서 언
벼(Oryza sativa L.)는 인구 부양력이 높은 작물 중 하나로, 세계 인구가 급증하면서 그 중요성이 높아지고 있다. 식량에 대한 수요의 증가, 택지 그리고 관광지 개발 등을 목적으로 전 세계적으로 간척지 개발이 이루어지고 있다(Han et al., 2020). 간척지에서 염농도는 대체로 0.1~0.3%로 분포하며 그 정도에 따라 작물의 생육 저하 및 수량 감소를 가져온다. 특히 0.3% 이상의 염농도에서는 대부분의 작물 수량이 50% 이하로 감소 한다(Hoang et al., 2016).
벼는 다른 작물에 비해 비교적 염스트레스 내성이 높은 것 으로 알려져 있으며, 대부분 담수 환경에서 재배되기 때문에 물 걸러대기 등의 재배적 방법을 통해 염농도를 경감시킬 수 있어 밭 작물에 비해 간척지 재배에 유리한 장점이 있다(Ismail et al., 2007;Singh et al., 2010;Thomson et al., 2010). 벼 는 전체 생육기간 중 유묘기와 수잉기가 특히 염 스트레스에 민감한 것으로 알려져 있다(Gregoria et al., 1997;Waziri et al., 2016;Vinod et al., 2013). 염 농도가 증가하면 삼투 작 용의 불균형으로 인하여 세포 내 수분이 유실되고, 이로 인한 이온 불균형은 효소 활동의 감소, 막구조의 불안정화 및 파괴, 원형질 분리를 초래하여 결국 식물 생장과 수량의 감소를 가 져온다(Munns and Tester 2008;Vinod et al., 2013;Ismail et al., 2007;Moradi and Ismail 2007;Rahneshan et al., 2018). 따라서 간척지에서 벼의 염해 감소를 위한 방안으로 주 기적으로 민물을 흘러대기 등 재배적 방법을 이용하고 있으나 이는 물 사용량을 증가시키고 비료의 효능을 떨어뜨려 경제성 이 떨어진다. 따라서 간척지 적응 벼 육성은 이러한 문제점을 해결할 수 있는 가장 좋은 방법 중 하나일 것이다.
국내에서는 1978년 계화도출장소 및 남양출장소가 설립되 면서 본격적인 내염성계통육성 시험이 수행되었으나, 벼의 내 염성 유전자원은 대부분 인디카형으로 우리나라 자포니카 품 종과 교잡시 불임 및 열악형질이 수반되는 등 후대 계통 육성 에 어려움이 있다(Baek et al., 2014). 현재까지 청호가 간척 지 적응품종으로 거의 유일하게 육성되었으나 중도의 내염성 을 나타내고 있는 실정이다.
오랫동안 벼의 염 스트레스에 대한 메커니즘을 이해하고, 내 염성 증진을 위한 연구가 진행되어 왔다. 최근 분자생물학 및 유전체학의 발전은 기공의 변화, 이온의 전달, 항상성 및 삼투 압 조절, 산화 스트레스 조절 등을 포함하여 염 스트레스에 관련된 이해를 이끌어 냈다(Rodriguez-Navarro and Rubio 2006;Martinoia et al., 2007;Singh and Flowers 2010;Hanin et al., 2016;Reddy et al., 2017;Chen et al., 2017). 내염성에 관여하는 다양한 QTL과 유전자가 보고되고 있으나 (Lin et al., 2004;Koyama et al., 2001;Ren et al., 2005;Huang et al., 2009;Kumar et al., 2015;Liang et al., 2015), 내염성과 같은 비생물학적 스트레스(Abiotic stress)는 예측할 수 없는 환경(온도, 습도, 일조시간, 일사량 등)에 따라 다양한 복합적인 요인의 상호작용으로 인해 유전자 발현의 차 이가 크며(Ko et al., 2009;Machado and Serralheiro 2017;Jeong et al., 2019). 내염성 증대를 위한 주동 유전자는 거의 보고된 바 없으며, 벼의 내염성 증대를 위해 유전자가 도입되 더라도 미동유전자에 따라 발현의 정도에 차이가 있어 여전히 내염성 벼 육종에 있어 효과가 거의 없는 실정이다(De Leon et al., 2017;Han et al., 2020;Ramadan et al., 2020). 또 한 내염성 유전자의 도입을 통한 내염성 품종 육성 연구는 대 부분 인디카 벼에서 수행되고 있다.
Gregorio(1997)은 대표적인 내염성 품종인 Pokkali와 감수성 품종인 IR29의 재조합순계집단 Recombinants Inbred Line (RIL)을 이용하여 1번 염색체에서 내염성 QTL Saltol을 보고 하였다. 후속 연구에서 SSR 마커를 이용하여 Saltol QTL 영역 을 RM23(10.7Mb)-RM140(12.2Mb)로 더욱 세밀하게 mapping 하였으며, 유묘기에 Na+/K+의 흡수율 및 항상성을 조절하는 것을 확인하였다(Bonilla et al., 2002;Niones, 2004). 이후 Saltol QTL의 영역에서 Nona Bokra와 Koshihikari의 근동질계 통 Near Isogenic Line(NIL) 집단을 이용하여 SKC1(OsHKT1;5) 유전자가 fine-mapping 되었고(Ren et al., 2005), 이 유전자 는 Na+/K+의 항상성을 조절하는 수송유전자로 염 스트레스 하 에서 활성화되는 것으로 알려졌다(Thomson et al., 2010;Kobayashi et al., 2017).
현재까지 Pokkali 등 인디카 land race를 기반으로 여러 종 류의 저항성 계통들이 Marker-assisted selection(MAS)를 이용 해 육성되어 재배벼(ADT45, CR1009, Gayatri, MTU1010, PR114, Pusa44, Sarjoo52)에 도입되었고, 실제 미얀마, 인도 등 염으로 인한 피해가 심각한 지역에 효과적으로 재배되고 있으나 내염성 유전자가 자포니카 벼로 도입된 품종은 거의 없는 상태이다.
본 연구에서는 대표적인 내염성 유전자원인 Pokkali와 Saltol Sin Thwe Latt(Saltol STL)을이용하여 자포니카 벼로의 내염성 유전자의 도입(Saltol QTL)을 위하여 수행되었다. 자포 니카와 인디카 벼의 원연교배시 동반되는 열악형질의 최소화 를 위한 초정밀 분자표지의 개발을 위해 Saltol QTL 분자마 커의 이용을 검토하였다.
재료 및 방법
식물 재료
내염성 집단 육성을 위하여 2017년 동계 온실에서 내병성 고품질 우량계통 ‘HR28867(익산517호/(Hitomebore/HR26234- 15-1))’과 고품질 복합내병성 조생종벼인 ‘조평’을 모본으로, 내 염성 품종 ‘Pokkali’와 ‘Saltol STL’을 부본으로 하여 각각 인 공 교배를 수행하였다. 2018년 전북 완주군에 소재한 국립식 량과학원 포장에 F1 식물체를 양성하여 F2 종자를 확보하였다. 2019년 시험 포장에 F2 집단을 전개하여 안정적으로 출수하 고, 초형이 모본과 유사한, ‘HR28867/Pokkali’ 조합에서 193 개체를 ‘조평/Saltol STL’ 조합에서 104 개체를 선발하였 다. 선발한 계통에 대하여 모부본 및 대조품종(저항성: FL478 및 청호, 감수성: 전주623호)과 함께 동계 온실에서 유묘 내염 성 검정을 실시하였다(Fig. 1).
유묘 내염성 검정을 통한 유망계통의 선발
유묘 내염성 검정은 온실에서 수행되었다(동계; 25/21°C 주 /야, 하계; 27/25°C 주/야). 포장에서 선발된 개체의 내염성 정 도를 확인하기 위하여 1차 내염성 검정을 통하여 내염성 개체 를 선발하고 1차 내염성 검정에서 내염성이 강하다고 판단되 는 개체는 2차 정밀 유묘 내염성 검정을 통하여 내염성을 다 시 확인하였다.
1차 유묘 내염성 검정은 수도용 플라스틱 파종 상자(72공, 12 × 6)에 3.5 cm 정도의 수도용 상토를 채운 후 이틀간 최아 시킨 20개의 종자를 2개의 구멍에 각 10립씩 파종한 후 1 cm 의 두께로 복토하여 각 계통 당 3반복으로 수행하였다. 파종 후 2~3엽기가 되도록 8일간 건강하게 육묘 후, 철제 탱크 (2 × 1 × 0.3m; W × L ×H)에 표토에서 1 cm가 되도록 염수를 채워 전처리(0.35%, 4일)를 수행하였으며, 이후 본처리(0.7%, 10일)를 실시하였다. 1차 유묘 내염성 검정은 총 2회에 걸쳐 진행하였다.
2차 정밀 유묘 내염성 검정은 1차 유묘 내염성 검정을 통하 여 선발된 계통을 대상으로 실시하였다. 플라스틱 포트 (16.5 × 8 × 7.5 cm; W×L ×H)에 500 ml의 수도용 상토를 채 운 뒤, 2일간 최아시킨 선발 계통과 감수성 계통 전주623호를 2열로 총 8립씩 1.5 cm 간격으로 파종하여 1 cm 정도 상토로 복토하였다. 플라스틱 포트는 플라스틱 박스(48 × 38 × 10 cm; W×L×H)에 10개씩 배치하여 2~3엽기가 되도록 육묘하였다. 육묘 후 플라스틱 박스는 철제 탱크(2×1×0.3m; W× L×H) 에 넣어, 표토에서 1 cm가 되도록 염수를 채워 전처리(0.35%, 4일)를 수행하였으며, 이후 본처리(0.7%, 20일)를 실시하였다. 내염성 검정 기간 동안 매일 플라스틱 포트를 이동시켜 위치 효과를 최소화하였다. 2차 유묘 내염성 검정은 총 3회에 걸쳐 진행하였다.
1차, 2차 유묘 내염성 검정 기간 동안 전기전도계(TOA Electronics Ltd, CM-31P, Japan)를 이용하여 매일 염수 농도 를 측정하였으며, 3일에 한번씩 새로운 염수를 교체하였다. 내 염성 판정은 염처리 종료 후 자포니카 감수성 계통 전주623 호가 고사하는 시점에서 IRRI의 표준조사기준표를 기준으로 엽색 고사 정도에 따라 1~9로 달관 평가하였다(Table 1).
Saltol QTL 분자표지 평가를 위한 유전자형 분석
Saltol QTL의 이입 여부를 판단하기 위하여 기존에 보고된 19개의 Saltol QTL 분자표지를 선정하였다(Fig. 2, Table 2)(Thomson et al., 2010). 유전자형 분석을 위한 DNA의 추 출은 파종 후 약 8일에 각 계통의 잎을 채취하여 DNeasy Plant Mini Kit(QIAGEN, Germany)를 이용하였다. 각각의 모 부본간 다형성을 나타내는 분자표지를 이용하여 내염성으로 선발된 계통의 PCR 검정을 실시하였다. PCR 반응은 Inclone Taq DNA polymerase(Inclone IN5001-0500)를 이용하여 수 행하였으며 25 ng의 DNA template, 각 10 μM의 Forward 및 Reverse Primer, KCI 50 mM, MgCl2 1.5 mM, 그리고 0.5U의 Taq polymerase로 총 20 μl의 PCR solution으로 실 시하였다. GeneTouch(BIOER, China)를 사용하여, 95°C에서 3분간 초기 반응 후, 94°C에서 30초, 55°C에서 30초, 72°C에 서 30초로 총 30 cycle 반복하였으며, 이를 72°C에서 5분간 유지하였다. 증폭된 PCR 산물은 모세관전기영동기인 ZAG DNA Analyzer(Agilent, USA)를 이용하여 확인하였다.
결과 및 고찰
내염성 유망계통 선발
1차 내염성 검정을 통하여 ‘HR28867/Pokkali’ 조합과 ‘조평 /Saltol STL’의 조합에서 내염성 정도가 ‘중강(5)’ 이상을 나타 낸 102계통(‘HR28867/Pokkali’; 79계통, ‘조평/Saltol STL’; 23계통)을 선발하였다. 1차 선발된 102계통 가운데 2차례 반 복 검정을 통하여 내성 발현이 안정적인 25개의 계통을 최종 적으로 확정하였다(‘HR28867/Pokkali’; 18계통, ‘조평/Saltol STL’; 7계통).
1차 유묘 내염성 검정을 통해 선발된 25계통 및 내염성 대 조품종을 이용하여 정밀 유묘 내염성 검정을 실시하였다. 내 염성 Donor인 ‘Pokkali’와 ‘Saltol STL’은 각각 ‘매우강(1)’ 과 ‘강(3)’으로 강한 내염성 반응을 나타내었으나 ‘HR28867’ 과 ‘조평’은 내성을 없는 것으로 평가되었다. 대조품종의 내염 성 검정 결과 ‘FL478’은 ‘강(3)’, ‘청호’는 ‘약(7)’, ‘전주623호 ’는 ‘매우약(9)’으로 나타났다(Fig. 3, Table 3). 1차 유묘 내염 성 검정을 통해 선발된 25계통에 대한 정밀 유묘 내염성 검정 결과, ‘HR28867/Pokkali’ 조합에서 ‘강(3)’은 6계통, ‘중강(5)’ 은 7계통 그리고 5계통은 ‘매우약(9)’으로 나타났으며 ‘조평/ Saltol STL’ 조합에서는 2계통이 ‘강(3)’, 5계통이 ‘매우약(9)’ 을 나타냈다(Fig. 4, Table 3).
정밀 유묘 내염성 검정결과는 1차 유묘 내염성 검정 결과와 다소 차이가 났었는데, 1차 내염성 검정에서 내염성이 ‘중강 (5)’ 이상으로 평가된 계통의 약 40% 정도가 정밀 유묘 내염 성 검정 결과 ‘매우약(9)’으로 확인되었다. 이는 1차 내염성 검정은 대량 평가를 위하여 식물체의 위치가 고정된 파종상자 를 이용하기 때문에 파종상자내의 위치효과 등에 의하여 염수 처리 정도의 차이가 발생할 수 있고 판에서 미세 환경의 요인 에 의해 검정에 오차가 발생한 것으로 예상된다(Gomez, 1972).
내염성 검정은 주변의 다양한 환경적 요인에 크게 영향을 받는다(Lee, 1995;Senadhira et al., 2002;Shakiba et al., 2017;Zhao et al., 2017). 같은 염 농도라도 온도, 습도, 일 조시간, 일사량 등에 따라 식물체의 증산에 영향을 미쳐 식물 체가 흡수하는 Na+의 양이 차이가 나기때문이다. 따라서 내염 성 검정에서는 일정한 환경의 유지가 매우 중요하며, 반복실 험을 통한 신뢰할 만한 결과의 확보가 필요하다.
본 연구는 2차례에 걸친 1차 유묘 내염성 검정을 통하여 내염성이 ‘중강’ 이상인 25개의 유망 계통을 선발하였으며, 이 를 이용하여 3차례에 걸친 2차 정밀 유묘 내염성 검정을 수행 하여 내염성이 ‘중강’ 이상인 15개의 계통을 최종 선발하였다 (Table 3). 1차 유묘 내염성 검정시 반복간의 차이로 인해 내 염성 판정에 다소 어려움이 있었으나, 정밀 유묘 내염성 검정 은 시험 기간 동안 주기적으로 포트를 이동하여 염 스트레스 이외의 외부 환경적 스트레스 및 위치 효과를 최소화하여 반 복시험 결과 안정적인 표현형 검정이 가능하였다.
Saltol QTL 분자표지 평가
내염성 분자표지 평가를 위해 19개의 분자표지를 이용하여 양친의 다형성 검정 결과 ‘HR28867/Pokkali’ 조합에서 13개, ‘조평/Saltol STL’ 조합에서는 11개 분자표지에서 다형성을 나 타냈다(Table 2). 각 조합에서 다형성 나타낸 분자표지를 유묘 기 내염성으로 선발된 25계통(‘HR28867/Pokkali’; 18계통, ‘조 평/Saltol STL’; 7계통)과 대조품종(‘FL478’, ‘청호’, ‘전주623 호’)의 PCR 분석을 수행하여 각 계통의 유전자형과 표현형 간의 일치 정도를 분석하였다. 분자표지를 이용하여 내염성 유 무를 용이하게 평가하기 위하여 2차 유묘 내염성 검정을 통해 선발된 15 계통 뿐만 아니라, 감수성으로 확인된 10 계통도 분자표지 평가에 이용하였다.
선발 계통의 분자표지 검정을 통한 유전자형과 유묘 내염성 평가를 통한 표현형의 결과를 비교 분석하여 ‘HR28867/ Pokkali’의 조합에서 내염성 정도를 구분할 수 있는 ‘SKC1’ 등 5개의 분자표지를 선발하였다(Table 2, Fig. 5). 유묘 내염 성 검정을 통해 ‘HR28867/Pokkali’의 18계통 중 13계통의 표 현형이 ‘중강(5)’ 이상으로 평가되었는데, 선발된 5개 분자표 지에 대하여 유전자형 검정 결과 이들 계통은 ‘Pokkali’의 대 립인자를 보유하는 것으로 나타났다. 나머지 5계통은 ‘매우약 (9)’을 평가되었는데, ‘HR28867’의 대립인자를 보유하는 것으 로 나타났다.
‘조평/Saltol STL’의 조합에서는 ‘SKC1’ 등 총 4개의 분자표 지를 선발하였으며, 분자표지 검정 결과 유묘기 내염성이 ‘중 강(5)’ 이상으로 선발된 HR33784-98, HR33784-478 2계통은 모두 Saltol STL의 대립인자를 보유하였으며, 매우약(9)으로 나타난 HR33784-9 등 5계통은 조평의 대립인자를 보유하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 선발된 분자표지를 사용하여 유 묘기 내염성에 대한 MAS 결과, 유묘기 내염성에서 ‘중강(5)’ 이상의 표현형을 나타내는 개체의 선발이 가능하였다. 하지만 선발된 분자표지는 물리적 위치가 11.4~15.1Mb로 그 영역이 다소 넓고 본 연구에 사용된 계통 가운데 Saltol QTL 영역에 서 재조합이 발생한 개체가 없어 내염성 분자표지 정밀화에는 한계가 있었다. 추후 여교배를 통해 육성된 추가 분리 집단을 이용하여 내염성 유전자를 동정하고, 자포니카 벼의 유전적 배 경에 Saltol QTL을 이전하는데 동반되는 열악형질 제거에 효 율성을 높일 수 있는 선발 분자표지의 정밀화가 필요하다.
벼는 유묘기와 수잉기 단계에서의 내염성은 서로 다른 메커 니즘으로 인한 것으로 보고되고 있는데(Gregorio et al., 1997;Moradi et al., 2003;Jena et al., 2008;Vinod et al., 2013), 유묘기의 안정적인 내염성 확보는 초기 생장을 촉진하 여 벼의 수량을 유지시킬 수 있는 것으로 알려져 있다(Li and Xu 2007;Hoang et al., 2016). 따라서 유묘기 내염성 개선은 간척지 등 염토양에서 안정적인 수량을 유지하는 좋 은 방법일 것이다.
본 연구에서는 반복적인 유묘 내염성 검정을 통하여 선발된 계통을 이용하여, 기존에 보고된 Saltol QTL 마커의 평가를 수행하였다. 현재 자포니카 벼로의 내염성 Saltol QTL 이전에 효율을 높일 초정밀 분자표지의 개발을 위하여 근동질계통 (NIL) 집단이 육성되고 있다. 향후 내염성 계통에 대한 작물 학적 특성 및 성묘기 내염성 검정 등 추가 연구를 수행할 계 획이다. 이를 통해 내염성을 가진 자포니카 배경의 중간모본 을 육성할 수 있을 것으로 기대되며, 간척지의 토지 이용 효 율 증대에 도움이 될 것이다.
적 요
우리나라는 벼 재배를 위한 관개 시설이 비교적 잘 확보되 어 염에 의한 피해가 적으나, 간척지를 비롯한 염 토양에서는 복합적 요인에 의해 벼 생육이 저해되므로 내염성 벼의 개발 이 필요하다.
본 연구는 자포니카 벼로의 내염성 유전자 도입시 동반되는 열악형질을 최소화하기 위한 초정밀 분자표지 개발을 위해 기 존에 보고된, Saltol QTL 분자표지의 이용 가능성을 검토하였 다. 본 연구의 결과를 통해 1. 유묘 내염성 반복실험 및 정밀 검정을 통해 내염성이 안정적인 계통을 선발하였다. 2. HR28867/Pokkali와 조평/Saltol STL의 조합에서 SKC1 등 4 개(SKC1, RM10748, RM10793, RM7075)의 분자표지가 표현 형과 유전자형이 일치하였으며, 분자표지 Pect4는 HR28867/ Pokkali의 조합에서만 일치하는 것으로 확인되었다.
본 연구의 결과는 자포니카 벼로의 내염성 유전자 도입에 필요한 초정밀 분자표지 개발의 기초 자료로 이용될 것이며, 향후 내염성 벼 육성을 통한 간척지 토지 이용 효율을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.