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J Plant Biotechnol 2016; 43(4): 466-472

Published online December 31, 2016

https://doi.org/10.5010/JPB.2016.43.4.466

© The Korean Society of Plant Biotechnology

SSR 마커를 이용한 배 유전자원의 유연관계

천재안, 조강희, 김세희, 이한찬, 최인명, 박서준*

농촌진흥청 국립원예특작과학원 과수과

Received: 19 October 2016; Revised: 14 November 2016; Accepted: 14 November 2016

Genetic relationships of pear germplasms using simple sequence repeat marker

Jae An Chun, Kang Hee Cho, Se Hee Kim, Han-Chan Lee, In Myong Choi, and Seo Jun Park*

Fruit Research Division, National Institute of Horticultural & Herbal Science, Rural Development Administration, Wanju 55365, Korea

Correspondence to : e-mail: grapepark@korea.kr

Received: 19 October 2016; Revised: 14 November 2016; Accepted: 14 November 2016

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.

This study analyzed the genetic diversity of 115 pear germplasms using 15 SSR markers. Three to forty-one SSR alleles were detected for each locus with an average of 16 alleles per locus. The average availability of markers was 0.966. The average observed heterozygosity (Hobs) was 0.603 (range: 0.140 to 0.929). The average expected heterozygosity (Hexp) was 0.718 (range: 0.463 to 0.904). The average polymorphism information content (PIC) was 0.692 (range: 0.403 to 0.897). The genetic relationships of pear germplasms were classified into two major groups by geographic origins and genetic characteristics according to genetic distance. The first group was composed of European pear belonging to Pyrus communis. The second group consisted of P. pyrifolia, P. ussuriensis, P. bretschneideri, P. betulaefolia, P. calleryana, interspecific hybrids, and unclear germplasms. The results of this study suggest that genotype analysis of pear germplasms using SSR markers can identify the genetic diversity of germplasms, and can be used to provide basic information for pear breeding.

Keywords Pyrus, SSR marker, Genetic diversity, Germplasms

배(Pyrus spp.)는 2000년 전부터 재배되어 온 주요 온대 과수로서 남방형 동양배(P. pyrifolia Nakai)와 북방형 동양배(P. bretschneider Rehd., P. ussuriensis Maxim.) 그리고 유럽과 미국에서 재배되고 있는 서양배(P. communis L.)로 구분된다(Bell 1990). 배는 현재 22종이 분류되었으며, 상업적으로 중요한 일부만이 50개 이상의 나라에서 재배되고 있다(Bell et al. 1996). 배는 자가불화합성으로 오랜 기간 진화를 거쳐 유전적 다양성을 가지게 되었다. 따라서 유전적 다양성을 가지는 배 유전자원을 분류하기 위해 형태학적 특징과 생리학적 특징 및 동질효소 분석이 이용되었으나, 환경 조건에 의한 영향, 종간 차이를 나타내는 형태학적 다양성 부족, 널리 퍼져있는 교잡으로 인해 많은 한계를 가지고 있었다(Yamamoto et al. 2002a). 이러한 한계를 극복하기 위해 DNA를 바탕으로 하는 restriction fragment length polymorphisms (RFLPs), amplified fragment length polymorphisms (AFLPs), random amplified polymorphic DNA (RAPD), simple sequence repeats (SSRs) 등의 분자 마커가 개발되었으며, 유전자원의 유전적 다양성 분석과 품종 구분에 이용되어져 왔다(Powell et al. 1996; Phillips and Vasil 2001). 이 중 SSR 마커는 많은 수의 마커와 높은 다형성으로 인해 동물과 식물에서 유전자 표지로서 사용되어 왔으며(Weber and May 1989), PCR 방법을 이용하기 때문에 적은 양의 DNA만으로도 분석이 가능한 장점을 가지고 있다(Kimura et al. 2002). 또한 다른 분자 마커와 비교하여 높은 재현성과 게놈에서의 위치 특이적 및 유전자 좌에 대한 다중대립유전자 등의 특징을 가지고 있어 작물의 유전적 다양성 및 계통의 유연관계를 분석하기에 유리하며, DNA fingerprinting 등에 활용되고 있다(Kimura et al. 2002). SSR 분석은 사과(Hokanson et al. 2001), 복숭아(Dirlewanger et al. 2002), 포도(Emanuelli et al. 2013), 감귤(Barkley et al. 2006) 등 다양한 과수에서 유전

적 다양성, 계통유연관계, 집단구조 분석을 위해 사용되어 왔으며, 유전자원의 수집 및 보존과 품종 판별에 활용되고 있다.

SSR 마커를 이용한 배의 연구동향을 살펴보면 유럽배의 경우 10개의 SSR 마커를 이용한 유전자원 94점의 유전적 다양성 분석(Sehic et al. 2012)과 동양배에서 9개의 SSR 마커를 이용한 유전자원 60점에 대한 유전적 다양성 분석(Kimura et al. 2002) 그리고 8개의 SSR 마커를 이용한 북방형 동양배 72점에 대한 유전적 다양성 분석(Cao et al. 2012) 등 다양한 연구 결과가 보고되었다. 또한 Yamamoto 등 (2001)은 배에서 개발되어진 SSR 마커 뿐만 아니라, 사과에서 개발된 SSR 마커를 이용해 P. pyrifolia, P. bretschneider, P. ussuriensis, P. communis. P. calleryana Decne의 기본종 5종과 교잡종의 유전적 유연관계를 분석하여 동일한 종 또는 속에 속하는 작물에서 개발된 SSR 마커가 이용될 수 있음을 보고하였다. 하지만 선행된 연구만으로 수집된 배 유전자원의 유전적 관계를 추정하기에는 한계를 가지고 있으며, 특히 국내 육성품종과 국내에서 수집한 재래종에 대한 유전적 유연관계 분석은 미비한 실정이다.

본 연구에서는 SSR 마커를 이용하여 국내외에서 수집된 배 유전자원 115점의 유전적 다양성을 분석하여 유전자원을 이용한 육종의 기초 자료로 활용하고자 수행하였다.

식물 재료 및 DNA 분리

본 연구에 사용한 재료는 농촌진흥청 국립원예특작과학원에서 보존 중인 배 유전자원 115점을 사용하였다(Table 1). 배의 어린 잎을 채취한 후 액체질소를 이용하여 조직을 마쇄하였으며, DNeasy plant mini kit(Qiagen, Germany)를 사용하여 DNA를 분리하였다. 분리된 DNA는 0.7% agarose gel에서 전기영동하여 확인하였으며, Nanodrop spectrophotometer (Thermo Scientific, USA)로 정량하고, 10 ng·μL-1의 농도로 희석하여 PCR 분석에 사용하였다.

Table 1 . Pear accessions used in this study

No.Accession Origin No.Accession Origin 
1CheongseoriKorea59KumoiJapan
2GoesanhwangbaeKorea60KuratsukiJapan
3GongjucheongsilriKorea61LaiyangciliJapan
4Hajinbu 1Korea62MatsushimaJapan
5Heuksung 1-Wonkyo NaKorea63MeigetsuJapan
6Heuksung 2-Wonkyo NaKorea64NamsuiJapan
7Heuksung 3-Wonkyo NaKorea65NiitakaJapan
8Hongcheonnaemyeon 2Korea66NinomiyahakuriJapan
9Hongcheonnaemyeon 3Korea67OkusankichiJapan
10Hongcheonnaemyeonjaun 3 Korea68OushuuJapan
11Hongcheonsambong 3Korea69SagamiJapan
12Injebukmyeonjangsudae 1Korea70SeigyokuJapan
13Injegirinbukmyeon 3Korea71SekaiichiJapan
14Injegiringwidun 1Korea72ShichihoJapan
15Injegiringwidun 3Korea73ShinchuJapan
16Jinbu 1Korea74ShinkoJapan
17Jinbu 2Korea75ShinseiJapan
18Jungsanri 1Korea76ShinseikiJapan
19Jungsanri 2Korea77ShinsetsuJapan
20Jungsanri 3Korea78ShinsuiJapan
21Jungsanri 4Korea79ShinzuJapan
22Kihu 1Korea80ShishuuJapan
23ManpoongbaeKorea81ShugyokuJapan
24MinibaeKorea82ShuureiJapan
25NoksuKorea83ShuusuiJapan
26Pyeongchangbongpyeong 1Korea84SuiseiJapan
27Pyeongchangbongpyeong 2Korea85TaihakuJapan
28SenkenKorea86TaiheiJapan
29ShincheonKorea87TamaJapan
30ShinilKorea88TanzawaJapan
31SuhwangbaeKorea89TH-11Japan
32SuyeongKorea90TH-17Japan
33TaebaekchangjukKorea91TH-7Japan
34YeongmokriKorea92TosanishikiJapan
35AikansuiJapan93WaseakaJapan
36AkiakariJapan94WasehattatsuJapan
37AkibaeJapan95YasatoJapan
38AkizukiJapan96ZuisuuJapan
39AmanogawaJapan97DatouhuangliChina
40AtogoJapan98DongyangriChina
41BackriJapan99GaeryanghongliChina
42ChikusuiJapan100Huangxianchangba China
43ChojuroJapan101ManyuanxiangChina
44DoitsuJapan102QinglongtianChina
45EchigonishikiJapan103Anjou-DwarfUSA
46EriJapan104Bartlett-Max RedUSA
47GionJapan105Beurre DielUSA
48HakataaoJapan106Beurre SuperfinUSA
49HattatsuJapan107MustafabeyUSA
50HokushinJapan108OPR-113USA
51ImamuranatsuJapan109OPR-195USA
52IshiiwaseJapan110OPR-249USA
53KimizukawaseJapan111OPR-264USA
54KinchakuJapan112Passe CrassaneUSA
55KiraseikiJapan113GongryongUnknown
56KisuiJapan114ChousenUnknown
57KosuiJapan115HayatamaUnknown
58KouzouJapan

SSR 분석

배 유전자원 분류에 효과적인 SSR 마커를 선발하기 위하여 ‘신고’, ‘Bartlett’, P. aromatica, P. dimorphophyll의 genomic DNA와 보고된 CH04d02 등 SSR 마커 200종을 사용하여(Liebhard et al. 2002; Nishitani et al. 2009; Silfverberg-Dilworth et al. 2006; Yamamoto et al. 2002b) 15종의 다형성을 가지는 마커를 선발하였다(Table 2).

Table 2 . Characteristics of the 15 polymorphic SSR markers of genetic diversity of pear accessions

Primer NameRepeat motifAnnealing Temp. (°C)Expected product size (bp)No. of alleleNo. of genotypeAvailabilityObserved heterozygosity (Hobs)Expected heterozygosity (Hexp)Polymorphism Information Content (PIC)
AF527800GA55168-19424400.8260.8260.9040.897
CH04d02GA55118-14621540.9830.7350.8860.877
CH04f03GA55175-19118421.0000.5830.7540.742
CH04e05GA55174-22727591.0000.9220.9000.893
CH04g07GA55149-21125521.0000.9300.8610.850
Hi01c11GT55138-26041580.9830.8670.8630.858
Hi02d05GA60153-2057100.9910.1400.4630.424
TsuENH007(CT)16551799180.9830.2740.4840.469
TsuENH012(CT)7.5A(CT)355133360.9300.3080.4670.403
TsuENH017(GA)16601887131.0000.5390.6090.532
TsuENH049(GCA)4551847140.9830.6900.7220.684
TsuENH071(CTTCTT)3551997130.9130.5520.6730.624
TsuENH079(CCA)65519214290.9390.7590.7880.763
TsuENH087(TCC)45519415270.9910.4470.5800.566
TsuENH093(TGC)45515716350.9740.9290.8210.804

Mean16310.9660.6030.7180.692

선발된 SSR 마커는 5’말단에 FAM, VIC, NED, PET 중 한가지로 형광표지를 하였으며, 다형성을 분석하였다. PCR 반응은 게놈 DNA 10 ng, 10 pmol의 형광 primer, 1 unit Taq polymerase (Takara, Japan), 200 μM dNTP, 1× PCR buffer를 첨가하여 총 반응액을 20 μL로 조정하였다. PCR 증폭은 94°C에서 pre-denaturation 2분 후, 94°C에서 denaturation 30초, annealing 30초, 72°C에서 extension 45초 과정을 35회 반복하였다. PCR 산물은 1/10로 희석하여 서로 다른 형광표지를 가지는 시료를 다중(Multiplex)로 혼합하였으며, Hi-Di Formamide (Applied Biosystem, USA)와 size standard 500LIZ를 첨가한 후 94°C에서 변성시켰다. 변성된 multiplex PCR 산물은 Genetic Analyzer 3730XL (Applied Biosystem, USA) 유전자 분석기를 사용하여 유전자형 분석을 수행하였다. 분석된 data는 GeneMapper® software 4.0 (Applied Biosystem, USA)을 이용하여 대립유전자의 크기를 결정하였다.

통계분석

PowerMarker V3.0 (Lui and Muse 2005) 프로그램을 이용하여 대립유전자(allele), 유전자형(genotype), 마커의 이용도(availability), 관측이형접합률(observed heterozygosity, Hobs), 기대이형접합률(expected heterozygosity, Hexp), 다형성정보지수(polymorphism information content, PIC) 값을 계산하였다. PowerMarker V3.0 프로그램을 통해 각 집단의 유전적 거리는 Unweighted pair-group method with arithmetical average (UPGMA) (Sneath and Sokal 1973) 방법을 이용하여 집괴분석하여 덴드로그램을 작성하였으며, 이를 바탕으로 유전적 유연관계를 분석하였다.

SSR genotyping

국내외에서 수집된 유전자원 115점에 대해 15개의 SSR 마커를 이용하여 SSR genotyping을 수행하였으며, 품종 간의 유전적 다양성을 분석하였다. 통계분석 결과 대립유전자 수는 3 ~ 41개였으며, 마커당 평균 16개로 나타났다. 각각의 SSR 마커에 대한 대립유전자수는 Hi01c11에서 28개로 가장 높은 다형성을 보였으며, TsuENH012는 3개로 가장 낮았다.

SSR 마커를 이용한 배 유전자원의 연구결과를 살펴보면, Kimura 등 (2002)은 배 유전자원 60종을 대상으로 9개의 SSR 마커를 이용하여 평균 14.8개의 대립유전자를 확인하였으며, Cao 등 (2012)은 배 유전자원 72점을 대상으로 9개의 SSR 마커를 이용하여 평균 13.5개의 대립유전자를 확인함으로서 본 결과와 유사한 대립유전자 수를 보여주었다. 유전자형의 수는 6 ~ 59로 평균 31개였으며, 마커의 이용도는 평균 0.966으로 높게 나타났으며, 특히 CH04f03, CH04e05, CH04g07 및 TsuENH017은 이용도가 1.0으로 배 유전자원 115점 모두 관찰되었다. 전체 집단의 관측이형 접합률 Hobs는 0.140 ~ 0.929를 가지며, 평균 0.603였으며, 기대이형 접합율 Hexp는 0.463 ~ 0.904으로 평균 0.718로 분석되었다. SSR 마커의 변이에 판별 기준으로 사용하는 다형보정지수인 PIC 값은 0.403~0.897이고, 평균 0.692로 분석되었다(Table 2).

배 유전자원 유연관계 분석

SSR genotyping을 이용하여 배 유전자원 115점의 유전적 유연관계를 분석한 결과, 크게 서양배 그룹과 동양배 그룹으로 구분되었다. 서양배 그룹(I)은 8개의 계통으로 구성되었으며, 동양배 그룹(II)는 105계통의 6개 소그룹(II-1, II-2, II-3, II-4, II-5, II-6)으로 분류되었다.

I그룹은 P. communis에 속하는 ‘Mustafabey’, ‘Bartlett-Max Red’, ‘Beurre Superfin’, ‘Passe Crassane’, ‘Anjou-Dwarf’, ‘Beurre- Diel’과 국내 육성품종으로서 P. pyrifoliaP. communis의 종간 교배종인 흑성-원교 나(Heuksung-Wonkyo Na) 2 그리고 종이 불명확한 중국에서 도입된 ‘동양리(Dongyangri)’로 구성되었다. 따라서 ‘동양리’는 P. communis와 다른 종과의 종간 교배종으로 추정된다.

II-1그룹은 9계통의 국내 재래배와 P. ussuriensis에 속하는 ‘만원향(Manyuanxiang)’으로 구성되었으며, 본 그룹에 포함된 재래배는 P. ussuriensis로 추정된다. 지리적으로 근접한 장소에서 수집한 ‘홍천내면(Hongcheonnaemyeon) 3’과 ‘홍천 내면 자운(Hongcheonnaemyeonjaun) 3’, ‘평창봉평(Pyeongchangbongpyeong) 1’과 ‘평창봉평(Pyeongchangbongpyeong) 2’은 각각 다른 장소에서 수집한 재래배와 가까운 유전거리를 나타냈는데, ‘홍천내면 3’은 ‘인제북면장수대(Injebukmyeonjangsudae) 1’과 가장 가까웠으며, ‘평창봉평 1’은 ‘평창봉평 2’와 cluster를 형성하였으나, ‘홍천 내면 자운 3’과 가장 가까운 유전적 거리를 나타내었다. Kim 등(2015)은 SSR 마커를 이용해 한국에서 수집된 돌배나무의 유전적 다양성을 조사한 결과, 대부분 지역에 따라 그룹화 되었지만 서로 다른 장소에서 수집한 재래배가 가까운 유전거리를 보이기도 하였고, 본 연구에서도 유사한 결과를 나타내었다.

II-2그룹은 콩배 그룹으로 특징지어 졌으며, Callery 콩배(P. calleryana Decne) ‘OPR-195’, ‘OPR-249’와 북지콩배(P. betulaefolia Bunge) ‘OPR-113’, ‘OPR-264’로 구성되었다. Teng 등(2002)은 RAPD 마커를 이용하여 배 유전자원의 유연관계를 분석한 결과, Callery 콩배와 북지콩배가 서로 다른 그룹을 형성하였는데, 본 연구에서는 동일한 그룹을 형성하여 높은 유연관계를 보여주었다.

II-3그룹은 3계통의 국내 재래배와 1계통의 북방형 동양배로 구성되었는데, 국내 재래배 ‘진부(Jinbu) 2’, ‘중산리(Jungsanri) 2’, ‘인제기린 북면(Injegirinbukmyeon) 3’은 P. bretschneideri에 속하는 ‘황현장파(Huangxianchangba)’와 동일한 그룹을 형성함으로써 P. bretschneideri로 추정된다. 북방형 동양배의 기본종인 P. bretschneideriP. pyrifolia와 P. ussuriensis의 종간잡종으로 P. ussuriensis에 가까운 유전적 특성을 가지고 있으며(Kim, 1998), P. bretschneideriP. ussuriensis에 속한 품종들이 명확하게 구분되지 않는다고 보고하였다(Kimura et al. 2002). 본 연구에서 대부분의 국내 재래배는 P. bretschneideri 또는 P. ussuriensis 그룹으로 분류되어 많은 수의 국내 재래배는 북방형 동양배로부터 유입된 것으로 추정되었다.

Fig. 1.

Phylogenetic tree of 115 pear accessions from UPGMA cluster analysis based on genetic distance using 15 SSR markers. Numbers represent pear accessions as shown in Table 1


II-4그룹은 P. pyrifolia에 속하는 61계통의 남방형 동양배와 10계통의 국내 육성품종으로 구성되었으며, 국내 재래배 ‘괴산황배(Goesanhwangbae)’, ‘태백창죽 3’, ‘중산리 3’과 북방형 동양배 ‘개량홍리(Gaeryanghongli) 35’, ‘백리(Backri)’가 포함되었다. 국내 교배육성종인 흑성-원교 나(Heuksung- Wonkyo Na) 1은 P. pyrifolia에 속하는 ‘선황’과 P. communis에 속하는 ‘Bartlett’의 종간 교배종으로 ‘수수(Shishuu)’, ‘진수(Shinzu)’와 가까운 유전적 거리를 보여주었다. 국내 재래배 ‘괴산황배’는 P. bretschneideri 유전자가 혼입된 ‘왕추(Oushuu)’와 가까운 유전적 거리를 가지며 ‘수진조생(Tama)’, ‘신성(Shinsei)’과 cluster를 구성하였다. 따라서 국내 재래배 ‘괴산황배’는 P. bretschneideri 유전자가 혼입되어 있으나, 유전적으로 P. pyrifolia에 가까운 것으로 추정된다. 국내 재래배 ‘태백창죽(Taebaekchangjuk) 3’, ‘중산리(Jungsanri) 3’은 ‘미니배(Minibae)’, ‘수옥(Shugyoku)’, ‘단택(Tanzawa)’과 cluster를 구성하였으며 P. pyrifolia 계통으로 추정된다. ‘신고(Niitaka)’와 ‘신고’의 육성 부본인 ‘천의천(Amanogawa)’, ‘신고’의 교배조합을 이용하여 육성한 국내 육성품종 수영(Suyeong), 신천(Shincheon)이 cluster를 형성하였으며, 교배조합이 불명확한 ‘건착(Kinchaku)’이 포함되었다. 우연실생 ‘명월(Meigetsu)’과 ‘이궁백리(Ninomiyahakuri)’는 0.20의 유전적 거리를 가지며, ‘명월’의 교배조합인 ‘희수(Kisui)’와 cluster를 형성하였다. 교배조합이 불분명한 ‘조생적(Waseaka)’, ‘박다청(Hakataao)’, ‘조선(Chousen)’, ‘세계일(Sekaiichi)’, ‘진유(Shinchu)’, ‘기원(Gion)’은 ‘이십세기’를 교배조합으로 육성한 ‘신세기(Shinseiki)’, ‘청옥(Seigyoku)’, ‘팔리(Yasato)’, ‘상모(Sagami)’, ‘서추(Zuisuu)’, ‘북신(Hokushin)’과 cluster를 형성하였으며, ‘이십세기’와 ‘장십랑’의 교배조합인 ‘신세기’와 ‘청옥’은 0.10의 유전적 거리를 나타내었다. 교배조합이 불명확한 ‘조생팔달(Wasehattatsu)’은 ‘취성(Suisei)’과 0.15의 유전적 거리를 나타내었는데, ‘취성’의 교배조합인 ‘국수’와 ‘팔운’은 ‘이십세기’를 교배조합으로 육성한 품종이며, 동일한 cluster에 ‘이십세기’ 교배조합 품종을 교배조합으로 육성한 ‘신성(Shinsei)’, ‘칠보(Shichiho)’, ‘추수(Shuusui)’, ‘신일(Shinil)’과 ‘이십세기’의 자연교잡실생 ‘신흥(Shinko)’과 cluster를 형성하였다. 종의 분류가 명확하지 않은 ‘공룡(Gongryong)’, ‘태백(Taihaku)’은 P. pyrifolia에 속하는 ‘안월(Kuratsuki)’, ‘월후금(Echigonishiki)’, ‘기후(Kihu) 1’과 cluster를 구성하였으며, P. pyrifolia로 추정된다. ‘신고’와 ‘풍수’의 교배조합 품종을 부본으로 육성한 ‘아끼아까리(Akiakari)’와 ‘아끼즈끼(Akizuki)’는 0.06의 유전적 거리를 나타내었는데, ‘아끼아까리’는 ‘운정’과 ‘행수’의 교배조합 품종을 모본으로 ‘아끼즈끼’는 ‘행수’를 모본으로 육성한 품종으로서 이러한 교배조합의 유사성에 의해 유전적 유연관계가 높은 것을 보여주었다.

II-5그룹은 종의 구분이 명확하지 않았으며, 국내 재래배 ‘중산리(Jungsanri) 4’는 P. bretschneideriP. pyrifolia 교잡종 ‘세검(Senken)’과 0.13의 가까운 유전적 거리를 가졌으며, P. pyrifolia에 속하는 ‘길량세기(Kiraseiki)’, ‘행장(Kouzou)’과 P. bretschneideri에 속하는 ‘래양자리(Laiyangcili)’가 포함되어 있었다.

II-6그룹은 국내 재래배 ‘홍천삼봉(Hongcheonsambong) 3’, ‘공주청실리(Gongjucheongsilri)’, ‘인제기린 귀둔(Injegiringwidun) 3’, ‘중산리(Jungsanri) 1’, ‘홍천내면(Hongcheonnaemyeon) 2’, ‘청서리(Cheongseori)’, ‘영목리(Yeongmokri)’와 북방형 동양배 ‘대두황리(Datouhuangli)’ ‘청룡점(Qinglongtian)’으로 구성되었는데, ‘청서리’와 ‘영목리’, ‘대두황리’는 P. ussuriensis로 알려져 있으며, ‘청룡점’은 P. bretschneideri로 알려져 있다. 따라서 본 그룹에 포함된 국내 재래배는 북방형 동양배인 P. bretschneider 또는 P. ussuriensis로 추정된다.

SSR 마커를 이용한 배 유전자원의 분류에서 Wünsch와 Hormaza (2007)는 7개의 SSR 마커를 사용하여 유럽배 63종의 분석한 결과, 혈통과 지리적 기원에 의해 분류되는 것을 보고하였으며, Sawamura 등 (2008)은 18개의 SSR 마커를 사용하여 남방형 동양배 55종을 분석한 결과 교배 혈통에 의해 품종이 분류됨을 보고하였다.

본 연구에서도 국내외에서 수집한 유전자원 115점을 대상으로 15개의 SSR 마커를 이용하여 유전자원의 유연관계를 분석한 결과, 지리적 기원에 의해 크게 서양배와 동양배 그룹으로 분류되었으며 혈통에 따라 구분이 이루어 지는 것을 확인하였다. 종의 분류가 불명확한 국내 재래배의 경우 대부분 P. bretschneider 또는 P. ussuriensis 그룹으로 분류되는 것을 보여주었는데, 종의 분류가 불명확한 유전자원과 다른 종과의 유전적 유연관계를 분석함으로써 이러한 종의 유전적 특성을 추정할 수 있었다. 하지만 일부 유전자원의 경우 분류가 명확하지 않았는데, 추후 정확한 분류를 위해 마커의 숫자를 늘리고 형태학적 특성을 검정함으로써 보다 정확한 분류가 가능할 것으로 생각되며, 이러한 결과는 유전적 다양성을 가지는 품종을 육성하기 위한 기초자료로 유용하게 활용될 것으로 사료된다.

본 연구는 15개의 SSR 마커를 이용하여 배 유전자원 115점에 대한 유전적 다양성을 분석하였다. 분석된 마커당 대립유전자수는 3 ~ 41개로 평균 16개였으며, 마커의 이용도는 평균 0.966이었다. Hobs는 0.140 ~ 0.929로 평균 0.603이었으며 Hexp는 0.463~0.904로 평균 0.718로 분석되었다. PIC 값은 0.403 ~ 0.897의 범위에 속하였으며 평균값은 0.692이었다.

배 유전자원의 유전적 거리에 따라 계통간 유연관계를 분석한 결과 지리적 분포와 유전적 특성에 의해 크게 2개의 그룹으로 구분되었다. 첫 번째 그룹은 유럽종 P. communis에 속하는 품종으로 구성되었으며 두 번째 그룹은 동양배 그룹으로 P. pyrifolia, P. ussuriensis, P. bretschneideri, P. betulaefolia, P. calleryana와 교잡종 및 종의 분류가 명확하지 않은 유전자원이 포함되었다. 본 연구는 배 유전자원의 유전자형 분석을 통하여 유전적 다양성을 가지는 품종들을 분류하였으며, 육종을 위한 기초자료로 활용 가능할 것으로 사료된다.

본 연구는 농촌진흥청 연구과제(세부과제번호:PJ01022801)의 지원에 의해 이루어진 것임.

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Article

Research Article

J Plant Biotechnol 2016; 43(4): 466-472

Published online December 31, 2016 https://doi.org/10.5010/JPB.2016.43.4.466

Copyright © The Korean Society of Plant Biotechnology.

SSR 마커를 이용한 배 유전자원의 유연관계

천재안, 조강희, 김세희, 이한찬, 최인명, 박서준*

농촌진흥청 국립원예특작과학원 과수과

Received: 19 October 2016; Revised: 14 November 2016; Accepted: 14 November 2016

Genetic relationships of pear germplasms using simple sequence repeat marker

Jae An Chun, Kang Hee Cho, Se Hee Kim, Han-Chan Lee, In Myong Choi, and Seo Jun Park*

Fruit Research Division, National Institute of Horticultural & Herbal Science, Rural Development Administration, Wanju 55365, Korea

Correspondence to: e-mail: grapepark@korea.kr

Received: 19 October 2016; Revised: 14 November 2016; Accepted: 14 November 2016

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.

Abstract

This study analyzed the genetic diversity of 115 pear germplasms using 15 SSR markers. Three to forty-one SSR alleles were detected for each locus with an average of 16 alleles per locus. The average availability of markers was 0.966. The average observed heterozygosity (Hobs) was 0.603 (range: 0.140 to 0.929). The average expected heterozygosity (Hexp) was 0.718 (range: 0.463 to 0.904). The average polymorphism information content (PIC) was 0.692 (range: 0.403 to 0.897). The genetic relationships of pear germplasms were classified into two major groups by geographic origins and genetic characteristics according to genetic distance. The first group was composed of European pear belonging to Pyrus communis. The second group consisted of P. pyrifolia, P. ussuriensis, P. bretschneideri, P. betulaefolia, P. calleryana, interspecific hybrids, and unclear germplasms. The results of this study suggest that genotype analysis of pear germplasms using SSR markers can identify the genetic diversity of germplasms, and can be used to provide basic information for pear breeding.

Keywords: Pyrus, SSR marker, Genetic diversity, Germplasms

서론

배(Pyrus spp.)는 2000년 전부터 재배되어 온 주요 온대 과수로서 남방형 동양배(P. pyrifolia Nakai)와 북방형 동양배(P. bretschneider Rehd., P. ussuriensis Maxim.) 그리고 유럽과 미국에서 재배되고 있는 서양배(P. communis L.)로 구분된다(Bell 1990). 배는 현재 22종이 분류되었으며, 상업적으로 중요한 일부만이 50개 이상의 나라에서 재배되고 있다(Bell et al. 1996). 배는 자가불화합성으로 오랜 기간 진화를 거쳐 유전적 다양성을 가지게 되었다. 따라서 유전적 다양성을 가지는 배 유전자원을 분류하기 위해 형태학적 특징과 생리학적 특징 및 동질효소 분석이 이용되었으나, 환경 조건에 의한 영향, 종간 차이를 나타내는 형태학적 다양성 부족, 널리 퍼져있는 교잡으로 인해 많은 한계를 가지고 있었다(Yamamoto et al. 2002a). 이러한 한계를 극복하기 위해 DNA를 바탕으로 하는 restriction fragment length polymorphisms (RFLPs), amplified fragment length polymorphisms (AFLPs), random amplified polymorphic DNA (RAPD), simple sequence repeats (SSRs) 등의 분자 마커가 개발되었으며, 유전자원의 유전적 다양성 분석과 품종 구분에 이용되어져 왔다(Powell et al. 1996; Phillips and Vasil 2001). 이 중 SSR 마커는 많은 수의 마커와 높은 다형성으로 인해 동물과 식물에서 유전자 표지로서 사용되어 왔으며(Weber and May 1989), PCR 방법을 이용하기 때문에 적은 양의 DNA만으로도 분석이 가능한 장점을 가지고 있다(Kimura et al. 2002). 또한 다른 분자 마커와 비교하여 높은 재현성과 게놈에서의 위치 특이적 및 유전자 좌에 대한 다중대립유전자 등의 특징을 가지고 있어 작물의 유전적 다양성 및 계통의 유연관계를 분석하기에 유리하며, DNA fingerprinting 등에 활용되고 있다(Kimura et al. 2002). SSR 분석은 사과(Hokanson et al. 2001), 복숭아(Dirlewanger et al. 2002), 포도(Emanuelli et al. 2013), 감귤(Barkley et al. 2006) 등 다양한 과수에서 유전

적 다양성, 계통유연관계, 집단구조 분석을 위해 사용되어 왔으며, 유전자원의 수집 및 보존과 품종 판별에 활용되고 있다.

SSR 마커를 이용한 배의 연구동향을 살펴보면 유럽배의 경우 10개의 SSR 마커를 이용한 유전자원 94점의 유전적 다양성 분석(Sehic et al. 2012)과 동양배에서 9개의 SSR 마커를 이용한 유전자원 60점에 대한 유전적 다양성 분석(Kimura et al. 2002) 그리고 8개의 SSR 마커를 이용한 북방형 동양배 72점에 대한 유전적 다양성 분석(Cao et al. 2012) 등 다양한 연구 결과가 보고되었다. 또한 Yamamoto 등 (2001)은 배에서 개발되어진 SSR 마커 뿐만 아니라, 사과에서 개발된 SSR 마커를 이용해 P. pyrifolia, P. bretschneider, P. ussuriensis, P. communis. P. calleryana Decne의 기본종 5종과 교잡종의 유전적 유연관계를 분석하여 동일한 종 또는 속에 속하는 작물에서 개발된 SSR 마커가 이용될 수 있음을 보고하였다. 하지만 선행된 연구만으로 수집된 배 유전자원의 유전적 관계를 추정하기에는 한계를 가지고 있으며, 특히 국내 육성품종과 국내에서 수집한 재래종에 대한 유전적 유연관계 분석은 미비한 실정이다.

본 연구에서는 SSR 마커를 이용하여 국내외에서 수집된 배 유전자원 115점의 유전적 다양성을 분석하여 유전자원을 이용한 육종의 기초 자료로 활용하고자 수행하였다.

재료 및 방법

식물 재료 및 DNA 분리

본 연구에 사용한 재료는 농촌진흥청 국립원예특작과학원에서 보존 중인 배 유전자원 115점을 사용하였다(Table 1). 배의 어린 잎을 채취한 후 액체질소를 이용하여 조직을 마쇄하였으며, DNeasy plant mini kit(Qiagen, Germany)를 사용하여 DNA를 분리하였다. 분리된 DNA는 0.7% agarose gel에서 전기영동하여 확인하였으며, Nanodrop spectrophotometer (Thermo Scientific, USA)로 정량하고, 10 ng·μL-1의 농도로 희석하여 PCR 분석에 사용하였다.

Table 1 . Pear accessions used in this study.

No.Accession Origin No.Accession Origin 
1CheongseoriKorea59KumoiJapan
2GoesanhwangbaeKorea60KuratsukiJapan
3GongjucheongsilriKorea61LaiyangciliJapan
4Hajinbu 1Korea62MatsushimaJapan
5Heuksung 1-Wonkyo NaKorea63MeigetsuJapan
6Heuksung 2-Wonkyo NaKorea64NamsuiJapan
7Heuksung 3-Wonkyo NaKorea65NiitakaJapan
8Hongcheonnaemyeon 2Korea66NinomiyahakuriJapan
9Hongcheonnaemyeon 3Korea67OkusankichiJapan
10Hongcheonnaemyeonjaun 3 Korea68OushuuJapan
11Hongcheonsambong 3Korea69SagamiJapan
12Injebukmyeonjangsudae 1Korea70SeigyokuJapan
13Injegirinbukmyeon 3Korea71SekaiichiJapan
14Injegiringwidun 1Korea72ShichihoJapan
15Injegiringwidun 3Korea73ShinchuJapan
16Jinbu 1Korea74ShinkoJapan
17Jinbu 2Korea75ShinseiJapan
18Jungsanri 1Korea76ShinseikiJapan
19Jungsanri 2Korea77ShinsetsuJapan
20Jungsanri 3Korea78ShinsuiJapan
21Jungsanri 4Korea79ShinzuJapan
22Kihu 1Korea80ShishuuJapan
23ManpoongbaeKorea81ShugyokuJapan
24MinibaeKorea82ShuureiJapan
25NoksuKorea83ShuusuiJapan
26Pyeongchangbongpyeong 1Korea84SuiseiJapan
27Pyeongchangbongpyeong 2Korea85TaihakuJapan
28SenkenKorea86TaiheiJapan
29ShincheonKorea87TamaJapan
30ShinilKorea88TanzawaJapan
31SuhwangbaeKorea89TH-11Japan
32SuyeongKorea90TH-17Japan
33TaebaekchangjukKorea91TH-7Japan
34YeongmokriKorea92TosanishikiJapan
35AikansuiJapan93WaseakaJapan
36AkiakariJapan94WasehattatsuJapan
37AkibaeJapan95YasatoJapan
38AkizukiJapan96ZuisuuJapan
39AmanogawaJapan97DatouhuangliChina
40AtogoJapan98DongyangriChina
41BackriJapan99GaeryanghongliChina
42ChikusuiJapan100Huangxianchangba China
43ChojuroJapan101ManyuanxiangChina
44DoitsuJapan102QinglongtianChina
45EchigonishikiJapan103Anjou-DwarfUSA
46EriJapan104Bartlett-Max RedUSA
47GionJapan105Beurre DielUSA
48HakataaoJapan106Beurre SuperfinUSA
49HattatsuJapan107MustafabeyUSA
50HokushinJapan108OPR-113USA
51ImamuranatsuJapan109OPR-195USA
52IshiiwaseJapan110OPR-249USA
53KimizukawaseJapan111OPR-264USA
54KinchakuJapan112Passe CrassaneUSA
55KiraseikiJapan113GongryongUnknown
56KisuiJapan114ChousenUnknown
57KosuiJapan115HayatamaUnknown
58KouzouJapan

SSR 분석

배 유전자원 분류에 효과적인 SSR 마커를 선발하기 위하여 ‘신고’, ‘Bartlett’, P. aromatica, P. dimorphophyll의 genomic DNA와 보고된 CH04d02 등 SSR 마커 200종을 사용하여(Liebhard et al. 2002; Nishitani et al. 2009; Silfverberg-Dilworth et al. 2006; Yamamoto et al. 2002b) 15종의 다형성을 가지는 마커를 선발하였다(Table 2).

Table 2 . Characteristics of the 15 polymorphic SSR markers of genetic diversity of pear accessions.

Primer NameRepeat motifAnnealing Temp. (°C)Expected product size (bp)No. of alleleNo. of genotypeAvailabilityObserved heterozygosity (Hobs)Expected heterozygosity (Hexp)Polymorphism Information Content (PIC)
AF527800GA55168-19424400.8260.8260.9040.897
CH04d02GA55118-14621540.9830.7350.8860.877
CH04f03GA55175-19118421.0000.5830.7540.742
CH04e05GA55174-22727591.0000.9220.9000.893
CH04g07GA55149-21125521.0000.9300.8610.850
Hi01c11GT55138-26041580.9830.8670.8630.858
Hi02d05GA60153-2057100.9910.1400.4630.424
TsuENH007(CT)16551799180.9830.2740.4840.469
TsuENH012(CT)7.5A(CT)355133360.9300.3080.4670.403
TsuENH017(GA)16601887131.0000.5390.6090.532
TsuENH049(GCA)4551847140.9830.6900.7220.684
TsuENH071(CTTCTT)3551997130.9130.5520.6730.624
TsuENH079(CCA)65519214290.9390.7590.7880.763
TsuENH087(TCC)45519415270.9910.4470.5800.566
TsuENH093(TGC)45515716350.9740.9290.8210.804

Mean16310.9660.6030.7180.692

선발된 SSR 마커는 5’말단에 FAM, VIC, NED, PET 중 한가지로 형광표지를 하였으며, 다형성을 분석하였다. PCR 반응은 게놈 DNA 10 ng, 10 pmol의 형광 primer, 1 unit Taq polymerase (Takara, Japan), 200 μM dNTP, 1× PCR buffer를 첨가하여 총 반응액을 20 μL로 조정하였다. PCR 증폭은 94°C에서 pre-denaturation 2분 후, 94°C에서 denaturation 30초, annealing 30초, 72°C에서 extension 45초 과정을 35회 반복하였다. PCR 산물은 1/10로 희석하여 서로 다른 형광표지를 가지는 시료를 다중(Multiplex)로 혼합하였으며, Hi-Di Formamide (Applied Biosystem, USA)와 size standard 500LIZ를 첨가한 후 94°C에서 변성시켰다. 변성된 multiplex PCR 산물은 Genetic Analyzer 3730XL (Applied Biosystem, USA) 유전자 분석기를 사용하여 유전자형 분석을 수행하였다. 분석된 data는 GeneMapper® software 4.0 (Applied Biosystem, USA)을 이용하여 대립유전자의 크기를 결정하였다.

통계분석

PowerMarker V3.0 (Lui and Muse 2005) 프로그램을 이용하여 대립유전자(allele), 유전자형(genotype), 마커의 이용도(availability), 관측이형접합률(observed heterozygosity, Hobs), 기대이형접합률(expected heterozygosity, Hexp), 다형성정보지수(polymorphism information content, PIC) 값을 계산하였다. PowerMarker V3.0 프로그램을 통해 각 집단의 유전적 거리는 Unweighted pair-group method with arithmetical average (UPGMA) (Sneath and Sokal 1973) 방법을 이용하여 집괴분석하여 덴드로그램을 작성하였으며, 이를 바탕으로 유전적 유연관계를 분석하였다.

결과 및 고찰

SSR genotyping

국내외에서 수집된 유전자원 115점에 대해 15개의 SSR 마커를 이용하여 SSR genotyping을 수행하였으며, 품종 간의 유전적 다양성을 분석하였다. 통계분석 결과 대립유전자 수는 3 ~ 41개였으며, 마커당 평균 16개로 나타났다. 각각의 SSR 마커에 대한 대립유전자수는 Hi01c11에서 28개로 가장 높은 다형성을 보였으며, TsuENH012는 3개로 가장 낮았다.

SSR 마커를 이용한 배 유전자원의 연구결과를 살펴보면, Kimura 등 (2002)은 배 유전자원 60종을 대상으로 9개의 SSR 마커를 이용하여 평균 14.8개의 대립유전자를 확인하였으며, Cao 등 (2012)은 배 유전자원 72점을 대상으로 9개의 SSR 마커를 이용하여 평균 13.5개의 대립유전자를 확인함으로서 본 결과와 유사한 대립유전자 수를 보여주었다. 유전자형의 수는 6 ~ 59로 평균 31개였으며, 마커의 이용도는 평균 0.966으로 높게 나타났으며, 특히 CH04f03, CH04e05, CH04g07 및 TsuENH017은 이용도가 1.0으로 배 유전자원 115점 모두 관찰되었다. 전체 집단의 관측이형 접합률 Hobs는 0.140 ~ 0.929를 가지며, 평균 0.603였으며, 기대이형 접합율 Hexp는 0.463 ~ 0.904으로 평균 0.718로 분석되었다. SSR 마커의 변이에 판별 기준으로 사용하는 다형보정지수인 PIC 값은 0.403~0.897이고, 평균 0.692로 분석되었다(Table 2).

배 유전자원 유연관계 분석

SSR genotyping을 이용하여 배 유전자원 115점의 유전적 유연관계를 분석한 결과, 크게 서양배 그룹과 동양배 그룹으로 구분되었다. 서양배 그룹(I)은 8개의 계통으로 구성되었으며, 동양배 그룹(II)는 105계통의 6개 소그룹(II-1, II-2, II-3, II-4, II-5, II-6)으로 분류되었다.

I그룹은 P. communis에 속하는 ‘Mustafabey’, ‘Bartlett-Max Red’, ‘Beurre Superfin’, ‘Passe Crassane’, ‘Anjou-Dwarf’, ‘Beurre- Diel’과 국내 육성품종으로서 P. pyrifoliaP. communis의 종간 교배종인 흑성-원교 나(Heuksung-Wonkyo Na) 2 그리고 종이 불명확한 중국에서 도입된 ‘동양리(Dongyangri)’로 구성되었다. 따라서 ‘동양리’는 P. communis와 다른 종과의 종간 교배종으로 추정된다.

II-1그룹은 9계통의 국내 재래배와 P. ussuriensis에 속하는 ‘만원향(Manyuanxiang)’으로 구성되었으며, 본 그룹에 포함된 재래배는 P. ussuriensis로 추정된다. 지리적으로 근접한 장소에서 수집한 ‘홍천내면(Hongcheonnaemyeon) 3’과 ‘홍천 내면 자운(Hongcheonnaemyeonjaun) 3’, ‘평창봉평(Pyeongchangbongpyeong) 1’과 ‘평창봉평(Pyeongchangbongpyeong) 2’은 각각 다른 장소에서 수집한 재래배와 가까운 유전거리를 나타냈는데, ‘홍천내면 3’은 ‘인제북면장수대(Injebukmyeonjangsudae) 1’과 가장 가까웠으며, ‘평창봉평 1’은 ‘평창봉평 2’와 cluster를 형성하였으나, ‘홍천 내면 자운 3’과 가장 가까운 유전적 거리를 나타내었다. Kim 등(2015)은 SSR 마커를 이용해 한국에서 수집된 돌배나무의 유전적 다양성을 조사한 결과, 대부분 지역에 따라 그룹화 되었지만 서로 다른 장소에서 수집한 재래배가 가까운 유전거리를 보이기도 하였고, 본 연구에서도 유사한 결과를 나타내었다.

II-2그룹은 콩배 그룹으로 특징지어 졌으며, Callery 콩배(P. calleryana Decne) ‘OPR-195’, ‘OPR-249’와 북지콩배(P. betulaefolia Bunge) ‘OPR-113’, ‘OPR-264’로 구성되었다. Teng 등(2002)은 RAPD 마커를 이용하여 배 유전자원의 유연관계를 분석한 결과, Callery 콩배와 북지콩배가 서로 다른 그룹을 형성하였는데, 본 연구에서는 동일한 그룹을 형성하여 높은 유연관계를 보여주었다.

II-3그룹은 3계통의 국내 재래배와 1계통의 북방형 동양배로 구성되었는데, 국내 재래배 ‘진부(Jinbu) 2’, ‘중산리(Jungsanri) 2’, ‘인제기린 북면(Injegirinbukmyeon) 3’은 P. bretschneideri에 속하는 ‘황현장파(Huangxianchangba)’와 동일한 그룹을 형성함으로써 P. bretschneideri로 추정된다. 북방형 동양배의 기본종인 P. bretschneideriP. pyrifolia와 P. ussuriensis의 종간잡종으로 P. ussuriensis에 가까운 유전적 특성을 가지고 있으며(Kim, 1998), P. bretschneideriP. ussuriensis에 속한 품종들이 명확하게 구분되지 않는다고 보고하였다(Kimura et al. 2002). 본 연구에서 대부분의 국내 재래배는 P. bretschneideri 또는 P. ussuriensis 그룹으로 분류되어 많은 수의 국내 재래배는 북방형 동양배로부터 유입된 것으로 추정되었다.

Figure 1.

Phylogenetic tree of 115 pear accessions from UPGMA cluster analysis based on genetic distance using 15 SSR markers. Numbers represent pear accessions as shown in Table 1


II-4그룹은 P. pyrifolia에 속하는 61계통의 남방형 동양배와 10계통의 국내 육성품종으로 구성되었으며, 국내 재래배 ‘괴산황배(Goesanhwangbae)’, ‘태백창죽 3’, ‘중산리 3’과 북방형 동양배 ‘개량홍리(Gaeryanghongli) 35’, ‘백리(Backri)’가 포함되었다. 국내 교배육성종인 흑성-원교 나(Heuksung- Wonkyo Na) 1은 P. pyrifolia에 속하는 ‘선황’과 P. communis에 속하는 ‘Bartlett’의 종간 교배종으로 ‘수수(Shishuu)’, ‘진수(Shinzu)’와 가까운 유전적 거리를 보여주었다. 국내 재래배 ‘괴산황배’는 P. bretschneideri 유전자가 혼입된 ‘왕추(Oushuu)’와 가까운 유전적 거리를 가지며 ‘수진조생(Tama)’, ‘신성(Shinsei)’과 cluster를 구성하였다. 따라서 국내 재래배 ‘괴산황배’는 P. bretschneideri 유전자가 혼입되어 있으나, 유전적으로 P. pyrifolia에 가까운 것으로 추정된다. 국내 재래배 ‘태백창죽(Taebaekchangjuk) 3’, ‘중산리(Jungsanri) 3’은 ‘미니배(Minibae)’, ‘수옥(Shugyoku)’, ‘단택(Tanzawa)’과 cluster를 구성하였으며 P. pyrifolia 계통으로 추정된다. ‘신고(Niitaka)’와 ‘신고’의 육성 부본인 ‘천의천(Amanogawa)’, ‘신고’의 교배조합을 이용하여 육성한 국내 육성품종 수영(Suyeong), 신천(Shincheon)이 cluster를 형성하였으며, 교배조합이 불명확한 ‘건착(Kinchaku)’이 포함되었다. 우연실생 ‘명월(Meigetsu)’과 ‘이궁백리(Ninomiyahakuri)’는 0.20의 유전적 거리를 가지며, ‘명월’의 교배조합인 ‘희수(Kisui)’와 cluster를 형성하였다. 교배조합이 불분명한 ‘조생적(Waseaka)’, ‘박다청(Hakataao)’, ‘조선(Chousen)’, ‘세계일(Sekaiichi)’, ‘진유(Shinchu)’, ‘기원(Gion)’은 ‘이십세기’를 교배조합으로 육성한 ‘신세기(Shinseiki)’, ‘청옥(Seigyoku)’, ‘팔리(Yasato)’, ‘상모(Sagami)’, ‘서추(Zuisuu)’, ‘북신(Hokushin)’과 cluster를 형성하였으며, ‘이십세기’와 ‘장십랑’의 교배조합인 ‘신세기’와 ‘청옥’은 0.10의 유전적 거리를 나타내었다. 교배조합이 불명확한 ‘조생팔달(Wasehattatsu)’은 ‘취성(Suisei)’과 0.15의 유전적 거리를 나타내었는데, ‘취성’의 교배조합인 ‘국수’와 ‘팔운’은 ‘이십세기’를 교배조합으로 육성한 품종이며, 동일한 cluster에 ‘이십세기’ 교배조합 품종을 교배조합으로 육성한 ‘신성(Shinsei)’, ‘칠보(Shichiho)’, ‘추수(Shuusui)’, ‘신일(Shinil)’과 ‘이십세기’의 자연교잡실생 ‘신흥(Shinko)’과 cluster를 형성하였다. 종의 분류가 명확하지 않은 ‘공룡(Gongryong)’, ‘태백(Taihaku)’은 P. pyrifolia에 속하는 ‘안월(Kuratsuki)’, ‘월후금(Echigonishiki)’, ‘기후(Kihu) 1’과 cluster를 구성하였으며, P. pyrifolia로 추정된다. ‘신고’와 ‘풍수’의 교배조합 품종을 부본으로 육성한 ‘아끼아까리(Akiakari)’와 ‘아끼즈끼(Akizuki)’는 0.06의 유전적 거리를 나타내었는데, ‘아끼아까리’는 ‘운정’과 ‘행수’의 교배조합 품종을 모본으로 ‘아끼즈끼’는 ‘행수’를 모본으로 육성한 품종으로서 이러한 교배조합의 유사성에 의해 유전적 유연관계가 높은 것을 보여주었다.

II-5그룹은 종의 구분이 명확하지 않았으며, 국내 재래배 ‘중산리(Jungsanri) 4’는 P. bretschneideriP. pyrifolia 교잡종 ‘세검(Senken)’과 0.13의 가까운 유전적 거리를 가졌으며, P. pyrifolia에 속하는 ‘길량세기(Kiraseiki)’, ‘행장(Kouzou)’과 P. bretschneideri에 속하는 ‘래양자리(Laiyangcili)’가 포함되어 있었다.

II-6그룹은 국내 재래배 ‘홍천삼봉(Hongcheonsambong) 3’, ‘공주청실리(Gongjucheongsilri)’, ‘인제기린 귀둔(Injegiringwidun) 3’, ‘중산리(Jungsanri) 1’, ‘홍천내면(Hongcheonnaemyeon) 2’, ‘청서리(Cheongseori)’, ‘영목리(Yeongmokri)’와 북방형 동양배 ‘대두황리(Datouhuangli)’ ‘청룡점(Qinglongtian)’으로 구성되었는데, ‘청서리’와 ‘영목리’, ‘대두황리’는 P. ussuriensis로 알려져 있으며, ‘청룡점’은 P. bretschneideri로 알려져 있다. 따라서 본 그룹에 포함된 국내 재래배는 북방형 동양배인 P. bretschneider 또는 P. ussuriensis로 추정된다.

SSR 마커를 이용한 배 유전자원의 분류에서 Wünsch와 Hormaza (2007)는 7개의 SSR 마커를 사용하여 유럽배 63종의 분석한 결과, 혈통과 지리적 기원에 의해 분류되는 것을 보고하였으며, Sawamura 등 (2008)은 18개의 SSR 마커를 사용하여 남방형 동양배 55종을 분석한 결과 교배 혈통에 의해 품종이 분류됨을 보고하였다.

본 연구에서도 국내외에서 수집한 유전자원 115점을 대상으로 15개의 SSR 마커를 이용하여 유전자원의 유연관계를 분석한 결과, 지리적 기원에 의해 크게 서양배와 동양배 그룹으로 분류되었으며 혈통에 따라 구분이 이루어 지는 것을 확인하였다. 종의 분류가 불명확한 국내 재래배의 경우 대부분 P. bretschneider 또는 P. ussuriensis 그룹으로 분류되는 것을 보여주었는데, 종의 분류가 불명확한 유전자원과 다른 종과의 유전적 유연관계를 분석함으로써 이러한 종의 유전적 특성을 추정할 수 있었다. 하지만 일부 유전자원의 경우 분류가 명확하지 않았는데, 추후 정확한 분류를 위해 마커의 숫자를 늘리고 형태학적 특성을 검정함으로써 보다 정확한 분류가 가능할 것으로 생각되며, 이러한 결과는 유전적 다양성을 가지는 품종을 육성하기 위한 기초자료로 유용하게 활용될 것으로 사료된다.

적요

본 연구는 15개의 SSR 마커를 이용하여 배 유전자원 115점에 대한 유전적 다양성을 분석하였다. 분석된 마커당 대립유전자수는 3 ~ 41개로 평균 16개였으며, 마커의 이용도는 평균 0.966이었다. Hobs는 0.140 ~ 0.929로 평균 0.603이었으며 Hexp는 0.463~0.904로 평균 0.718로 분석되었다. PIC 값은 0.403 ~ 0.897의 범위에 속하였으며 평균값은 0.692이었다.

배 유전자원의 유전적 거리에 따라 계통간 유연관계를 분석한 결과 지리적 분포와 유전적 특성에 의해 크게 2개의 그룹으로 구분되었다. 첫 번째 그룹은 유럽종 P. communis에 속하는 품종으로 구성되었으며 두 번째 그룹은 동양배 그룹으로 P. pyrifolia, P. ussuriensis, P. bretschneideri, P. betulaefolia, P. calleryana와 교잡종 및 종의 분류가 명확하지 않은 유전자원이 포함되었다. 본 연구는 배 유전자원의 유전자형 분석을 통하여 유전적 다양성을 가지는 품종들을 분류하였으며, 육종을 위한 기초자료로 활용 가능할 것으로 사료된다.

사사

본 연구는 농촌진흥청 연구과제(세부과제번호:PJ01022801)의 지원에 의해 이루어진 것임.

Fig 1.

Figure 1.

Phylogenetic tree of 115 pear accessions from UPGMA cluster analysis based on genetic distance using 15 SSR markers. Numbers represent pear accessions as shown in Table 1

Journal of Plant Biotechnology 2016; 43: 466-472https://doi.org/10.5010/JPB.2016.43.4.466

Table 1 . Pear accessions used in this study.

No.Accession Origin No.Accession Origin 
1CheongseoriKorea59KumoiJapan
2GoesanhwangbaeKorea60KuratsukiJapan
3GongjucheongsilriKorea61LaiyangciliJapan
4Hajinbu 1Korea62MatsushimaJapan
5Heuksung 1-Wonkyo NaKorea63MeigetsuJapan
6Heuksung 2-Wonkyo NaKorea64NamsuiJapan
7Heuksung 3-Wonkyo NaKorea65NiitakaJapan
8Hongcheonnaemyeon 2Korea66NinomiyahakuriJapan
9Hongcheonnaemyeon 3Korea67OkusankichiJapan
10Hongcheonnaemyeonjaun 3 Korea68OushuuJapan
11Hongcheonsambong 3Korea69SagamiJapan
12Injebukmyeonjangsudae 1Korea70SeigyokuJapan
13Injegirinbukmyeon 3Korea71SekaiichiJapan
14Injegiringwidun 1Korea72ShichihoJapan
15Injegiringwidun 3Korea73ShinchuJapan
16Jinbu 1Korea74ShinkoJapan
17Jinbu 2Korea75ShinseiJapan
18Jungsanri 1Korea76ShinseikiJapan
19Jungsanri 2Korea77ShinsetsuJapan
20Jungsanri 3Korea78ShinsuiJapan
21Jungsanri 4Korea79ShinzuJapan
22Kihu 1Korea80ShishuuJapan
23ManpoongbaeKorea81ShugyokuJapan
24MinibaeKorea82ShuureiJapan
25NoksuKorea83ShuusuiJapan
26Pyeongchangbongpyeong 1Korea84SuiseiJapan
27Pyeongchangbongpyeong 2Korea85TaihakuJapan
28SenkenKorea86TaiheiJapan
29ShincheonKorea87TamaJapan
30ShinilKorea88TanzawaJapan
31SuhwangbaeKorea89TH-11Japan
32SuyeongKorea90TH-17Japan
33TaebaekchangjukKorea91TH-7Japan
34YeongmokriKorea92TosanishikiJapan
35AikansuiJapan93WaseakaJapan
36AkiakariJapan94WasehattatsuJapan
37AkibaeJapan95YasatoJapan
38AkizukiJapan96ZuisuuJapan
39AmanogawaJapan97DatouhuangliChina
40AtogoJapan98DongyangriChina
41BackriJapan99GaeryanghongliChina
42ChikusuiJapan100Huangxianchangba China
43ChojuroJapan101ManyuanxiangChina
44DoitsuJapan102QinglongtianChina
45EchigonishikiJapan103Anjou-DwarfUSA
46EriJapan104Bartlett-Max RedUSA
47GionJapan105Beurre DielUSA
48HakataaoJapan106Beurre SuperfinUSA
49HattatsuJapan107MustafabeyUSA
50HokushinJapan108OPR-113USA
51ImamuranatsuJapan109OPR-195USA
52IshiiwaseJapan110OPR-249USA
53KimizukawaseJapan111OPR-264USA
54KinchakuJapan112Passe CrassaneUSA
55KiraseikiJapan113GongryongUnknown
56KisuiJapan114ChousenUnknown
57KosuiJapan115HayatamaUnknown
58KouzouJapan

Table 2 . Characteristics of the 15 polymorphic SSR markers of genetic diversity of pear accessions.

Primer NameRepeat motifAnnealing Temp. (°C)Expected product size (bp)No. of alleleNo. of genotypeAvailabilityObserved heterozygosity (Hobs)Expected heterozygosity (Hexp)Polymorphism Information Content (PIC)
AF527800GA55168-19424400.8260.8260.9040.897
CH04d02GA55118-14621540.9830.7350.8860.877
CH04f03GA55175-19118421.0000.5830.7540.742
CH04e05GA55174-22727591.0000.9220.9000.893
CH04g07GA55149-21125521.0000.9300.8610.850
Hi01c11GT55138-26041580.9830.8670.8630.858
Hi02d05GA60153-2057100.9910.1400.4630.424
TsuENH007(CT)16551799180.9830.2740.4840.469
TsuENH012(CT)7.5A(CT)355133360.9300.3080.4670.403
TsuENH017(GA)16601887131.0000.5390.6090.532
TsuENH049(GCA)4551847140.9830.6900.7220.684
TsuENH071(CTTCTT)3551997130.9130.5520.6730.624
TsuENH079(CCA)65519214290.9390.7590.7880.763
TsuENH087(TCC)45519415270.9910.4470.5800.566
TsuENH093(TGC)45515716350.9740.9290.8210.804

Mean16310.9660.6030.7180.692

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