Discovering genetic loci associated with rate of vegetative index gain using UAV-based phenomics in spring wheat

본 연구는 UAV 기반 표현형 분석을 활용하여 196 종의 봄밀 품종에서 식생지수 증가율을 정량화하고, 수량과 양의 상관관계를 가지며 현대 육종 과정에서 점진적으로 선발되어 온 1B 및 5D 염색체의 두 가지 안정적인 유전자좌를 규명함으로써, 수관 역동성과 수량 형성에 대한 고처리량 유전적 해석을 용이하게 하는 KASP 마커를 제공하였다.

핵심

한 달에 한 번만 사진을 찍어 밀 식물이 어떻게 자라는지 이해하려 한다고 상상해 보세요. 당신은 미래의 이삭 크기를 결정하는 작고도 결정적인 순간들을 모두 놓치게 될 것입니다. 이것이 과학자들이 밀에서 직면한 문제입니다. 가장 중요한 성장은 밀이 꽃을 피우기 전 (출수 전 단계) 에 일어나지만, 이를 측정하는 전통적인 방법들은 너무 느리고 흐릿하여 그 움직임을 포착하지 못했습니다.

이 논문은 밀의 성장을 실시간으로 관찰하기 위해 필름 카메라에서 고속 드론 카메라로 업그레이드하는 것과 같습니다.

고속 드론 미션
연구진은 특수한 '다중분광' 눈 (가시광선 이상의 빛을 감지하는 센서) 을 장착한 드론을 이용해 196 가지의 서로 다른 봄밀 품종 위로 비행시켰습니다. 이들은 단순히 무작위 밀이 아니라, 매우 오래된 전통 품종부터 현대의 첨단 품종에 이르기까지 112 년의 육종 역사를 대표하는 것이었습니다.

단순히 한 시점의 밀의 녹색 정도만 보는 대신, 팀은 시간에 따른 밀의 '녹색도' (식생 지수) 가 증가하는 속도를 측정했습니다. 이는 경주에서 달린 거리뿐만 아니라 경기 전반부 동안 가속한 속도로 선수를 평가하는 것과 같습니다. 그들은 이 속도를 '식생 지수 증가율 (RVIs)'이라고 불렀습니다.

그들이 발견한 것

1. 속도가 곧 성공입니다: 그들은 명확한 연관성을 발견했습니다. 초기 단계에서 밀의 캐노피 (잎이 우거진 윗부분) 가 자라는 속도가 빠를수록, 나중에 식물이 생산하는 곡물이 더 많았습니다. 사실, 초기에 튼튼하고 빠르게 자라는 '지붕'이 식물이 나중에 곡물로 이동시킬 자원을 모으는 데 도움이 된다는 것이 밝혀졌습니다.
2. 현대 밀은 더 빠릅니다: 오래된 밀 품종과 현대 품종을 비교했을 때, 현대 밀은 캐노피를 구축하는 데 일관되게 더 빨랐습니다. 이는 육종가들이 지난 세기 동안 우연히 (또는 의도적으로) 이 '속도'를 선택해 왔음을 시사합니다.
3. 유전적 '속도 제한' 찾기: 팀은 이 성장 속도를 조절하는 특정 유전적 스위치 (유전자좌) 를 찾기 위해 이 밀 식물들의 DNA 를 스캔했습니다. 그들은 DNA 에서 67 개의 서로 다른 위치를 발견했습니다.
   • 일부 위치는 성장 속도만 조절했습니다.
   • 다른 위치는 성장 속도와 최종 곡물 무게를 모두 조절했습니다.
   • 두 가지 특정 위치 (1B 와 5D 염색체) 는 '챔피언'이었습니다. 날씨나 위치에 관계없이 이 위치들은 일관되게 밀이 더 빠르게 자라고 더 많은 곡물을 생산하도록 만들었습니다.

미래를 위한 도구
연구진은 이 위치들을 찾는 데서 그치지 않고, '유전적 바코드 스캐너'처럼 작동하는 간단한 유전자 검사 (KASP 마커) 를 개발했습니다. 이를 통해 농부와 육종가는 밀 씨앗의 DNA 를 빠르게 확인하여 이러한 '속도' 유전자의 '좋은' 버전을 가지고 있는지 알 수 있습니다.

약 3,000 개의 밀 샘플로 구성된 글로벌 컬렉션을 살펴봤을 때, 그들은 명확한 이야기를 보았습니다.

• 오래된 것 vs 새로운 것: '빠른 성장' 유전자는 고대 재래종에서는 드물지만 현대 작물에서는 매우 흔합니다.
• 겨울밀 vs 봄밀: 이러한 유전자는 봄밀보다 겨울밀에서 더 흔합니다.
• 추세: 지난 100 년 동안 5D 염색체의 '빠른 성장' 유전자는 거의 보편화 (거의 고정) 되었으며, 1B 염색체의 유전자는 더 흔해지고 있지만 아직 완전히 고정되지는 않았습니다.

한 마디로
이 연구는 훌륭한 밀 수확의 비결이 단순히 최종 산물에 있는 것이 아니라, 초기 단계에서 식물이 엔진을 얼마나 빠르게 구축하는지에 있다는 것을 발견한 것과 같습니다. 드론을 사용하여 성장 속도를 관찰하고 이를 조절하는 특정 DNA 코드를 찾아냄으로써, 과학자들은 육종가에게 더 빠르고, 더 강하며, 더 생산적인 밀을 재배할 수 있는 새로운 정밀 도구를 제공했습니다.

기술 요약

기술 요약

문제 제기
밀의 출수 전 단계는 소이 형성, 화아 비옥도 및 관엽 발달을 결정짓는 중요한 생리학적 창구로, 수량 잠재력과 초기 스트레스 감지에 직접적인 영향을 미칩니다. 그러나 기존 표현형 분석 방법의 낮은 시간 해상도라는 한계로 인해, 이 단계 동안의 관엽 발달에 대한 유전적 기초는 여전히 잘 이해되지 않고 있습니다. 이러한 제약은 출수 전 기간 동안의 자원 재이동과 수량 형성을 주도하는 유전적 기작을 효과적으로 해부하는 능력을 저해해 왔습니다.

방법론
이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구는 분기에서 출수 단계에 걸친 식생 지수 증가율 (RVIs) 을 정량화하기 위해 UAV 기반의 고처리량 표현형 분석 (HTP) 을 적용했습니다. 연구는 112 년의 육종 역사를 반영하는 196 품종의 봄밀 패널을 활용했습니다.

• 데이터 수집: UAV 에 장착된 다분광 센서가 두 개의 연속된 생육 계절에 걸쳐 데이터를 수집했습니다.
• 표현형 분석: 여섯 가지 서로 다른 식생 지수를 사용하여 RVIs 를 계산했습니다.
• 유전적 분석: 밀 37K SNP 어레이를 사용하여 전장 유전체 연관 분석 (GWAS) 을 수행했습니다. 본 분석은 RVIs 와 과립 수량 (GY) 및 천립중 (TGW) 간의 상관관계를 규명했습니다.
• 검증 및 적용: 유의한 유전자좌는 다양한 환경에서 검증되었습니다. 안정적인 유전자좌에서 추출된 태그 SNP 는 KASP 마커로 변환되었습니다. 이러한 마커의 대립유전자 분포는 약 3,000 개의 접근성을 가진 글로벌 밀 수집품에서 추가로 분석되었으며, 다양한 육종 시대에 걸쳐 재래종 대비 품종, 그리고 겨울밀 대비 봄밀 유형을 비교했습니다.

주요 결과

• 표현형 경향: RVIs 는 과립 수량과 유의한 양의 상관관계를 보였습니다 ($r=0.29–0.43$; $p<0.001$). 또한, RVIs 는 구품종에 비해 현대 품종에서 일관되게 증가하여, 출수 전 관엽 발달 중 개선된 자원 재이동이 현대 육종에서 수량 증가의 주요 동인이었음을 시사합니다.
• 유전적 발견: GWAS 는 해당 형질과 연관된 67 개의 유전자좌를 확인했습니다. 이들은 다음과 같이 분류되었습니다:
  • 1 군: RVIs 와만 연관된 12 개의 유전자좌.
  • 2 군: RVIs 와 수량 형질 모두와 연관된 20 개의 유전자좌.
• 안정적 유전자좌: 염색체 1B 와 5D 에 위치한 두 개의 안정적인 유전자좌는 다양한 환경에서 GY 와 RVIs 를 모두 일관되게 증가시키는 것으로 확인되었습니다.
• 대립유전자 역학: 글로벌 수집품에 대한 분석 결과, 두 유전자좌의 유리한 대립유전자는 재래종에 비해 품종에서 우세하며, 봄밀 유형보다 겨울밀 유형에서 더 빈번하게 나타났습니다. 육종 시대별로 두 대립유전자 모두 증가 추세를 보였으며, chr5D 의 유리한 대립유전자는 거의 고정 (fixation) 에 도달한 반면, chr1B 의 대립유전자는 현대 품종에서 부분적으로 풍부하게 유지되었습니다.

의의 및 주장
본 논문은 고처리량 표현형 분석 (HTP) 을 활용한 과립 수량의 유전적 해부를 위한 기초적인 틀을 제공한다고 주장합니다. 출수 전 관엽 역학을 성공적으로 포착함으로써, 본 연구는 세 가지 주요 성과를 달성했습니다:

1. 수량과 식생 지수 증가율의 기반이 되는 두 개의 안정적인 유전자좌 (chr1B 및 chr5D) 의 발견.
2. 이러한 유전자좌에서 유래된 선택 가능한 KASP 마커의 개발.
3. 관엽 역학과 수량 형성 간의 관계에 대한 이해의 촉진.

저자들은 이러한 기여가 밀 생산성 향상을 위한 출수 전 발달 최적화를 목표로 하는 향후 유전 연구 및 육종 전략에 강력한 기반을 제공한다고 결론지었습니다.