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Aug 06, 2023

발아 단계에서 시험관 내 스크리닝을 통해 EMS 돌연변이 유발 알팔파(Medicago sativa L.) 돌연변이의 가뭄 내성 개선

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12693(2022) 이 기사 인용

2065 액세스

측정항목 세부정보

이 연구의 목적은 35% PEG6000의 삼투압 스트레스가 있는 상태에서 발아 단계에서 EMS 돌연변이가 발생한 340675 M3 종자를 스크리닝하여 가뭄 저항성 신규 알팔파 돌연변이(Medicago sativa L.) 유전자형을 결정하는 것이었습니다. 뿌리 성장 분석은 여러 가뭄 저항성 후보 돌연변이를 제공했습니다. 그 중, 4개의 돌연변이체를 꽃눈 단계에서 첫 번째 절단 후 24일 동안 적용된 물 부족 조건에서 추가로 평가했습니다. 결과는 발아 단계에서 가뭄 저항성으로 결정된 돌연변이가 물 부족 조건에도 내성이 있음을 보여주었습니다. 단백질 함량과 슈퍼옥사이드 디스뮤타제 값은 대조군보다 모든 돌연변이에서 더 높은 것으로 나타났습니다. 아스코르베이트 과산화물, 대식가 환원효소 및 지질 과산화효소 값은 돌연변이 유전자형과 가뭄 스트레스 기간에 따라 다양했습니다. 가뭄 스트레스는 MtP5CS, MtDehyd, MseIF-2, MtRD2 및 MsNAC 유전자의 전사 수준을 크게 변화시켰습니다. 이러한 결과는 발아 및 초기 묘목 성장 단계에서 삼투 내성에 대한 자주개자리 돌연변이 종자의 시험관 내 스크리닝이 꽃눈 단계에서 첫 번째 절단 후 물 부족 조건에도 내성이 있는 가뭄 내성 자주개자리 돌연변이를 성공적으로 결정할 수 있음을 나타냅니다.

지구 온난화는 식물 생산에 필요한 관개용수를 제한함으로써 오늘날의 농업 생산을 위협하고 있습니다1. 따라서 가뭄 스트레스 조건을 더 잘 견디고 수확량 손실을 최소화할 수 있는 새로운 식물 품종의 개발은 미래 세대의 식량 안보를 보장한다는 측면에서 전략적으로 중요합니다. 그러나 가뭄 스트레스 메커니즘의 복잡한 구조는 육종 연구의 느린 진행에 대한 가장 중요한 이유 중 하나입니다2. 가뭄 내성은 여러 유전자에 의해 제어되는 정량적 유전을 보여줍니다3. 이들 유전자 사이의 상위성 및 다발성 관계로 인해 육종 연구를 실행하기가 매우 어렵습니다3. 또한 식물의 발달 기간, 스트레스 기간 및 심각도와 같은 요소도 가뭄 스트레스의 정량적 유전 정도를 평가하는 데 중요한 결정 요인입니다4.

가뭄에 강한 식물은 수분 잠재력이 낮은 조건에서도 정상적인 기능을 수행할 수 있는 능력을 가지고 있습니다5. 식물은 생리학적, 형태학적, 전사적 수준에서 가뭄 스트레스의 해로운 영향을 최소화하기 위해 물 부족 조건에서 여러 가지 전략을 사용합니다. 식물은 또한 가뭄 조건에서 높은 수분 잠재력을 유지하는 식물의 능력으로 정의되는 탈출 전략을 사용합니다. 이 전략은 일반적으로 잎 면적 감소, 기공 수 및 전도성 감소, 조밀한 뿌리 시스템 형성 및 뿌리/줄기 비율 증가와 같은 식물의 일부 농업 형태적 변화에 의해 제공됩니다6.

자주개자리(Medicago sativa L.)는 필수 마초 작물이며 높은 건초 수확량, 탁월한 영양 품질, 질소 고정 능력8 등 다양한 방식으로7 지속 가능한 농업 및 축산업에 귀중한 기여를 하기 때문에 전 세계적으로 상당한 경제적 중요성을 갖고 있습니다8. 알팔파 종 내에서 재배되는 품종은 거의 동일한 게놈을 가진 자가사배체입니다9. 알팔파는 일반적으로 깊은 뿌리 체계로 인해 가뭄에 강한 것으로 나타납니다. 이는 일반적으로 식재 후 몇 년 동안 두드러집니다10. 그러나 발아 및 조기 묘목 성장과 함께 파종 연도에 벌목 직후 알팔파의 재성장 단계는 가뭄 스트레스에 매우 취약합니다. 또한 알팔파는 여러 번 수확하고 성장기에 가장 높은 수확량의 사료를 제공하기 때문에 특히 건조한 지역에서 다른 재배 식물에 비해 훨씬 더 많은 관개수가 필요합니다.

가뭄을 포함한 다양한 비생물적 스트레스를 견딜 수 있는 새로운 알팔파 품종 개발에 부분적인 성공이 있었지만11, 다른 중요한 작물 종에 비해 매우 제한적인 진전이 있었습니다12. 또한, 직접 선별을 통해 가뭄 스트레스에 대한 내성 식물을 식별하는 것은 주로 사용된 물질의 유전적 변이와 선별 방법의 성공 여부에 달려 있습니다. 교배 방법을 사용하고 기존의 좁은 알팔파 유전적 기반을 선별하여 새로운 가뭄 저항성 알팔파 유전자형을 개발하는 것은 매우 어려운 것으로 보입니다13. 따라서 우리는 새로운 유전적 변이를 만들기 위해 EMS(에틸 메탄 설포네이트) 돌연변이 유발을 사용했습니다. 시험관 내 조건 하에서 발아 단계에서 M3 돌연변이 종자를 스크리닝하여 여러 가뭄 저항성 후보를 얻었습니다. 그 중 4개는 또한 꽃봉오리 단계에서 첫 번째 절단 후 24일 동안 물 부족 조건에서 생리적, 형태학적 및 전사 수준에서 재평가되었으며, 이는 두 가지 모두에서 자주개자리의 재성장 성능을 결정하는 또 다른 중요한 단계로 간주되었습니다. 관개 및 비관개 성장 조건. 돌연변이의 가뭄 스트레스 반응을 관개 및 비관개 대조 식물과 비교했습니다.