 및 특성 분석

본 연구는 간척지 내 재배 가능한 내염성 사료용 옥수수를 선발하기 위해 EMS를 이용하여 돌연변이 집단을 구축하고 기내 선발 방법을 통해 내염성 증진 계통을 선발하였고, 연구결과는 다음과 같다. 1. 사료용 옥수수 모본인 KS140에 다양한 조건으로 EMS를 처리하여 발아율 및 식물의 생육 상태를 조사하였고, 발아율에는 영향을 미치지 않으면서 생육에 큰 영향을 주지않는 0.5% EMS를 돌연변이 유도 적정 농도로 선정하였다. 2. 기내 선발 방법을 통해 선발된 내염성 증진 계통 140ES91 계통을 이용하여 0.5% 염분 스트레스 처리 후 표현형을 조사한 결과, 대조군인 KS140 대비 식물의 초장 및 근장의 생육이 양호하였으며, 높은 proline 함량과 기공전도도를 보였다. 따라서 염분 스트레스 시 높은 proline 함량과 기공전도도가 140ES91 계통의 증가된 내염성과 관련이 있을 것으로 판단된다. 3. 내염성 증진 140ES91 계통의 유전변이 분석을 통해 유전자 기능에 영향을 미칠 수 있는 아미노산 변이를 유발하는 39개의 변이 유전자를 확인하였고, 변이 유전자와 내염성의 관계를 증명하기 위한 유전자 기능 분석이 요구된다. 4. 기 보고된 내염성 관련 유전자들의 발현 양상을 조사한 결과 ABP9과 CIPK31 유전자는 대조군 대비 염분 스트레스 처리 전후 140ES91 계통에서 높은 발현율을 보였으며, CIPK21 유전자는 염분 스트레스 처리 후 대조군에는 발현이 감소하나 140ES91 계통에서는 발현이 유지됨을 확인하였다. 따라서 140ES91 계통에서 보이는 내염성 관련 유전자들의 높은 발현율이 140ES91 계통의 내염성에 관여할 것으로 판단된다. 5. 이상의 결과 기내 선발 방법을 통해 선발한 내염성 증진 계통은 간척지와 같은 염류집적 토양에서 작물의 안정적인 재배와 생산이 가능한 내염성 증진 품종 개발의 육종소재로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.