Genetic analysis of mitochondrial DNA in garlic (Allium Sativum L.)

Abstract

To analyze the genetic variations among cultivated garlic, partial nucleotide sequences of Cox1, Cox2 and Atp6 in garlic were compared in 30 populations from different geographic origin. The sequence similarity of Cox1, Cox2 and Atp6 was within the range of 96-100%, 94-100% and 97-100%, and most similar to Nelumbo, Panax ginseng, Sorghum bicolor, respectively. There was no clear distinction among 30 populations in phylogeny analysis. Co-transcript of 739 bp Nad3- Rps2 using revers transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR), RNA editing sites of 19 in Nad3 and 8 in Rps12 by comparison with genomic DNA and cDNA sequences was detected. All edited sites resulted in nonsilent amino acid substitutions in coding sequences. In comparing with other plants, sequence and size of co-transcripts were most similar to onion (Allium cepa L.) which was the same genus with garlic. Primer extension analysis was shown that the promoter was located at 45-50 bp upstream of Nad3 5'termini which directed Nad3-Rps12 co-transcript.;마늘 (Allium sativum L.) 은 주로 인경 (bulbles) 이나 주아 (bulbils)로 번식하는 영양번식체로서 대표적인 불염성 식물이다. 이러한 영양번식체라는 특징 때문에 교잡에 의한 연구가 어렵고, 유전적 특성에 의한 구분이 어려워 마늘에 대한 유전적 또는 분자 생물학적인 연구는 많은 제약을 받아왔다. 본 연구에서는 식용 및 약리적 효과 등 다방면으로의 이용가치가 제시, 연구되고 있으나 지금까지 잘 알려지지 않은 마늘에 대해 수원 원예연구소로부터 한국 지역 재배 종 10종과 국외 재배 종 20종을 지원 받아 계통도상의 주요한 미토콘드리아 DNA 유전자인 Coxl, Cox2, Atp6 3종류의 유전자를 이용한 핵산과 아미노산의 서열변이와 계통도상에서의 위치 분석을 통해 재배 종간의 유연 관계를 조사해 보았다. Coxl, Cox2, Atp6 각각 96-100%, 94-100%, 97-100%의 유사성을 보였으며 각각 Nelumbo, Panax ginseng, Sorghum bicolor와 가장 가까움을 알 수 있었고 계통도상에서는 특별히 구분되는 결과는 나타나지 않았다. RT-PCR과 Primer extension 실험을 통해 마늘의 미토콘드리아 DNA 상에서 co-transcript 가 존재하는지의 여부를 알아본 결과, 근연 종인 양파에서 이미 밝혀져 있는 Nad3-Rps12 co-transcript를 마늘에서도 확인 할 수 있었다. Genomic DNA 와 cDNA의 비교를 통해 Nad3에서는 19곳, Rps12에서는 8곳에서 소위 C가 U로 바뀌는 RNA editing이 일어난 것을 알 수 있었으며, Primer extension실험을 통해서 Nad3-Rps12 co-transcript의 Nad3의 5' 위쪽으로 45-50bp 위치에 이 co-transcript에 대한 전사 시작 부위가 있음을 예측할 수 있다. 마늘에 대한 앞으로의 연구에서는 미토콘드리아 유전자를 통한 AFLP나 계통도에 유력한 후보인 엽록체의 유전자 변이를 미토콘드리아의 유전자 변이와 함께 자료 분석에 고려함으로써 마늘 지역 종간의 유연 관계를 파악하고, 마늘에 대한 더 다양한 co-transcription 유전자 군의 조사를 통해 마늘의 유전자적인 특징을 파악할 수 있으리라 본다.;마늘 (Allium sativum L.) 은 주로 인경 (bulbles) 이나 주아 (bulbils)로 번식하는 영양번식체로서 대표적인 불염성 식물이다. 이러한 영양번식체라는 특징 때문에 교잡에 의한 연구가 어렵고, 유전적 특성에 의한 구분이 어려워 마늘에 대한 유전적 또는 분자 생물학적인 연구는 많은 제약을 받아왔다. 본 연구에서는 식용 및 약리적 효과 등 다방면으로의 이용가치가 제시, 연구되고 있으나 지금까지 잘 알려지지 않은 마늘에 대해 수원 원예연구소로부터 한국 지역 재배 종 10종과 국외 재배 종 20종을 지원 받아 계통도상의 주요한 미토콘드리아 DNA 유전자인 Coxl, Cox2, Atp6 3종류의 유전자를 이용한 핵산과 아미노산의 서열변이와 계통도상에서의 위치 분석을 통해 재배 종간의 유연 관계를 조사해 보았다. Coxl, Cox2, Atp6 각각 96-100%, 94-100%, 97-100%의 유사성을 보였으며 각각 Nelumbo, Panax ginseng, Sorghum bicolor와 가장 가까움을 알 수 있었고 계통도상에서는 특별히 구분되는 결과는 나타나지 않았다. RT-PCR과 Primer extension 실험을 통해 마늘의 미토콘드리아 DNA 상에서 co-transcript 가 존재하는지의 여부를 알아본 결과, 근연 종인 양파에서 이미 밝혀져 있는 Nad3-Rps12 co-transcript를 마늘에서도 확인 할 수 있었다. Genomic DNA 와 cDNA의 비교를 통해 Nad3에서는 19곳, Rps12에서는 8곳에서 소위 C가 U로 바뀌는 RNA editing이 일어난 것을 알 수 있었으며, Primer extension실험을 통해서 Nad3-Rps12 co-transcript의 Nad3의 5' 위쪽으로 45-50bp 위치에 이 co-transcript에 대한 전사 시작 부위가 있음을 예측할 수 있다. 마늘에 대한 앞으로의 연구에서는 미토콘드리아 유전자를 통한 AFLP나 계통도에 유력한 후보인 엽록체의 유전자 변이를 미토콘드리아의 유전자 변이와 함께 자료 분석에 고려함으로써 마늘 지역 종간의 유연 관계를 파악하고, 마늘에 대한 더 다양한 co-transcription 유전자 군의 조사를 통해 마늘의 유전자적인 특징을 파악할 수 있으리라 본다.;To analyze the genetic variations among cultivated garlic, partial nucleotide sequences of Cox1, Cox2 and Atp6 in garlic were compared in 30 populations from different geographic origin. The sequence similarity of Cox1, Cox2 and Atp6 was within the range of 96-100%, 94-100% and 97-100%, and most similar to Nelumbo, Panax ginseng, Sorghum bicolor, respectively. There was no clear distinction among 30 populations in phylogeny analysis. Co-transcript of 739 bp Nad3- Rps2 using revers transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR), RNA editing sites of 19 in Nad3 and 8 in Rps12 by comparison with genomic DNA and cDNA sequences was detected. All edited sites resulted in nonsilent amino acid substitutions in coding sequences. In comparing with other plants, sequence and size of co-transcripts were most similar to onion (Allium cepa L.) which was the same genus with garlic. Primer extension analysis was shown that the promoter was located at 45-50 bp upstream of Nad3 5'termini which directed Nad3-Rps12 co-transcript.