Characterization of Salt Tolerant Rice Mutant Lines Derived from Azetidine-2-Carboxylic Acid Resistant Cell Lines Induced by Gamma Ray Irradiation

To develop rice (Oryza sativa L.) cultivars to be planted on salt-affected sites, cell lines with enhanced proline content and resistance to growth inhibition by Azetidine-2-carboxylic acid (AZCA), a proline analogue, were screened out among calli irradiated with gamma ray of 50, 70, 90, and 120 Gy. The calli had been derived from embryo culture of the cultivar Donganbyeo. Selected AZCA resistant lines that had high proline accumulation were used as sources for selection of NaCl resistant lines. To determine an optimum concentration for selection of NaCl resistant lines, Donganbyeo seeds were initially cultured on the media containing various NaCl concentrations (0 to 2.5%) for 40 days, and 1.5% NaCl concentration was determined as the optimum concentration. One hundred sixteen salt-tolerant (ST) lines were selected from bulked 20,000 seeds of the AZCA resistant $M_{3}$ seeds in the medium containing 1.5% NaCl. The putative 33 lines ($M_{4}$ generation) considered with salt-tolerance were further analyzed for salt tolerance, amino acid and ion contents, and expression patterns of the salt tolerance-related genes. Out of the 33 lines, 7 lines were confirmed to have superior salt tolerance. Based on growth comparison of the entries, the selected mutant lines exhibited greater shoot length with average 1.5 times, root length with 1.3 times, root numbers with 1.1 times, and fresh weight with 1.5 times than control. Proline contents were increased maximum 20%, 100% and 20% in the leaf, seed and callus, respectively, of the selected lines. Compared to control, amino acid contents of the mutants were 24 to 29%, 49 to 143%, 32 to 60% higher in the leaf, seed and callus, respectively. The ratio of $Na^{+}/K^{+}$ for most of the ST-lines were lower than that of control, ranging from 1.0 to 3.8 for the leaf and 11.5 to 28.5 for the root, while the control had 3.5 and 32.9 in the leaf and root, respectively. The transcription patterns for the P5CS and NHXI genes observed by RT-PCR analysis indicated that these genes were actively expressed under salt stress. The selected mutants will be useful for the development of rice cultivar resistant to salt stress.

AZCA 저항성 돌연변이 세포주로부터 선발 육성만 내염성 벼 돌연변이 계통의 특성 검정

본 연구는 벼 배 배양 캘러스에 방사선 조사와 AZCA 처리를 통해 AZCA저항성 세포주를 선발 육성하고 proline 함량이 증가된 선발 계통을 중심으로 염분 스트레스에 저항성을 갖는 벼 계통을 육성하고 그 기작을 밝히고자 하였다. 먼저, 1) AZCA 저항성 후대로부터 NaCl 저항성 식물체를 선발하고, 2) 선발된 저항성 계통의 생리적 생화학적 특성을 분석하였으며, 3) 분자적 특성을 RT-PCR을 통해 조사하고 유전적 변이를 탐색하였다. AZCA저항성 $M_{3}$ 3,000 계통으로부터 얻어진 약 20,000 종자에 염분 적정 선발 농도로 밝혀진 1.5%의 염분을 처리하여 내염성 (ST) 벼 116 개체를 선발하고, $M_{4}$ 후대 세대를 양성하였다. $ST\;M_{4}$ 세대에서 2차 내염성 계통 선발을 위해서 $M_{4}$ 세대계통을 1.2% NACl 에서 대조구와 생육 조사한 결과, 대조구 식물은 생육이 약하고 성장이 지연되는 것을 볼 수 있었다. 내염성 계통(ST-13, ST-16)으로부터 유도된 캘러스에 NaCl 처리한 결과, 대조구, ST-13, ST-16의 생존율은 9%, 16%, 20%로 나타났다. 또한, 필수 아미노산 함량을 잎, 종자 및 캘러스로 나누어 분석한 결과 ST-13와 ST-16는 대조구와 비교하여, 1) 잎에서는 약 1.24, 1.3배, 2) 종자에서는 1.49, 2.43배, 3) 캘러스에서는 1.32, 1.60배 증가하는 것이 확인되었다. 내염성 계통과 대조구에서 이온함량을 비교한 결과 잎과 뿌리에서 $K^{+},\;Na^{+}$ 및 $Na^{+}/K^{+}$ 비율을 보면 대조구보다 $Na^{+}/K^{+}$ 비율이 낮아진 것이 확인되었다. 내염성과 연관된 유전자 P5CS, NHXI를 이용하여 RT-PCR 실험을 수행한 결과, 돌연변이 계통에서 이들 유전자의 발현이 증가됨을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 선발된 계통은 내염성 육종 및 기초 연구를 위한 재료로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.