J Plant Biotechnol 2021; 48(1): 18-25
Published online March 31, 2021
https://doi.org/10.5010/JPB.2021.48.1.018
© The Korean Society of Plant Biotechnology
박태호
대구대학교 원예학과
Correspondence to : e-mail: thzoo@daegu.ac.kr
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Solanum demissum is one of the wild Solanum species originating from Mexico. It has wildly been used for potato breeding due to its resistance to Phytophthora infestans. S. demissum has an EBN value of four, which is same as that of S. tuberosum, so that it is directly crossable for breeding purposes with the cultivated tetraploid potato (S. tuberosum). In this study, the chloroplast genome sequence of S. demissum obtained by next-generation sequencing technology was described and compared with those of seven other Solanum species to develop S. demissum-specific markers. Thetotal sequence length of the chloroplast genome is 155,558 bp, and its structural organization is similar to those of other Solanum species. Phylogenetic analysis with ten other Solanaceae species revealed that S. demissum is most closely grouped with S. hougasii and S. stoloniferum followed by S. berthaultii and S. tuberosum. Additional comparison of the chloroplast genome sequence with those of seven other Solanum species revealed two InDels specific to S. demissum. Based on these InDels, two PCR-based markers for discriminating S. demissum from other Solanum species were developed. The results obtained in this study will provide an opportunity to investigate more detailed evolutionary and breeding aspects in Solanum species.
Keywords cpDNA, InDels, PCR-based marker, Potato, Solanum demissum
웅성불임이나 광합성 등과 같은 특별한 기능을 하는 유전자들로 구성되어 있는 cpDNA 및 mtDNA와 같은 세포질 유전체는 이들만의 특이한 유전체 구성을 가지고 있으며(Jheng et al. 2012; Ruiz and Daniell 2005), 감자 cpDNA의 경우 A, C, S, T, W 등 다섯 가지의 타입을 가지고 있으며, 대부분 재배종 감자의 경우 T 타입의 cpDNA와 함께 β 타입의 mtDNA를 가지고 있는 것으로 알려져 있다(Hosaka 2002; Hosaka and Hanneman 1988; Hosaka and Sanetome 2012). 또한, 보고된 감자와 감자 야생종 cpDNA의 유전적 구성 및 구조와 크기 등은 다른 식물들과 유사하게 한 쌍의 IR (Inverted Repeat)과 LSC (Large Single Copy) 및 SSC (Small Single Copy) 영역으로 4분할 되어 있으며, 대부분의 cpDNA는 다양한 단백질, rRNA, tRNA로 코딩되는 130여개 유전자로 구성되어 매우 유사한 것으로 알려져 있다(Palmer 1991; Raubeson and Jansen 2005; Saski et al. 2005; Sugiura et al. 1998; Yurina and Odintosova 1998). 하지만, 여전히 많은 식물종 간에는 cpDNA에서의 유전자 역위 및 재배치 등에 따른 SNP나 InDel과 같은 다형성이 나타나 이러한 정보를 통해 종 특이적 분자마커 개발이 가능하여 그 연구의 필요성이 여전히 존재하고 있다(Calsa Junior et al. 2004; Cho et al. 2015; Jheng et al. 2012; Kim et al. 2015; Kim and Park 2019, 2020a, 2020b; Saski et al. 2005).
이에 본 연구에서는 앞서 Cho et al. (2019)에 의해 간략히 보고된 바 있는
모든 식물 재료는 기내 또는 온실에서 관리 및 유지되었으며, Genomic DNA Extraction kit (Plants) (RBC, New Taipei City, Taiwan)를 이용하여 약 100mg의 잎을 채취하여 DNA를 분리하였다.
PCR 기반의
8종의 cpDNA 전체 염기서열을 대상으로 한 다중 정렬의 결과로 구명된
NGS (Next-Generation Sequencing) 기술에 의해 완성된
Table 1 Results of comparative analysis of the chloroplast genome sequence of
Species | Accession no. | Total Length (bp) | GC content (%) | Total No. of genes | No. of tRNA | No. of rRNA | Reference |
---|---|---|---|---|---|---|---|
MK036508 | 155,558 | 37.87 | 135 | 36 | 4 | In this study | |
MF471372 | 155,549 | 37.87 | 135 | 36 | 4 | Kim and Park (2020b) | |
MF471373 | 155,567 | 37.87 | 135 | 36 | 4 | Kim and Park (2020a) | |
MF471371 | 155,532 | 37.89 | 136 | 36 | 4 | Kim and Park (2019) | |
KY419708 | 155,533 | 37.88 | 137 | 39 | 4 | Kim et al. (2018) | |
KM489054 | 155,525 | 37.88 | 133 | 33 | 4 | Cho et al. (2016) | |
KM489055 | 155,432 | 37.90 | 139 | 39 | 4 | Cho and Park (2016) | |
KM489056 | 155,312 | 37.88 | 130 | 30 | 4 | Cho et al. (2016) | |
DQ347958 | 155,371 | 37.88 | 133 | 30 | 4 | Daniell et al. (2006) | |
NC008096 | 155,296 | 37.88 | 131 | 36 | 4 | Gargano et al. (2005) |
*The data have been partially adopted from Kim and Park (2020a, 2020b).
분자마커의 개발은 다중 정열의 결과로 얻은 2개의 InDel을 대상으로 진행하였다. 이들 특이적 InDel은 전체 cpDNA 영역 중 비코딩영역에 분포하고 있었다 (Cho and Park 2016; Chung et al. 2006; Kim and Park 2019). InDel 영역을 대상으로 프라이머를 디자인하여 PCR을 할 경우 분자마커의 다형성에 의해 효과적으로 식물종을 구별할 수 분자마커를 개발하여 적용되고 있다(Cho et al. 2015; Garcia-Lor et al. 2013; Yamaki et al. 2013). 본 연구에서는 앞서 언급된 비코딩영역(
Table 2 Primers used to generate
Marker name | Region | Sa | Primer sequence | Size (bp)b |
---|---|---|---|---|
SD_InDel_1 | F | CGATTATAAATCATATACATATA | 956 | |
R | TCTATTGAGAGAATCAAATC | |||
SD_InDel_2 | F | AGCAGATGAAATAGAAGGC | 1,121 | |
R | TCTGTCATTACGTGCGAC |
aF and R indicate forward and reverse strands of primers, respectively.
bThe expected sizes of PCR fragments are measured based on the sequence of
엽록체 전장유전체를 통해 얻은 정보는 감자의 다양한 야생종들의 진화적인 측면에서의 연구에 활용될 수 있을 뿐 만 아니라 본 연구의 결과와 같이 감자의 야생종을 활용한 신품종 육성과정에서 그 정보를 활용하여 분자마커를 개발하는데 활용될 수 있다(Bohs and Olmstead 1997; Hosaka and Sanetomo 2012). 특히, 육종적 측면에서는
멕시코로부터 유래한
J Plant Biotechnol 2021; 48(1): 18-25
Published online March 31, 2021 https://doi.org/10.5010/JPB.2021.48.1.018
Copyright © The Korean Society of Plant Biotechnology.
박태호
대구대학교 원예학과
Tae-Ho Park
Department of Horticulture, Daegu University, Gyeongsan 38453, South Korea
Correspondence to:e-mail: thzoo@daegu.ac.kr
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Solanum demissum is one of the wild Solanum species originating from Mexico. It has wildly been used for potato breeding due to its resistance to Phytophthora infestans. S. demissum has an EBN value of four, which is same as that of S. tuberosum, so that it is directly crossable for breeding purposes with the cultivated tetraploid potato (S. tuberosum). In this study, the chloroplast genome sequence of S. demissum obtained by next-generation sequencing technology was described and compared with those of seven other Solanum species to develop S. demissum-specific markers. Thetotal sequence length of the chloroplast genome is 155,558 bp, and its structural organization is similar to those of other Solanum species. Phylogenetic analysis with ten other Solanaceae species revealed that S. demissum is most closely grouped with S. hougasii and S. stoloniferum followed by S. berthaultii and S. tuberosum. Additional comparison of the chloroplast genome sequence with those of seven other Solanum species revealed two InDels specific to S. demissum. Based on these InDels, two PCR-based markers for discriminating S. demissum from other Solanum species were developed. The results obtained in this study will provide an opportunity to investigate more detailed evolutionary and breeding aspects in Solanum species.
Keywords: cpDNA, InDels, PCR-based marker, Potato, Solanum demissum
웅성불임이나 광합성 등과 같은 특별한 기능을 하는 유전자들로 구성되어 있는 cpDNA 및 mtDNA와 같은 세포질 유전체는 이들만의 특이한 유전체 구성을 가지고 있으며(Jheng et al. 2012; Ruiz and Daniell 2005), 감자 cpDNA의 경우 A, C, S, T, W 등 다섯 가지의 타입을 가지고 있으며, 대부분 재배종 감자의 경우 T 타입의 cpDNA와 함께 β 타입의 mtDNA를 가지고 있는 것으로 알려져 있다(Hosaka 2002; Hosaka and Hanneman 1988; Hosaka and Sanetome 2012). 또한, 보고된 감자와 감자 야생종 cpDNA의 유전적 구성 및 구조와 크기 등은 다른 식물들과 유사하게 한 쌍의 IR (Inverted Repeat)과 LSC (Large Single Copy) 및 SSC (Small Single Copy) 영역으로 4분할 되어 있으며, 대부분의 cpDNA는 다양한 단백질, rRNA, tRNA로 코딩되는 130여개 유전자로 구성되어 매우 유사한 것으로 알려져 있다(Palmer 1991; Raubeson and Jansen 2005; Saski et al. 2005; Sugiura et al. 1998; Yurina and Odintosova 1998). 하지만, 여전히 많은 식물종 간에는 cpDNA에서의 유전자 역위 및 재배치 등에 따른 SNP나 InDel과 같은 다형성이 나타나 이러한 정보를 통해 종 특이적 분자마커 개발이 가능하여 그 연구의 필요성이 여전히 존재하고 있다(Calsa Junior et al. 2004; Cho et al. 2015; Jheng et al. 2012; Kim et al. 2015; Kim and Park 2019, 2020a, 2020b; Saski et al. 2005).
이에 본 연구에서는 앞서 Cho et al. (2019)에 의해 간략히 보고된 바 있는
모든 식물 재료는 기내 또는 온실에서 관리 및 유지되었으며, Genomic DNA Extraction kit (Plants) (RBC, New Taipei City, Taiwan)를 이용하여 약 100mg의 잎을 채취하여 DNA를 분리하였다.
PCR 기반의
8종의 cpDNA 전체 염기서열을 대상으로 한 다중 정렬의 결과로 구명된
NGS (Next-Generation Sequencing) 기술에 의해 완성된
Table 1 . Results of comparative analysis of the chloroplast genome sequence of
Species | Accession no. | Total Length (bp) | GC content (%) | Total No. of genes | No. of tRNA | No. of rRNA | Reference |
---|---|---|---|---|---|---|---|
MK036508 | 155,558 | 37.87 | 135 | 36 | 4 | In this study | |
MF471372 | 155,549 | 37.87 | 135 | 36 | 4 | Kim and Park (2020b) | |
MF471373 | 155,567 | 37.87 | 135 | 36 | 4 | Kim and Park (2020a) | |
MF471371 | 155,532 | 37.89 | 136 | 36 | 4 | Kim and Park (2019) | |
KY419708 | 155,533 | 37.88 | 137 | 39 | 4 | Kim et al. (2018) | |
KM489054 | 155,525 | 37.88 | 133 | 33 | 4 | Cho et al. (2016) | |
KM489055 | 155,432 | 37.90 | 139 | 39 | 4 | Cho and Park (2016) | |
KM489056 | 155,312 | 37.88 | 130 | 30 | 4 | Cho et al. (2016) | |
DQ347958 | 155,371 | 37.88 | 133 | 30 | 4 | Daniell et al. (2006) | |
NC008096 | 155,296 | 37.88 | 131 | 36 | 4 | Gargano et al. (2005) |
*The data have been partially adopted from Kim and Park (2020a, 2020b)..
분자마커의 개발은 다중 정열의 결과로 얻은 2개의 InDel을 대상으로 진행하였다. 이들 특이적 InDel은 전체 cpDNA 영역 중 비코딩영역에 분포하고 있었다 (Cho and Park 2016; Chung et al. 2006; Kim and Park 2019). InDel 영역을 대상으로 프라이머를 디자인하여 PCR을 할 경우 분자마커의 다형성에 의해 효과적으로 식물종을 구별할 수 분자마커를 개발하여 적용되고 있다(Cho et al. 2015; Garcia-Lor et al. 2013; Yamaki et al. 2013). 본 연구에서는 앞서 언급된 비코딩영역(
Table 2 . Primers used to generate
Marker name | Region | Sa | Primer sequence | Size (bp)b |
---|---|---|---|---|
SD_InDel_1 | F | CGATTATAAATCATATACATATA | 956 | |
R | TCTATTGAGAGAATCAAATC | |||
SD_InDel_2 | F | AGCAGATGAAATAGAAGGC | 1,121 | |
R | TCTGTCATTACGTGCGAC |
aF and R indicate forward and reverse strands of primers, respectively..
bThe expected sizes of PCR fragments are measured based on the sequence of
엽록체 전장유전체를 통해 얻은 정보는 감자의 다양한 야생종들의 진화적인 측면에서의 연구에 활용될 수 있을 뿐 만 아니라 본 연구의 결과와 같이 감자의 야생종을 활용한 신품종 육성과정에서 그 정보를 활용하여 분자마커를 개발하는데 활용될 수 있다(Bohs and Olmstead 1997; Hosaka and Sanetomo 2012). 특히, 육종적 측면에서는
멕시코로부터 유래한
이 연구는 2020학년도 대구대학교 연구년 결과물로 제출됨.
Table 1 . Results of comparative analysis of the chloroplast genome sequence of
Species | Accession no. | Total Length (bp) | GC content (%) | Total No. of genes | No. of tRNA | No. of rRNA | Reference |
---|---|---|---|---|---|---|---|
MK036508 | 155,558 | 37.87 | 135 | 36 | 4 | In this study | |
MF471372 | 155,549 | 37.87 | 135 | 36 | 4 | Kim and Park (2020b) | |
MF471373 | 155,567 | 37.87 | 135 | 36 | 4 | Kim and Park (2020a) | |
MF471371 | 155,532 | 37.89 | 136 | 36 | 4 | Kim and Park (2019) | |
KY419708 | 155,533 | 37.88 | 137 | 39 | 4 | Kim et al. (2018) | |
KM489054 | 155,525 | 37.88 | 133 | 33 | 4 | Cho et al. (2016) | |
KM489055 | 155,432 | 37.90 | 139 | 39 | 4 | Cho and Park (2016) | |
KM489056 | 155,312 | 37.88 | 130 | 30 | 4 | Cho et al. (2016) | |
DQ347958 | 155,371 | 37.88 | 133 | 30 | 4 | Daniell et al. (2006) | |
NC008096 | 155,296 | 37.88 | 131 | 36 | 4 | Gargano et al. (2005) |
*The data have been partially adopted from Kim and Park (2020a, 2020b)..
Table 2 . Primers used to generate
Marker name | Region | Sa | Primer sequence | Size (bp)b |
---|---|---|---|---|
SD_InDel_1 | F | CGATTATAAATCATATACATATA | 956 | |
R | TCTATTGAGAGAATCAAATC | |||
SD_InDel_2 | F | AGCAGATGAAATAGAAGGC | 1,121 | |
R | TCTGTCATTACGTGCGAC |
aF and R indicate forward and reverse strands of primers, respectively..
bThe expected sizes of PCR fragments are measured based on the sequence of
Ju-Ryeon Jo ・Tae-Ho Park
J Plant Biotechnol 2024; 51(1): 158-166Seoyeon Son ・Tae-Ho Park
J Plant Biotechnol 2024; 51(1): 121-128Tae-Ho Park
J Plant Biotechnol 2023; 50(1): 34-44
Journal of
Plant Biotechnology