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동글동글 조롱박 식물과 다양한 수박 유전체
거대한 크기와 울룩불룩, 알록달록, 동글동글 재미있는 모양새로 우리에게 즐거움은 물론 다양한 영양성분으로 건강까지 지켜주는 전국의 박과채소가 한자리에 모이는 ‘박과채소 챔피언 선발대회 및 희귀 박과채소 전시회’을 2012년 10월 농촌진흥청에서 개최하였다. 박과채소는 조롱박 식물로도 불리는데, 전세계 지역의 7%가 조롱박 작물을 재배한다. 그 중 수박(Citrullus lanatus)은 세계적으로 중요한 작물로, 세계 과일 생산량의 5위(90톤)에 해당하는 작물이다.
수박은 크게 세 가지로 분류할 수 있는데, 남부 아프리카에서 번성하는 lanatus종, 도톰한 과피와 대형 씨앗이 특징적인 mucosospermus종, 국내 재배종인 달콤한 vulgaris종이다. 특히, mucosospermus종은 주로 물(90%)로 구성되어 있으며, 설탕, 리코핀(lycopene), 시트룰린(citrulline), 아르기닌(Arginine), 글루타티온(glutathione) 등의 아미노산 과 같은 중요 영양물질을 포함한다. 거대한 씨앗의 과일 형성을 촉진하며 급속한 성장을 이루는 메커니즘을 보유한 종이다. 이처럼 수박의 생물학적 연구와 작물의 개선을 위해 유전체를 해독하였으며, 유전적 다양성을 위해 구조와 진화에 대한 정보를 제공하였다.
중국의 국립 채소공학 연구소에서는 동아시아의 개량종 97,103가지 품종에 대해 샘플을 선별하여, 일루미나 시퀀싱(Illumina GA IIx, paired-end sequencing)을 수행하여 데이터(46.18Gb)를 생성하였다. Citrullus lanatus 종은 De novo 어셈블리(assembly, 조각 낸 DNA를 조립하는 과정)로 유전체의 83.2%를 조립하여 353.5Mb의 크기를 확인하였다. 어셈블리에 포함되지 않은 DNA 조각의 경우, 조립된 것과 유사한 서열이거나, 이동성 유전인자와 같은 서열이라서 중복되는 부위를 확인하는 단계를 거쳤다.
중복 서열과 유전자 예측을 통한 진화 모델
이동성 유전인자(트랜스포존, transposon)는 진핵 유전체의 주요 구성 요소 중 하나로, 수박의 유전체 45.2%(159.8Mb)에 해당하는 지역이다. 수박의 염색체에서 어셈블리 되지 않은 지역을 나타낸 것으로, 주로 트랜스포존 부위이며, 아래쪽은 FISH로 나타낸 동원체(centromere), 텔로미어(telomere), ribosomal DNA (rDNA) 클러스터에 대한 중복 구조이다. FISH는 형광 표지물질을 이용하여 염색체에서 DNA 서열에 붙여 유전체의 위치를 확인하는 분석 방법이다.
특히 트랜스포존 부위 중 68.3%가 긴 말단 반복부위의 래트로트랜스포존(LTR(Long terminal repeat) retrotransposon)인데, 오이와 수박의 LTR retrotransposon 부위의 분기시기가 유사함을 볼 수 있다. 또한 다양한 품종의 수박 유전체를 분석하여 단백질 코딩 유전자 23,440개(2n=22)의 유전적 통계치를 정리한 것이다. 단백질 코딩 유전자의 85%는 기능적 상동 부위였다. 단백질에 코딩되지 않은 유전자를 분석한 것으로, 123개 rRNA(ribosomal RNA), 789개 transfer RNA, 335개 small nuclear RNA, 141개 microRNA 유전자를 확인하였다.
lanatus 종과 vulgaris 종의 염색체의 가장자리나 중심체 부위에 위치한 트랜스포존 부위를 표시한 것이다. Lanatus 종은 4번과 8번 염색체에서 하나의 5S와 두 개의 45S rDNA를 가지고 있으며, vulgaris 종은 추가적으로 11번 염색체에도 가지고 있어서 하나의 45, 두 개의 5S rDNA를 가졌다. 이는 FISH 분석방법을 이용하여 알 수 있었다.
FISH 분석에 의해 확인된 염색체의 융합과 분열, rDNA 전위에 의한 트랜스포존 부위는 진화과정에서 생성되었으며, 이를 이용하여 진화 계통을 살펴보면 가장 최근의 공통 조상이 mucosospermus 종임을 확인할 수 있었다.
조롱박 식물의 진화와 수박의 유전적 다양성
속씨식물의 분자 메커니즘을 확인하기 위해 수박 유전체와 유사한 302개 유전자(29%)를 보유한 7가지 3배체 식물을 분석한 것이다. 수박의 염색체를 비교하여, 7가지 식물이 대부분 1,500~2,300만년 전에 분기된 사실을 알 수 있었다.
그 중 특히 수박, 오이, 멜론 사이의 syntenic 관계를 분석하여, 유사 염색체를 확인하였고, 염색체의 진화와 복잡한 재조합 수준을 확인한 것이다. syntenic 관계라는 것은 염색체 상의 유전자 구성이 유사한 관계를 의미하는데, 예를 들어 1개의 염색체 상의 어느 영역에 존재하는 유전자에 대한 유사한 유전자가 다른 쪽 생물 종의 특정 염색체의 일부 영역에 존재하는 상태를 말한다. 7개의 염색체로 구성된 공통 조상에서 포도가 수박에 가장 가까웠으며, 이는 3,543개 유사 유전자로 확인할 수 있었다.
조상의 7개 염색체에서 중간체를 거쳐, 중복된 구조를 가진 염색체들의 특징을 통해 진화 시나리오를 구성한 것이다. 조상의 7개 염색체에서 21가지 6배체 고생물 중간체를 거쳐, 11개 수박 염색체 구축과정을 소개하고 있는데, 중간체에서 현대의 수박으로 유전되기 위해 염색체 구조의 81번의 분열과 91번의 융합이 이루어진 사실을 확인할 수 있다.
수박의 대표적인 품종 20가지를 resequencing하여 유전적 다양성을 확인하였다. 품종 20가지는 vulgaris 종 10가지(5가지는 동아시아, 5가지는 미국에서 재배된 것), mucosospermus 종 반 야생형 6가지, lanatus 종 야생형 4가지이다. Resequencing은 참조 유전체를 이용하여 해독하는 방식이며, 종에 따라 5~16배 해독하여 6,784,860 SNP와 965,006 indel(염기서열 삽입/삭제)을 확인하였다. 이를 통해 lanatus 종은 다른 두 종과 보다 상대적으로 유전적 다양성을 지닌 것을 볼 수 있다.
유전적 다양성은 생물학적 발견과 생식질의 개선을 위한 귀중한 정보이다. 야생형 수박의 유전적 다양성은 단일 염기의 다양한 형성을 알아보는 수박의 SNP 연관성 정보나 수박과 유사한 종의 구조(구조 별로 색을 다르게 나타내었으며, 하위 종의 생태형을 구분)로 알 수 있다.
vulgaris와 mucosospermus 종과 Lanatus 종의 염색체 차이점을 확인한 것이다. 설탕을 매개신호로 하여 탄수화물 대사조절에 관련하는 741개 유전자를 포함하는 108가지 유전자의 위치(loci)를 확인하였으며, 이를 통해 설탕, 질소화합물의 대사조절, 성장세포의 반응에 관련된 생물학적 과정을 확인하였다.
특히 3번 염색체의 동원체가 아닌 지역에서 종 별 차이가 크게 나타났는데, 차이가 클수록 생식력에 관여하는 유전자가 다른 것을 의미한다. 그 외에 꽃가루에 대한 반응, 화분과 암술의 상호작용 등에서 유전자가 풍부하게 나타났다. 염색체의 차이를 알아봄으로써, 생물적 스트레스에 대한 식물의 반응에 관여하는 유전자는 탄수화물 대사, 과일의 맛, 종자 오일(지방산 대사)등의 특징에 대한 연관성을 확인할 수 있다.
수박의 전사체 분석(질병 저항성 유전자, 체관부 신호전달)
수박은 수많은 질병에 대한 저항력이 부족하여 손실이 많다. 그래서 수박의 병원체 저항성을 개선하여 번식을 개선하자는 목표로 수박의 전사체를 분석하였다. 전사체 분석을 통해 설탕 축적, 시트룰린 대사 등의 과일의 가치를 향상시키고, 오이와 수박의 유전체 간 공통점(체관부 신호 전달 경로)을 식별하였다.
식물의 질병 저항성 유전자는 염기의 결합부위에 류신 중복성 부위(NBS-LRR; nucleotide-binding site and leucine-rich repeat), 그리고 식물의 산화변패의 원인이 되는 히드로퍼옥시드(hydroperoxide)를 생산하는 리폭시게나아제(lipoxygenase)의 양에 영향을 끼친다. Lanatus 종은 44개의 NBS-LRR 유전자를 가지고 있는데, 다른 유사 종과의 교류없이 독립적으로 발전하여 다양성이 낮다. 이는 오이나 파파야와 유전자 수가 유사하지만, 옥수수, 벼, 사과보다 적은 양이다. mucosospermus 종의 반 야생형은 69개 질병 저항성 유전자를 보유하고 있는데, 이는 6개 NBS-LRR, 1개 PR1, 3개 lipoxygenase 유전자를 포함하는 수치로 질병 저항성에 뛰어남을 보인다.
또한 속씨식물은 체관부를 이용하여 신호물질(mRNA)의 장거리 상호작용이 가능하다. 분자 생합성 과정과 단백질 대사과정에 고유한 체관부를 분석한 결과, 오이와 수박의 체관부에는 거의 동일한 유전자가 이용되며, 체액의 50~60%가 유사하다. 오이, 호박, 수박의 체관부 전사체를 비교한 것이다. 호박(Cucurbita maxima)은 체관부 연구 모델로 사용되는데, 이번 연구에서는 Illumina paired-end sequencing과 RNA-Seq을 통해 호박과 수박이 36% 유사함이 밝혀졌다.
또한 전사체 분석을 통해 수박의 품질을 개선하였다. 과육과 껍질의 발현에 관련된 5,352개 유전자에서 과육은 3,046개, 껍질은 558개 전사인자를 확인하였다. 수박은 물을 제외하면 설탕이 지배적으로 많기 때문에, 설탕의 대사 경로에서 관련 유전자를 확인하였다. 14가지 기능성 효소(α-galactosidase, insoluble acid invertase, neutral invertase, sucrose phosphate synthase, UDP-glucose 4-epimerase, soluble acid invertase, UDP-galactose/glucose pyrophosphorylase)들의 설탕 발현 수송 경로를 표현한 것이다.
이 경로에서 설탕 대사에 관련된 유전자 13개, 설탕의 이동성 유전자 14개, 설탕의 효소에 관련된 유전자 62개를 확인하였다. 또한 설탕의 보관에 관련된 1,448개 전사인자에 관련된 유전자인 bZIP유전자는 핵심 조절인자인 Cla014572의 감소를 조절하며, SC-uORF의 증가를 조절하는 기능을 한다.
또 수박에서는 시트룰린 대사경로 또한 중요한데, 글루타민에서 생산되는 시트룰린은 과육에서는 관련 유전자의 발현이 감소되어야 축적이 된다. 시트룰린 대사에 관련된 14개 유전자를 확인하는 경로이다.
맺음말
본 연구에서는 속씨식물과 조롱박식물의 유전체 비교 연구를 위해 조상의 염색체와 현대 작물들의 염색체 구조의 변화를 확인하여 유전 현상을 명확하게 설명해 주었다. 참조 유전체 해독(resequencing)을 통해 유전체의 특징을 찾고, 대립유전자의 감소를 확인하였다. 이는 염색체 지역의 변화로 인한 유전자 그룹의 구조가 달라져 수박의 생물학적 연구와 번식 개선을 위한 데이터로 이용될 것이다. 다른 과일과는 달리 물과 설탕의 비중이 높은 수박의 독특한 대사 및 조절 유전자 네트워크의 이해로 인해 중요한 영양 유전자의 개선이 가능하게 된 것이다.
참고문헌
The draft genome of watermelon (Citrullus lanatus) and resequencing of 20 diverse accessions
http://www.nature.com/ng/journal/v45/n1/full/ng.2470.html
A high resolution genetic map anchoring scaffolds of the sequenced watermelon genome.
http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0029453
Draft genome sequence of pigeonpea (Cajanus cajan), an orphan legume crop of resource-poor farmers.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22057054
저자
글 : Park.Hyeonji
편집 : Ahn.Kung
키워드 : 속씨식물, 조롱박 식물, De novo sequencing, synteny, 수박(Citrullus lanatus), mucosospermus, vulgaris, 호박(Cucurbita maxima), NBS-LRR(nucleotide-binding site and leucine-rich repeat), LTR(Long terminal repeat) retrotransposon, rDNA, resequencing, mRNA, bZIP 등
