검색 상세

Evolutionary Genomic Analysis in the Genus Oryza

벼 속 유전체 진화 분석

  • 임인수 (Insu Lim, 강릉원주대학교 대학원 원예학과)

초록/요약 도움말

Introgression breeding strategy has been successfully applied for improving economically important traits, especially resistance to environmental stresses in rice, which is one of the most important grain crops. The BADH2, GBSS1 and GBSS2, and HIS1 are key genes regulating the fragrance, starch synthesis, and herbicide resistance in rice, respectively. Although molecular functions of four genes had been investigated in Oryza sativa species, little knowledge is available about their evolution in the genus Oryza. Here, we studied the evolutionary history of the four focal genes in the 10 Oryza species using phylogenetic and syntenic approaches. Our phylogenetic analysis showed that the Oryza sativa species and Oryza rufipogon/nivara were separately clustered into two distinct groups. Through the synteny analysis, the Oryza sativa species have a more conserved genomic structure with Oryza rufipogon than those of Oryza nivara. Across ten Oryza species, a total of 8, 10, 8, and 43 orthologs were identified as BADH2, GBSS1, GBSS2, and HIS1, respectively. The HIS1 orthologs showed highly different copy numbers ranging from two to seven in the Oryza species. The five duplication events were detected in HIS1 families and the four copies out of five were identified as tandem duplicates. At most one copy of BADH2, GBSS1, and GBSS2 orthologs were identified in each Oryza species, and gene loss events of BADH2 and GBSS2 were identified in three Oryza species. Gene synteny analysis revealed that these three genes have been constantly descended during rice evolution. The gene transfer analysis propose that the functional roles of GBSS1 and GBSS2 were developed in Asian and African regions, respectively, and one of the Asian rice fragrances was derived from African species. These results give us a clue in elucidating the origin and evolution of the key genes in rice breeding and provide valuable information to molecular breeders and scientists to design efficient strategy to improve grain quality and yield potential simultaneously in rice.

more

초록/요약 도움말

벼 (Oryza sativa)는 중요 식량 작물로 전 세계에서 재배 및 소비가 이루어지고 있다. 다양한 야생 유전자원을 활용한 이입 육종은 재배 벼의 유전적 다양성을 확대하고 내재해성과 수량성을 증진시키기 위한 중요 육종 방법 중 하나이다. BADH2, GBSS1, GBSS2, 및 HIS1은 각각 향기, 전분 합성 및 제초제 저항성을 조절하는 핵심 유전자이다. 해당 유전자들의 연구는 재배 벼를 활용한 기능적 변이 조사에만 집중되어 왔고, 유전자의 진화 과정에 대한 고찰은 이루어진 바 없다. 본 연구에서는 재배 벼 3종과 야생 벼 7종의 유전체 데이터를 이용하여 맛, 향미, 제초제 저항성 관련 유전자 4종 (GBSS1, GBSS2, BADH2, 및 HIS1)을 중심으로 벼 속의 진화과정을 탐색하였다. 계통수 및 synteny 분석 결과, 재배벼Oryza sativa와 야생벼 Oryza rufipogon및 Oryza nivara가 각각 다른 그룹으로 분류되었고, Oryza sativa 종은Oryza nivara보다 Oryza rufipogon과 더욱 유사한 유전체 구조를 가지는 것으로 확인되었다. 10개의 벼 종에서 각43 (HIS1), 10 (GBSS1), 8 (GBSS2), 및 8 (BADH2) 개의 상동유전자를 확인하였다. HIS1상동유전자는 두 개에서 일곱 개까지 종에 따라 다양한 유전자 수 차이를 보여주었지만, BADH2, GBSS1, 및 GBSS2는 모든 종에서 단일 유전자로 확인되었다. HIS1 유전자는 5번의 복제 과정을 거친 것으로 나타났으며, 총 3종에서 BADH2와 GBSS2의 유전자 손실이 관찰되었다. 벼의 진화 및 순화 과정 동안 종 간 유전자 이동이 있었으며 GBSS1과 GBSS2의 기능적 역할이 각각 아시아와 아프리카 지역에서 발달하였고 아시아 쌀이 갖고 있는 향미 중 한 종류는 아프리카 종에서 유래되었을 가능성을 확인하였다. 이러한 결과는 벼 핵심 유전자의 기원과 진화과정을 밝히고 수량성과 품질을 동시에 갖춘 우수 품종 육종을 위한 효율적인 육종 전략을 설계하는데 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.

more

목차 도움말

Contents

List of tables Ⅰ
List of figures Ⅰ
Abbreviations Ⅱ
1. Introduction 1
2. Material and Method 4
2.1 Data source 4
2.2 Species phylogenetic tree 4
2.3 Synteny detection, Ka and Ks value, and gene duplication events 5
2.4 Identification of orthologs of BAHD2, GBSS1, GBSS2, and HIS1 5
2.5 Gene evolutionary analysis 6
3. Results 7
3.1 Phylogenetic analysis 7
3.2 Synteny analysis 9
3.3 Genome expansion analysis 10
3.4 Identification of BADH2, GBSS1, GBSS2, and HIS1 families 12
3.5 Gene synteny analysis of HIS1 14
3.6 Gene synteny analysis of BADH2, GBSS1, and GBSS2 17
3.7 Measurement of selection pressure 19
4. Discussion 20
5. Conclusion 26
References 27
Supplementary data 34
Summary in Korean 36

more
반출 Meta View 목록