[논문 리뷰] Response of Different Tomato Accessions to Biotic and Abiotic Stresses

Kamaran Salh Rasul, Nawroz Abdul-razzak Tahir|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 24.

Leaf Properties and Growth MeasurementAgricultural and Biological Sciences인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 이라크 쿠르드 지역의 64개 토마토 시료에 대해 형질과 세 가지 분자 마커 시스템(ISSR, SCoT, CDDP)을 사용하여 유전자 다양성과 집단 구조를 평가한다. 마커 간 높은 다형성, 유의미한 형형질 변동성, 그리고 두 개의 명확한 유전자 군집을 확인하였으며, 스트레스에 강건하고 수확량이 높으며 과실 품질이 향상된 토마토 품종 육성에 유의미한 유전자 자원을 제공한다.

ABSTRACT

Accessions are prospective sources of genetic variability, as well as valuable genetic resources to deal with present and future crop breeding difficulties. The assessment of population structure and genetic diversity of tomatoes (Solanum lycopersicum L.) that have been distributed in Iraqi Kurdistan region critical in breeding programs for the production of high-yielding cultivars as well as widening the genetic base of tomato. Using fruit quality indices and molecular markers, a panel of 64 tomato accessions taken from six provinces of Iraqi Kurdistan Region, were analyzed for genetic diversity and population structure. In the analysis of variance, the fruit phenotypic data revealed a high level of significant variability among tomato accessions. The most important characteristics for explaining fruit morphological variability, according to principal component analysis (PCA), were fruit weight, fruit size, fruit diameter, total soluble solids, and moisture content. Seven clades with different fruit characteristics were revealed in the cluster analysis. Genetic diversity and relationships among accessions were analyzed using thirteen inter simple sequence repeat (ISSR), twenty-six start codon-targeted (SCoT) polymorphisms, and fifteen conserved DNA-derived polymorphisms (CDDP). The ISSR, SCoT, and CDDP markers generated 121, 294, and 170 polymorphic bands, respectively, showing a high prevalence of polymorphism. The average polymorphism information content (PIC) values for ISSR, SCoT, and CDDP were 0.81, 0.84, and 0.84, respectively. The accessions were divided into two groups based on the cluster and STRUCTURE analysis results. The Mantel test revealed that three sets of markers had positive and significant relationships.

연구 동기 및 목표

• 이라크 쿠르드 지역의 토마토 시료에서 유전자 다양성과 집단 구조를 평가하여 육성 프로그램을 지원한다.
• 시료 간 형형질 변동성에 기여하는 주요 과실 품질 및 형태 형질을 규명한다.
• ISSR, SCoT 및 CDDP 마커의 다형성과 유전자 관계 탐지 능력을 평가한다.
• 저소비 시료의 활용을 통해 토마토의 유전자 기반을 넓히는 기초를 마련한다.
• 미래의 작물 개량을 위한 스트레스 내성과 과실 품질의 유전자 구조에 대한 통찰을 제공한다.

제안 방법

• 이라크 쿠르드 지역의 여섯 개 성에서 64개 토마토 시료를 수집하여 형형질 및 분자 분석을 수행하였다.
• 형형질 자료를 기반으로 과실 무게, 지름, 총 탄화수소 농도, 수분 함량 및 크기를 포함한 과실 품질 지표를 측정하였다.
• 형태적 변동성을 설명하는 데 가장 영향을 미치는 형질을 규명하기 위해 주성분 분석(PCA)을 수행하였다.
• 과실 특성에 기반하여 시료를 군집화하기 위해 클러스터 분석을 수행하였으며, 일곱 개의 구별되는 클러스터를 확인하였다.
• 유전자 다양성을 평가하기 위해 세 가지 분자 마커 시스템(ISSR: 13개 마커, SCoT: 26개 마커, CDDP: 15개 마커)을 사용하였다.
• 유전자 관계와 마커 세트 간 상관관계 평가를 위해 STRUCTURE 및 UPGMA 기반 군집 분석, 그리고 Mantel 검정을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 토마토 시료 간 형형질 변동성에 가장 크게 기여하는 과실 형태 및 품질 형질은 무엇인가?
• RQ2 분자 마커를 사용할 때 이라크 쿠르드 지역의 64개 토마토 시료는 얼마나 높은 수준의 유전적 다양성을 보이는가?
• RQ3 토마토 시료의 집단 구조는 어떠한가? 유전자 및 형형질 데이터 기반으로 어떻게 군집화되는가?
• RQ4 ISSR, SCoT 및 CDDP 마커는 얼마나 유사하게 유전적 변동성을 탐지하는가?
• RQ5 이 시료들은 스트레스에 강건하고 수확량이 높은 토마토 품종 육성에 유전자 자원으로서 얼마나 잠재력이 있는가?

주요 결과

• 형형질 분석에서 과실 무게, 크기, 지름, 총 탄화수소 농도 및 수분 함량에서 높은 수준의 유의미한 변동성이 확인되었다.
• 주성분 분석에서 과실 무게, 과실 크기, 지름, 총 탄화수소 농도 및 수분 함량이 형태적 변동성을 설명하는 데 가장 중요한 형질로 규명되었다.
• 클러스터 분석을 통해 과실 특성에 기반하여 일곱 개의 구별되는 클러스터로 시료가 군집화되었으며, 이는 상당한 형형질 다양성을 시사한다.
• ISSR, SCoT 및 CDDP 마커는 각각 121개, 294개, 170개의 다형성 밴드를 생성하여 시료 전체에서 높은 수준의 유전자 다형성을 확인하였다.
• 평균 다형성 정보 내용(PIC) 값은 ISSR에서 0.81, SCoT에서 0.84, CDDP에서 0.84로 나타나 마커의 높은 정보성과 유용성을 확인하였다.
• STRUCTURE 및 클러스터 분석 모두 시료를 두 개의 주요 유전자 군집으로 나누었으며, Mantel 검정을 통해 세 마커 세트 간 유의미한 양의 상관관계가 확인되었다.