Induction of male-sterility by controlling of hormonal biosynthesis in rice (Oryza sativa L.) : 벼의 내생 호르몬 생합성 제어를 통한 웅성불임체 유도

국문 초록 (Abstract)

잡종 강세를 이용한 일대 잡종 육종법은 많은 작물의 육종에 이용되고 있는 방법이다. 벼의 경우, 강한 자가수정의 특성으로 인해 인공 수분에 의한 효율성이 낮아 일대잡종 품종육성방법이 널리 이용되지 못하고 있는 실정이다. 많은 일대 잡종 품종이 CGMS, GMS 등의 웅성불임을 이용한 3-parent system 에 의한 잡종 종자 생산을 하고 있으나, 이를 EGMS 혹은 화학물질 처리를 통한 웅성불임 유발, 또한 생명공학적인 방법을 통해 2-parent system으로 대체할 경우 자가수정 작물들도 더욱 용이하게 웅성불임성을 유지 할 수 있어 일대 잡종 품종육성에 이용할 수 있다.
본 실험은 생명공학적인 방법을 통한 벼의 웅성불임 유기를 목적으로 수행하였다. 벼 꽃 발달에 중요한 식물호르몬인 Jasmonic acid (JA) 와 Gibberellins (GA)의 생합성을 제어하기 위해, 약 및 화분을 포함한 화기조직 특이적 발현조절 프로모터를 포함한 RNAi 벡터를 제작하여 벼 형질전환 실험을 수행함으로서, 벼 약과 화분에서 호르몬 생합성 조절를 통한 벼 웅성불임성을 유도하였다.
JA 생합성 경로에서 중요한 유전자인 Allene Oxide Synthase (OsAOS1, OSAOS2)와 GA 생합성 경로에 관여하는 유전자인 GA-20-oxidase (OsGA20ox1, OsGA20ox3), GA-3-oxidase (OsGA3ox1, OsGA3ox2) 등 여섯 종류의 유전자들을 이용하여, 화기조직 특이적 발현조절 프로모터인 Osc4, Osg6b, OsSCP1, OsSCP2, OsIPA 및 비특이적 프로모터인 ubiquitin, OsActin1, CaMV35S 등 총 8종류의 프로모터와 조합하여 JA, GA의 생합성을 화기조직 특이적으로 조절할 수 있는 30종의 RNAi 벡터를 제작하여 벼에 형질전환 하였다. 또한 형질전환 대조군으로 각 Promoter에 GUS:GFP 표식유전자가 삽입된 컨트롤 벡터를 제작하여 벼 형질전환 실험을 수행하였다. 컨트롤 벡터가 삽입된 형질전환체는 화기조직에서 GUS표식유전자 발현 분석 결과, 화기조직 특이적 GUS 활성을 확인하었다. 본 연구에 사용된 RNAi 벡터들에 의해 GA생합성 억제를 확인하기 위하여, 비특이적 프로모터를 사용하여 육성된 형질전환 개체들을 분석한 결과, 대조식물에 비해 식물의 간장이 약 20% 감소하여 반왜성 표현형을 보였다. 또한 반왜성 식물체의 유묘들을 분석한 결과, 관련유전자의 발현이 감소하였으며, GA 생합성이 저해되었음을 확인하였다.
RNAi 벡터가 삽입된 T0 개체들의 경우, OsAOS, OsGA20ox, OsGA3ox 등 모든 RNAi 형질전환 개체들이 컨트롤 형질전환체에 비해 낮은 임성을 보여주었다. OsAOS의 경우 OsAOS2가 OsAOS1 에 비해 더 낮은 임성을 보여주었고 Osg6b 프로모터가 Osc4 프로모터에 비해 더 낮은 임성을 보임으로 웅성불임 유기에 효과적이었다. OsGA20ox 와 OsGA3ox RNAi 형질전환체의 경우 OsGA3ox1 과 OsGA20ox1 형질전환체가 가장 낮은 임성을 보여주었으며 OsGA20ox3의 경우 다른 형질전환체에 비해 비교적 높은 임성을 보여주었다. 프로모터에 따른 차이의 경우, 유전자마다 상이한 경향을 보여주었으며, OsSCP1, OsSCP2프로모터가 다른 프로모터에 비해 낮은 임성을 보여주었다.
본 논문에 제시된 연구결과들은 향후 벼를 대상으로 생명공학적 방법을 이용한 일대잡종 종자생산연구에 유용한 활용될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• LIST OF TABLES I
• LIST OF FIGURES II
• LIST OF APPENDIX VI
• LIST OF ABBREVIATION VIII
• CHAPTER 1. GENERAL INTRODUCTION AND REVIEW OF LITERATURES 1
• CHAPTER 2. RNAI VECTORS CONSTRUCTION FOR THE CONTROL OF PHYTOHORMONE BIOSYNTHESIS. 23
• INTRODUCTION 23
• MATERIALS & METHODS 23
• RESULTS & DISCUSSIONS 27
• CHAPTER 3. INDUCTION OF MALE-STERILITY IN RICE USING RNAI APPROACHES: ALLENE OXIDE SYNTHASE 33
• INTRODUCTION 33
• MATERIALS & METHODS 34
• RESULTS & DISCUSSIONS 39
• CHAPTER 4. CONTROLLING THE HEIGHT OF RICE USING RNAI APPROACHES ? OSGA3OX2 AND OSGA20OX1 46
• INTRODUCTION 46
• MATERIALS & METHODS 46
• RESULTS & DISCUSSIONS 54
• CHAPTER 5. GA: INDUCTION OF MALE-STERILITY RICE USING RNAI ? GA20OX, GA3OX - APPROACHES 76
• INTRODUCTION 76
• MATERIALS & METHODS 76
• RESULTS & DISCUSSIONS 78
• CHAPTER 6. GENERAL DISCUSSION 97
• REFERENCES 105
• ABSTRACT 115
• APPENDIX. 117