From PGI
Contents
복숭아(Prunus persica) 게놈의 진화 패턴에 따라 나타나는 유전적 다양성
그림 1Prunus persica
복숭아는 장미과에 속하는 교목성 낙엽과수로 원산지가 중국 화북 산시성(陜西省)과 간쑤성(甘肅省)이다. 특히 장미과(Rosaceae)는 상업적으로 중요한 과일류가 많은데, 예를 들어 딸기(Fragaria), 장미(Rosa), 복분자(Rubus), 살구(Prunus) 등이 있다. 그 중 복숭아는 성장과정에서 독특한 특징이 있으며, 게놈 사이즈가 작은 이배체 식물로 살구속에 속한다.
이 연구는 장미과 게놈 데이터베이스를 수집하는 GDR(Genome Database for Rosaceae)의 복숭아 게놈(v1.0)을 레퍼런스로 사용하여 동형접합성(homozygous)의 복숭아 게놈 서열을 이용하였다. 국제 복숭아 게놈 연구소(The International Peach Genome Initiative)에서 진행하였으며, 전체 게놈을 해독하여 대규모 어셈블리를 수행하였다. 그 결과, 27,852개 단백질 코딩 유전자뿐만 아니라 코딩하지 않은 RNA도 예측하였으며, 살구속에 연관된 14가지 품종을 resequencing하여 복숭아 게놈의 진화과정에서 패턴에 따라 유전적 다양성이 나타난 것을 확인하였다. 이 과정에서 복숭아 게놈의 다양성이 유전자의 병목현상에서 유래되었으며, 특히 서열상에 중복되는 영역이 없는 것으로 보아 putative paleoancestor 7가지를 추측할 수 있었다.
장미과 식물들 중 복숭아 게놈
복숭아(Prunus persica)는 장미과의 모델 게놈으로 적합한 유전자 특징을 가지고 있다. 매실이나 체리, 살구종은 다배체 특징이 있으나, 복숭아는 염색체 8개의 이배체로 220~230Mb의 비교적 작은 게놈 사이즈를 가지고 있다. 다른 과일 나무 종은 6~10년 정도 걸리는 데 비해, 2~3년의 짧은 성장기간을 가지며, 유전적으로 꽃과 과일의 개발, 나무의 성장과정에서의 특징, 휴면기(dormancy), 내한성(추위 견딤성), 질병 및 해충 저항을 조절하는 유전자를 가지고 있다.
국제 복숭아 게놈 연구소는 개량된 단배체 품종인 로벨(Lovell)에서 DNA를 추출하여 복숭아 게놈의 초안(v1.0)을생어시퀀싱(Sanger Sequnecing)으로 작성하였다. 높은 정확성으로 8개 염색체를 대표하는 pseudomolecules를 구성하여 7.7배수로 해독하였으며, Arachne를 이용하여 92%이상 어셈블리하여 265Mb를 확인하였다. 추가적으로 어셈블리의 품질을 확인하여, 74,757개 살구의 발현 서열(EST; Expression Sequence Tag) 중 2%가 누락된 것을 확인하였다.
총 28,689개 전사체와 27,852개 유전자를 가지고 있는 것을 확인하였다. 또한 살구속의 14가지 품종을 Illumina Genome Anaylzer IIx와 HiSeq2000으로 resequencing하여, CASAVA 1.7.0으로 분석하였다.
장미과는 복숭아, 사과, 딸기를 비롯하여 재배종인 블랙체리, 장미를 포함하며, 성장과정에서 다양한 특징이 있다. 핵과 과일(예를 들어 복숭아, 살구, 아몬드, 자두, 체리 등)은 비타민, 미네랄, 섬유 등 건강한 식단을 위한 항산화 화합물을 생산하므로 과일 나무 자원의 지속이 중요하며 개선시킬 필요성과 생물학 및 유전학적 통찰력이 필요하다. 특히 장미과 게놈 중 복숭아는 타 품종과의 비교연구에 적합한 시스템(이배체, 작은 게놈 사이즈 등)을 갖추고 있어, 성장과정이나 과일 개발을 위한 유전자 변이를 확인할 수 있다.
복숭아 게놈 초안 생성
Double haplotype의 유전형을 가진 복숭아(peach cv. Lovell, P-Lov2-2N; 2n=16)를 고품질의 전장 게놈를 해독(생어시퀀싱, 8.47x) 및 샷건 어셈블리한 결과, 265Mb의 작은 게놈 사이즈를 확인하였다. 장미과 참조 게놈 서열의 827개 마커를 사용하여 매핑하여 96.1%를 커버함을 확인하였고, 추가로 13개의 fosmid 서열과 비교하여, 서열 정확도가 평균 99.96%임을 확인하였다. 이 서열의 진정염색질(euchromatic) 부분의 완성도를 측정하기 위해 GenBank로부터 얻은 74,606개의 Prunus EST서열과 비교해 본 결과 약 1%가 발견되지 않았다.
또한 반복 서열을 annotation하여 유전자를 예측하였다. 반복서열은 LTR(Long Tandem repeat) retrotransposon을 살펴보았으며, 주로 Ty3-gypsy(9.97%)와 Ty1-copia(8.6%)로 전체 게놈의 18.56%를 구성하였다. 이동성 유전인자(transposon)가 전체 게놈의 9.05%이었다. 총괄하면, 동정된 이동성유전자가 게놈의 29.6%이며, 동정되지 않은 반복서열이 7.54%였다. 포도가 44.5%, 사과가 42.4% 나타나는 것에 비하면 낮은 수치였으나, 애기장대가 18.5% 나타나는 것에 비하면 높은 수치였다.
복숭아 폴리올(Polyol) 생합성과 페닐프로파노이드(phenylpropanoid) 대사 경로에 대해 조사하였다. 대상 경로는 Sucrose, Hexose, polyol, putative monosaccharide, vacuolar glucose, tonoplastic monosaccharide이다.
특히 장미과의 폴리올 생합성은 다른 식물과 다른 뚜렷한 특징이 있는데, 장미과 중에서도 사과와 복숭아는 폴리올 생합성을 통해 소비톨(sorbitol)이라 하는 강한 단맛을 내는 물질을 분비한다. 소비톨은 주로 비타민 C의 원료로서 연화제, 습윤제, 부동제로 사용될 뿐 아니라, 의약품으로서는 당뇨병 환자의 감미제로 사용되기도 한다. 그러나 소비톨이라는 알코올 성분을 설탕으로 변환 시키는 A6PR과 SDH 효소를 가지고 있어야 하기 때문에, 사과, 복숭아, 벚꽃 등으로 장미과 중에서도 제한된 품종에서만 합성과 축적이 이루어진다.
소비톨을 많이 분비하는 사과와 복숭아 모두에서 SDH 효소를 분비하는 SOT 유전자가 확인되었고, 사과에서는 A6PR 효소도 확인되었다. 그러나 딸기는 소비톨이 적게 분비되기 때문에, 효소가 따로 분비하지 않았다. 폴리올 대사와 페닐프로파노이드 대사의 독특한 측면뿐만 아니라 안토시아닌(anthocyanin)에 의해 과일의 성숙 속도가 조절되고, 그에 따라 리그닌(lignin)과 페놀산(phenol acid) 생합성 경로에 영향을 주게 된다. 이러한 과정에서 C3H(P-coumarate 3 hydroxylase) 효소를 분비시키는 데 관련된 56개 유전자를 염색체 1번의 42.6Mb가 중복된 영역에서 확인하였고, 관련 품종들에서도 발현된다는 것을 확인하였다.
복숭아 게놈의 염기 다양성 분석을 통해 작물화(domestication)가 미친 효과를 확인하기 위해, P.persica와 유사한 11가지 품종을 resequencing 하였다. 복숭아와 P.ferganensis 로부터 얻은 정확도가 높은 953,357개 단일변이를 이용하여, psuedomolecule 8개의 유전자 다양성을 측정하였다. 그 결과, 전체 게놈 영역의 평균 염기다양성(π)는 1.5x10-3이었다. 가장 높은 평균 염기다양성(π=2.25x10-3)을 보인 pseudomolecule 2는 다른 게놈에 비해 NB-LRR(nucleotide binding site, leucine-rich repeat) 단백질을 인코딩하는 유전자가 5배 이상 밀집해 있었다. 또 haplotype의 다양성과 LD 붕괴(linkage disequilibrium decay)가 높고, 질병 및 해충 저항성 유전자를 가진 지역이 확장된 것을 확인하였다.
비교분석을 통해 복숭아 게놈의 진화를 관찰하여 2배, 3배 중복된 지역을 확인한 것이다. 진정쌍떡잎식물은 1억 5천만 년 전에 분기되어, 유전자와 염색체가 가장 유사한 포도 게놈과 비교하였다. DAGchainer를 사용하여 복숭아 염색체의 중복지역을 확인하였고, 진화하면서 발생된 염색체 내 재정렬 때문에 총 7 subgenomic 영역에서 중복이 일어난 것을 확인하였다.
복숭아와 다른 종과의 진화차이가 큰 것을 4DTv(fourfold synonymous third-codon transversion) 거리로 분석한 결과이다. 최근의 중복되는 구간과, 복숭아와 사과 사이의 유사성에 대한 피크를 확인할 수 있었다. 이 결과를 통해, eudicots에서 보이는 hexaploidy는 Vitaceae와 Rosacease가 분기되기 이전에 일어난 현상임을 알 수 있었다.
맺음말
복숭아는 장미과 품종의 성장과정 특징과 과일 품종의 다양성을 확인하여, 게놈의 다양한 진화를 확인할 수 있었다. 유사 품종을 resequencing하여 재배종과 번식에 관련된 프로세스에 연관된 유전자를 확인하였고, 염색체 지역의 다양성 위치에서 번식활동과 질병 및 해충에 대한 저항, 과일 성숙기간과 같은 특징들이 선택적 발현이 일어난다는 것을 발견하였다.
높은 품질의 복숭아 게놈을 어셈블리하기 위해, 특정 유전자를 전사하였으며, 작은 게놈 사이즈와 성장과정의 특징적인 점과 이배체 종의 변이를 조사하였다는 점에서 가치가 큰 연구였다. 본 연구를 이용하여 상업시장에서 복숭아의 품질을 개선할 것이라 기대해본다.
참고문헌
The high-quality draft genome of peach(Prunus persica) identifies unique patterns of genetic diversity, domestication and genome evolution
http://www.nature.com/ng/journal/vaop/ncurrent/full/ng.2586.html
Genome wide identification and characterization of cold responsive microRNAs and siRNAs in Prunus persica by high-throughput sequencing.
Comparison of the genetic determinism of two key phenological traits, flowering and maturity dates, in three Prunus species: peach, apricot and sweet cherry.
저자
글 : Park.HyeonJi
편집 : Lee.Sunghoon
키워드 : Rosaceae, Prunus persica, pseudomolecules, Polyol, sorbitol, resequencing 등
