KR102261338B1 - InDel molecular marker for discriminating genotype of restorer-of-fertility genes involved in cytoplasmic male sterility of pear and uses thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an InDel molecular marker for discriminating the genotype of a gene related to male sterility recovery in cytoplasmic genes of Pyrus pyrifolia, and uses thereof. The InDel molecular marker of the present invention can quickly and accurately predict the presence or absence of pollen in Pyrus pyrifolia by using genomic DNA from young leaves regardless of the flowering period, thereby reducing the cost and time required for breeding of Pyrus pyrifolia.

Description

배의 세포질 유전자 웅성불임성 회복 관련 유전자의 유전자형을 판별하기 위한 InDel 분자마커 및 이의 용도{InDel molecular marker for discriminating genotype of restorer-of-fertility genes involved in cytoplasmic male sterility of pear and uses thereof}InDel molecular marker for discriminating genotype of restorer-of-fertility genes involved in cytoplasmic male sterility of pear and uses thereof

본 발명은 배의 세포질 유전자 웅성불임성 회복 관련 유전자의 유전자형을 판별하기 위한 InDel 분자마커 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to an InDel molecular marker for determining the genotype of an embryo cytoplasmic gene male fertility recovery-related gene and its use.

배는 배나무(Pyrus spp)의 과실로, 사과와 더불어 배나무 아과에서 전 세계적으로 바나나와 감귤 다음으로 세 번째로 많은 8천만 톤이 연간 생산되고 있으며, 장미과 내에서는 연 생산량 252백만 톤으로 두 번째로 생산량이 많다(FAO 2013). 배나무는 대부분의 다른 과수들과 같이 파종 후 과실을 맺기까지 오랜 기간이 걸리는 유년성(幼年性)과 자가수분이 불가능한 자가불화합성(self-incompatibility)의 특성으로 인해서 육종 주기가 길다는 단점이 있다. 따라서, 육종 효율의 제고를 위해서 유용형질 연관 분자표지의 개발에 대한 요구가 높아지고 있다.Pear is the fruit of the pear tree ( Pyrus spp), and together with apples, 80 million tons of pears are produced annually in the pear subfamily, the third largest after bananas and tangerines worldwide, and the second largest in the Rosaceae with 252 million tons of annual production. Production is high (FAO 2013). Pear trees, like most other fruit trees, have a disadvantage in that the breeding cycle is long due to the characteristics of juvenile that takes a long time from sowing to fruiting and self-incompatibility where self-pollination is impossible. . Therefore, there is a growing demand for the development of useful trait-associated molecular markers to improve breeding efficiency.

배는 1976년에 세포질 웅성불임성(cytoplasmic male sterility)의 연구가 보고되었으며, 주로 화분(pollen)의 유무로서 표현형이 나타난다. 세포질 웅성불임은 미토콘드리아의 변이 유전자에 의해서 발생하며 미토콘드리아 DNA는 세포질에 존재하며 모계로 유전되기 때문에, 불임 유전자를 지닌 미토콘드리아는 후대에 보존되어 유전된다. 상업적 과원에서는 재배 품종에 따라 S(웅성불임 세포질) 유전자형을 고려하여 수분수(pollinizer)를 재식하거나, 인공 수분을 시행해야 한다. The study of cytoplasmic male sterility was reported in 1976 in embryos, and the phenotype appears mainly as the presence or absence of pollen. Cytoplasmic male infertility is caused by a mutated mitochondrial gene and mitochondrial DNA exists in the cytoplasm and is inherited from the maternal line, so the mitochondria with the infertility gene are conserved and inherited in the next generation. In commercial orchards, depending on the cultivar, pollinizers should be planted or artificial pollination should be performed in consideration of the S (male infertility cytoplasm) genotype.

GBS(Genotyping by sequencing)는 DNA 유전정보를 읽어내는 자동화 기술인 NGS(Next generation sequencing)의 응용기술로서 2011년도에 개발 및 보급되었다. GBS는 NGS 기술 분석 플랫폼의 토대로 다수의 개체에 대한 단일염기다형성(SNP)을 개발하고 유전자형 분석(genotyping)을 가능케 하는 일련의 분석 과정을 일컫는다. 기존 NGS에서 한 개체의 염기서열 정보를 읽어냈다면, GBS에서는 다수의 목표 개체에 대하여 제한효소를 처리하고, 바코드 및 어댑터를 부착하는 방법을 특징으로 하는 분석 라이브러리 제작방법을 통해 비교적 저렴한 비용으로 다수의 개체에 대한 대용량의 단편 염기서열 데이터와 유전자형 데이터를 얻을 수 있다. GBS 기술은 SNP의 탐색에 적합하며 탐색된 SNP는 다수의 개체 간 전장유전체 연관성 분석(genome-wide association study), 연관 지도 작성 및 양적형질 맵핑(QTL mapping) 등의 다양한 동식물 종의 유전연구에 이용되고 있다. NGS 및 GBS와 같은 식물 게놈 분석기술의 발달로 인해 목표형질에 연관된 유전적 변이 탐색이 가능해졌으며, 이를 육종 프로그램에서 분자표지선발(marker-assisted selection, MAS)에 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히 유전자 지도를 기반으로 양적·질적 형질에 대한 유전자 지도 작성은 농업형질의 유전적 배경에 대한 통찰력을 제공하고, 나아가 분자표지선발을 위한 형질 연관분자 표지의 개발을 보다 용이하게 한다.GBS (Genotyping by sequencing) was developed and distributed in 2011 as an application technology of NGS (Next generation sequencing), an automated technology that reads DNA genetic information. GBS refers to a series of analysis processes that develop single nucleotide polymorphisms (SNPs) for multiple individuals and enable genotyping as the basis of the NGS technology analysis platform. If the nucleotide sequence information of a single entity was read in the existing NGS, GBS treats a number of target entities with restriction enzymes and attaches barcodes and adapters to a large number at a relatively low cost through an analysis library production method characterized by attaching barcodes and adapters. It is possible to obtain a large amount of fragment sequencing data and genotype data for individuals of GBS technology is suitable for the search for SNPs, and the discovered SNPs are used for genetic studies of various animal and plant species, such as genome-wide association studies between multiple individuals, association mapping, and quantitative trait mapping (QTL mapping). is becoming With the development of plant genome analysis technologies such as NGS and GBS, it has become possible to search for genetic mutations related to target traits, and research is underway to utilize them for marker-assisted selection (MAS) in breeding programs. In particular, the creation of genetic maps for quantitative and qualitative traits based on genetic maps provides insight into the genetic background of agricultural traits and further facilitates the development of trait-related molecular markers for molecular marker selection.

분자마커란 중합효소연쇄반응(Polymorphism chain reation) 기술을 사용하여 다형성을 검출하는 방법으로 기본적으로 간단하고 신속하며 재배환경이나 식물의 발육단계, 연구자의 주관성 등 여러 환경적 요인으로부터 결과에 영향을 받지 않는다. InDel 마커는 특정 종 혹은 유연관계가 가까운 개체의 게놈 DNA 염기서열에서 삽입(insertion)되거나 결실(deletion)되어진 염기서열을 분자표지로 탐색하여 사용한다. 유전체 내 존재하는 다양한 DNA 변이 구조 중에서 InDel 구조를 포함하도록 PCR 프라이머를 디자인한 후 PCR과 전기영동을 수행하면 개체별 InDel 다형성에 따라 개체의 구별이 가능하다. Molecular markers are a method of detecting polymorphisms using Polymorphism chain reaction technology. They are basically simple and fast and are not affected by various environmental factors such as the cultivation environment, plant development stage, and the subjectivity of the researcher. does not The InDel marker is used to search for a nucleotide sequence inserted or deleted from the genomic DNA nucleotide sequence of a specific species or closely related entity as a molecular marker. If PCR primers are designed to include InDel structures among various DNA mutation structures existing in the genome and then PCR and electrophoresis are performed, individuals can be distinguished according to individual InDel polymorphisms.

한편, 한국등록특허 제1783347호에는 SNP에 기반한 '배의 화분 유무 판별용 CAPS 마커 및 이의 용도'가 개시되어 있고, 한국등록특허 제1778877호에는 InDel 다형성에 기반한 '황금배와 미니배의 품종 구별을 위한 분자마커'가 개시되어 있으나, 본 발명의 배의 세포질 유전자 웅성불임성 회복 관련 유전자의 유전자형을 판별하기 위한 InDel 분자마커 및 이의 용도에 대해서는 기재된 바가 없다.Meanwhile, Korea Patent No. 1783347 discloses 'CAPS marker for determining the presence or absence of pollen in pears and their use' based on SNP, and Korean Patent No. 1778877 discloses 'Distinguishing between golden pear and mini pear varieties based on InDel polymorphism'. A molecular marker for 'is disclosed, but the InDel molecular marker and its use for determining the genotype of the cytoplasmic gene of the present invention and the gene related to male sterility recovery are not described.

본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명자들은 화분이 있는 배 품종(미니배)과 화분이 없는 배 품종(황금배)의 염기서열을 분석한 후 참조 유전체의 염색체 4번 및 5번에 존재하는 임성회복 유전자(restorer gene) Rf1Rf2 염기서열과 황금배 및 미니배 유전체에서 상기 참조 유전체의 Rf1Rf2 유전자와 동일한 위치에 해당하는 염기서열을 비교하여 황금배 및 미니배의 게놈 서열 내 삽입 또는 결실된 다형성에 기반한 InDel 분자마커(CBp04id01 및 CBp05id01)를 개발하였으며, 상기 개발된 InDel 분자마커를 사용하여 PCR을 수행하여 증폭 산물의 크기를 통해 Rf1Rf2의 유전자형을 조합하여 황금배 및 미니배의 종간교배 F1 집단의 화분 유무를 효과적으로 예측할 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.The present invention was derived by the above request, and the present inventors analyzed the nucleotide sequences of a pear cultivar with pollen (mini pear) and a pear cultivar without pollen (golden pear), then chromosomes 4 and 5 of the reference genome Comparing the fertility restoration gene Rf1 and Rf2 nucleotide sequences present in fertility and the nucleotide sequence corresponding to the same position as the Rf1 and Rf2 genes of the reference genome in the golden pear and mini embryo genomes, the genomes of golden pear and mini embryo developed a (CBp04id01 and CBp05id01) InDel molecular markers based on the sequence within the insertion or deletion polymorphism, in the development of the PCR was performed using the InDel molecular markers combining genotype of Rf1 and Rf2 over the size of the amplification product golden times And the present invention was completed by confirming that the presence or absence of pollen in the interspecies F 1 group of mini-bae can be effectively predicted.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 서열번호 1 및 2의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트; 및 서열번호 3 및 4의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트;를 포함하는 배나무(Pyrus spp.)의 화분 유무 예측용 프라이머 세트를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides an oligonucleotide primer set of SEQ ID NOs: 1 and 2; and oligonucleotide primer sets of SEQ ID NOs: 3 and 4; provides a primer set for predicting the presence or absence of pollen of a pear tree (Pyrus spp.), including.

또한, 본 발명은 상기 프라이머 세트; 및 증폭 반응을 수행하기 위한 시약을 포함하는 배나무의 화분 유무 예측용 키트를 제공한다.In addition, the present invention is the primer set; And it provides a kit for predicting the presence or absence of pollen of a pear tree comprising a reagent for performing an amplification reaction.

또한, 본 발명은 배나무 시료로부터 게놈 DNA를 분리하는 단계; 상기 분리된 게놈 DNA를 주형으로 하고, 상기 프라이머 세트를 이용하여 증폭 반응을 수행하여 표적 서열을 증폭하는 단계; 및 상기 증폭 단계의 산물을 통해 유전자형을 분석하는 단계;를 포함하는, 배나무의 화분 유무를 예측하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of isolating genomic DNA from a pear tree sample; amplifying a target sequence by using the isolated genomic DNA as a template and performing an amplification reaction using the primer set; and analyzing the genotype through the product of the amplification step; provides a method for predicting the presence or absence of pollen of a pear tree.

본 발명의 InDel 분자마커는 개화시기에 관계없이 유엽(어린잎)의 게노믹 DNA를 이용하여 신속 정확하게 배(pear)의 화분(pollen) 유무를 판별할 수 있으므로, 본 발명의 마커를 이용하면 수분수(pollinizer) 육종을 위한 교배 계획에 화분의 부재를 유발할 수 있는 근원적인 원인 유전자를 가진 교배친을 미리 파악하여 배제함으로써, 배의 육종에 드는 비용과 시간을 절감할 수 있을 것으로 사료된다.The InDel molecular marker of the present invention can quickly and accurately determine the presence or absence of pollen in pears using the genomic DNA of young leaves (young leaves) regardless of the flowering period. It is thought that the cost and time required for embryo breeding can be reduced by identifying and excluding the parent with the root causative gene that can cause the absence of pollen in the mating plan for pollinizer breeding.

도 1은 황금배, 미니배 및 황금배와 미니배의 F1 개체를 대상으로 화분 유무를 확인한 사진이다.
도 2는 화분 유무 형질과 관련성이 높은 단일염기다형성(SNP; 빨간색 표시)의 위치를 황금배 및 미니배 F1의 게놈 연관지도 상에 표시한 그림이다.
1 is a photograph confirming the presence or absence of pollen for golden pears, mini pears, and F 1 objects of golden pears and mini pears.
2 is a diagram showing the location of a single nucleotide polymorphism (SNP; marked in red), which is highly related to the presence or absence of pollen, on the genome association map of golden pear and mini pear F 1 .

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서열번호 1 및 2의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트; 및 서열번호 3 및 4의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트;를 포함하는 배나무(Pyrus spp.)의 화분 유무 예측용 프라이머 세트를 제공한다.In order to achieve the object of the present invention, the present invention provides an oligonucleotide primer set of SEQ ID NOs: 1 and 2; and oligonucleotide primer sets of SEQ ID NOs: 3 and 4; provides a primer set for predicting the presence or absence of pollen of a pear tree (Pyrus spp.), including.

본 발명에 따른 프라이머 세트는 배나무 참조 유전체(중국배 Dangchansuli, http://peargenome.njau.edu.cn/default.asp?d=4&m=3)의 게놈 서열에서 화분 유무와 밀접한 연관성을 보이는 SNP 위치를 기반으로 하여 참조 유전체의 염색체 4번 및 5번에 각각 존재하는 임성회복 유전자(restorer gene) Rf(Restorer of fertility)1Rf2의 염기서열과, 화분이 없는 배 품종 '황금배(Whangkeumbae; Scientific name, Pyrus purofolia; Parentage, Niitaka×Nijisseiki)'와 화분(pollen)이 있는 배 품종 '미니배(Minibae; Scientific name, (P. pyrifolia×P. ussuriensisP. pyrifolia; Parentage, Danbae×Kosui)' 유전체에서 상기 참조 유전체의 Rf1Rf2 유전자와 동일한 위치에 해당하는 염기서열을 비교하여 황금배 및 미니배의 게놈 서열 내 삽입 또는 결실된 다형성에 근거하여 제작된 프라이머 세트이다.The primer set according to the present invention has a SNP position that is closely related to the presence of pollen in the genome sequence of the pear tree reference genome (Chinese pear Dangchansuli, http://peargenome.njau.edu.cn/default.asp?d=4&m=3). subject to based respectively present fertility restoration gene in the reference genome chromosomes 4 and 5 in (restorer gene) Rf (restorer of fertility) 1 and the nucleotide sequence of Rf2, pear cultivar "golden times with no pollen (Whangkeumbae; Scientific name , Pyrus purofolia ; Parentage, Niitaka×Nijisseiki) and pollen cultivar 'Minibae; Scientific name , (P. pyrifolia × P. ussuriensisP. pyrifolia ; Parentage, Danbae×Kosui) ' It is a primer set prepared based on a polymorphism inserted or deleted in the genome sequence of golden pear and mini pear by comparing the nucleotide sequences corresponding to the same position as the Rf1 and Rf2 genes of the reference genome in the genome.

용어 '임성회복 유전자'란 웅성불임친의 불임 특성을 회복시켜주는 유전자를 의미한다. The term 'fertility recovery gene' refers to a gene that restores the infertility characteristics of a male infertile parent.

용어 '웅성불임'이란 화분(pollen), 꽃밥(anther), 수술(stamen) 등의 웅성 기관에 이상이 생겨 불임이 생기는 현상으로, 웅성불임에는 유전적 원인에 의한 것과 환경의 영향에 의한 것이 있는데 대부분의 육종에 쓰이는 웅성 불임계통은 유전적 원인에 의한 웅성불임 계통이다. 유전적 원인에 의한 웅성불임은 크게 세포질 유전자 웅성불임성(cytoplasmic genic male sterility; CGMS), 핵유전자 웅성불임성(genic male sterility; GMS) 및 세포질 웅성불임성(cytoplasmic male sterility; CMS)으로 구분될 수 있고, 이 중 세포질 유전자 웅성불임성과 세포질 웅성불임성은 모두 세포질 내 미토콘드리아 이상이 생겨 비정상적인 화분을 생성함으로써 자가 수정 능력을 상실하는 것을 의미하지만, 임성회복 유전자의 존재 여부에 따라 구별될 수 있다. 세포질 유전자 웅성불임성은 임성회복유전자(fertility restoring gene, Rf)를 동형접합체(homozygote) 형태로 가지고 있는 웅성 가임계와 교배할 때는 100% 웅성 가임주가 나오고, 임성회복유전자를 가지지 않는 웅성 가임계를 교배할 때는 100% 웅성 불임주가 나올 수 있다.The term 'male infertility' is a phenomenon in which infertility occurs due to abnormalities in male organs such as pollen, anther, and stamen. Male infertility strains used for most breeding are male infertility strains due to genetic causes. Male infertility due to genetic causes can be largely divided into cytoplasmic genic male sterility (CGMS), genic male sterility (GMS) and cytoplasmic male sterility (CMS), Among these, cytoplasmic gene male sterility and cytoplasmic male sterility both mean loss of self-fertilization ability by generating abnormal pollen due to mitochondrial abnormalities in the cytoplasm, but can be distinguished depending on the presence or absence of a fertility recovery gene. Cytoplasmic gene male fertility is a 100% male fertility line when crossed with a male fertile line that has a fertility restoring gene (Rf ) in the form of a homozygote, and a male fertility line that does not have a fertility restoring gene is crossed 100% male sterility can come out.

본 발명의 프라이머 세트에 있어서, 상기 서열번호 1 및 2의 프라이머 세트(CPp04id01)는 참조 유전체(중국배 'Dangshansuli') 내에서 화분 유무와 관련성이 높은 SNP가 존재하는 염색체 4번 내 Rf1 유전자 염기서열의 11,292,864~11,292,987 bp(157 bp) 영역과, 황금배 및 미니배 유전체에서 상기 참조 유전체의 Rf1 유전자 영역과 동일한 위치에 해당하는 염기서열을 비교하여 황금배 또는 미니배의 게놈 서열에서 일부 염기가 결실된 영역에 기반하여 제작된 것이고; 서열번호 3 및 4의 프라이머 세트(CPp05id01)는 참조 유전체(중국배 'Dangshansuli') 내에서 화분 유무와 관련성이 높은 SNP가 존재하는 염색체 5번 내 Rf2 유전자 염기서열의 27,068,476~27,068,617 bp(142 bp) 영역과, 황금배 및 미니배 유전체에서 상기 참조 유전체의 Rf2 유전자 영역과 동일한 위치에 해당하는 염기서열을 비교하여 황금배 및 미니배의 게놈 서열에서 일부 염기가 삽입된 영역에 기반하여 제작된 것으로, 상기 서열번호 1 및 2의 프라이머 세트에 의해 증폭된 산물의 크기에 따라 임성회복 유전자인 Rf1의 유전자형을 판별할 수 있고, 서열번호 3 및 4의 프라이머 세트에 의해 증폭된 산물의 크기에 따라 임성회복 유전자인 Rf2의 유전자형을 판별할 수 있으므로, 2개의 프라이머 세트를 동시에 이용하면 배의 세포질 유전자 웅성불임의 판별이 가능하여 배의 화분 유무를 더욱 효율적으로 예측할 수 있다. In the primer set of the present invention, the primer set of SEQ ID NOs: 1 and 2 (CPp04id01) is the Rf1 gene nucleotide sequence in chromosome 4 where SNPs highly related to the presence or absence of pollen in the reference genome (Chinese cultivar 'Dangshansuli') exist. By comparing the 11,292,864~11,292,987 bp (157 bp) region of the nucleotide sequence corresponding to the same position as the Rf1 gene region of the reference genome in the golden-pear and mini-fold genomes, some bases are deleted from the genome sequence of the golden-pear or mini-fold. It is built on the basis of a given area; The primer set of SEQ ID NOS: 3 and 4 (CPp05id01), see dielectric (Chinese pear 'Dangshansuli') within the SNP high pollen presence relevant presence chromosome 5 that within Rf2 27,068,476 of the gene sequence ~ 27,068,617 bp (142 bp) By comparing the region and the nucleotide sequence corresponding to the same position as the Rf2 gene region of the reference genome in the golden pear and mini pear genomes, it was produced based on the region in which some bases were inserted in the genomic sequence of the golden pear and mini embryo, The genotype of Rf1 , a fertility recovery gene, can be determined according to the size of the product amplified by the primer sets of SEQ ID NOs: 1 and 2, and fertility recovery according to the size of the product amplified by the primer sets of SEQ ID NOs: 3 and 4 Since the genotype of the gene Rf2 can be determined, when two primer sets are used at the same time, it is possible to discriminate male infertility of the embryo's cytoplasmic gene, thereby more efficiently predicting the presence of pollen in the embryo.

즉, 서열번호 1 및 2의 프라이머 세트;와 서열번호 3 및 4의 프라이머 세트는 증폭 산물의 크기에 따라 각각 임성회복유전자 Rf1Rf2의 유전자형을 판별할 수 있으므로, 2개의 프라이머 세트를 동시에 이용하면 배의 세포질 웅성불임의 판별이 가능하여 배의 화분 유무를 더욱 효율적으로 예측할 수 있다.That is, the primer sets of SEQ ID NOs: 1 and 2; and the primer sets of SEQ ID NOs: 3 and 4 can determine the genotypes of the fertility recovery genes Rf1 and Rf2, respectively, depending on the size of the amplification product. It is possible to discriminate the cytoplasmic male infertility of the embryo, so it is possible to more efficiently predict the presence of pollen in the embryo.

상기 프라이머는 각 프라이머의 서열 길이에 따라, 서열번호 1 및 2; 및 서열번호 3 및 4;의 서열 내의 16개 이상, 17개 이상, 18개 이상, 19개 이상, 20개 이상의 연속 뉴클레오티드의 절편으로 이루어진 올리고뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 예를 들면, 서열번호 1의 프라이머(20개 올리고뉴클레오티드)는 서열번호 1의 서열 내의 18개 이상, 19개 이상의 연속 뉴클레오티드의 절편으로 이루어진 올리고뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 또한, 상기 프라이머는 서열번호 1 및 2; 및 서열번호 3 및 4;의 염기서열의 부가, 결실 또는 치환된 서열도 포함할 수 있다.According to the sequence length of each primer, the primers are SEQ ID NOs: 1 and 2; and oligonucleotides consisting of fragments of 16 or more, 17 or more, 18 or more, 19 or more, 20 or more consecutive nucleotides in the sequence of SEQ ID NOs: 3 and 4. For example, the primer of SEQ ID NO: 1 (20 oligonucleotides) may include an oligonucleotide consisting of a fragment of 18 or more, 19 or more consecutive nucleotides in the sequence of SEQ ID NO: 1. In addition, the primers are SEQ ID NOs: 1 and 2; And SEQ ID NOs: 3 and 4; may also include a sequence of addition, deletion or substitution of the nucleotide sequence.

본 발명의 프라이머 세트에서, 서열번호 1 및 3으로 나타낸 염기서열은 정방향 프라이머를 나타내며, 서열번호 2 및 4로 나타낸 염기서열은 역방향 프라이머를 나타낸다.In the primer set of the present invention, the nucleotide sequences shown in SEQ ID NOs: 1 and 3 represent forward primers, and the nucleotide sequences shown in SEQ ID NOs: 2 and 4 represent reverse primers.

본 발명에 있어서, "프라이머"는 카피하려는 핵산 가닥에 상보적인 단일 가닥 올리고뉴클레오티드 서열을 말하며, 프라이머 연장 산물의 합성을 위한 개시점으로서 작용할 수 있다. 상기 프라이머의 길이 및 서열은 연장 산물의 합성을 시작하도록 허용해야 한다. 프라이머의 구체적인 길이 및 서열은 요구되는 DNA 또는 RNA 표적의 복합도(complexity)뿐만 아니라 온도 및 이온 강도와 같은 프라이머 이용 조건에 의존할 것이다.In the present invention, "primer" refers to a single-stranded oligonucleotide sequence complementary to a nucleic acid strand to be copied, and can serve as a starting point for synthesis of a primer extension product. The length and sequence of the primers should allow synthesis of the extension product to begin. The specific length and sequence of the primer will depend on the conditions of use of the primer, such as temperature and ionic strength, as well as the complexity of the DNA or RNA target required.

본 명세서에 있어서, 프라이머로서 이용된 올리고뉴클레오티드는 또한 뉴클레오티드 유사체(analogue), 예를 들면, 포스포로티오에이트(phosphorothioate), 알킬포스포로티오에이트 또는 펩티드 핵산(peptide nucleic acid)를 포함할 수 있거나 또는 삽입 물질(intercalating agent)를 포함할 수 있다.As used herein, the oligonucleotide used as a primer may also contain a nucleotide analogue, for example, a phosphorothioate, an alkylphosphorothioate or a peptide nucleic acid or An intercalating agent may be included.

본 발명은 또한, 본 발명의 상기 프라이머 세트; 및 증폭 반응을 수행하기 위한 시약을 포함하는 배나무의 화분 유무 예측용 키트를 제공한다.The present invention also provides the primer set of the present invention; And it provides a kit for predicting the presence or absence of pollen of a pear tree comprising a reagent for performing an amplification reaction.

본 발명의 키트에서, 상기 프라이머 세트는 전술한 것과 같으며, 상기 증폭 반응을 수행하기 위한 시약은 DNA 폴리머라제, dNTPs, 버퍼 등을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 키트는 최적의 반응 수행 조건을 기재한 사용자 안내서를 추가로 포함할 수 있다. 안내서는 키트 사용법, 예를 들면, PCR 완충액 제조 방법, 제시되는 반응 조건 등을 설명하는 인쇄물이다. 안내서는 팜플렛 또는 전단지 형태의 안내 책자, 키트에 부착된 라벨 및 키트를 포함하는 패키지의 표면상에 설명을 포함한다. 또한, 안내서는 인터넷과 같이 전기 매체를 통해 공개되거나 제공되는 정보를 포함한다.In the kit of the present invention, the primer set is the same as described above, and the reagent for performing the amplification reaction may include DNA polymerase, dNTPs, a buffer, and the like. In addition, the kit of the present invention may further include a user's guide describing optimal conditions for performing the reaction. A handbook is a printout explaining how to use the kit, eg, how to prepare a PCR buffer, and suggested reaction conditions. Instructions include a brochure in the form of a pamphlet or leaflet, a label affixed to the kit, and instructions on the surface of the package containing the kit. In addition, the guide includes information published or provided through electronic media such as the Internet.

본 발명은 또한, The present invention also

배나무 시료로부터 게놈 DNA를 분리하는 단계; isolating genomic DNA from a pear tree sample;

상기 분리된 게놈 DNA를 주형으로 하고, 상기 서열번호 1 및 2의 프라이머 세트, 및 서열번호 3 및 4의 프라이머 세트를 이용하여 증폭 반응을 수행하여 표적 서열을 증폭하는 단계; 및 amplifying a target sequence by using the isolated genomic DNA as a template and performing an amplification reaction using the primer sets of SEQ ID NOs: 1 and 2 and the primer sets of SEQ ID NOs: 3 and 4; and

상기 증폭 단계의 산물을 통해 유전자형을 분석하는 단계;를 포함하는, 배나무의 화분 유무를 예측하는 방법을 제공한다.It provides a method for predicting the presence or absence of pollen of a pear tree, including; analyzing the genotype through the product of the amplification step.

본 발명의 방법은 배나무 식물의 시료에서 게놈 DNA를 분리하는 단계를 포함한다. 상기 게놈 DNA를 분리하는 방법은 당업계에 공지된 방법을 이용할 수 있으며, 예를 들면, CTAB 방법을 이용할수도 있고, Wizard prep 키트(Promega 사)를 이용할 수도 있다. 상기 분리된 게놈 DNA를 주형으로 하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트를 프라이머로 이용하여 증폭 반응을 수행하여 표적 서열을 증폭할 수 있다. 표적 핵산을 증폭하는 방법은 중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction; PCR), 리가아제 연쇄반응(ligase chain reaction), 핵산 서열 기재 증폭(nucleic acid sequence-based amplification), 전사 기재 증폭시스템(transcription-based amplification system), 가닥 치환 증폭(strand displacement amplification) 또는 Qβ 복제효소(replicase)를 통한 증폭 또는 당업계에 알려진 핵산 분자를 증폭하기 위한 임의의 기타 적당한 방법이 있다. 이 중에서, PCR이란 중합효소를 이용하여 표적 핵산에 특이적으로 결합하는 프라이머 쌍으로부터 표적 핵산을 증폭하는 방법이다. 이러한 PCR 방법은 당업계에 잘 알려져 있으며, 상업적으로 이용가능한 키트를 이용할 수도 있다.The method of the present invention comprises isolating genomic DNA from a sample of a pear plant. The method for isolating the genomic DNA may use a method known in the art, for example, the CTAB method may be used, or a Wizard prep kit (Promega) may be used. The target sequence may be amplified by performing an amplification reaction using the isolated genomic DNA as a template and using the oligonucleotide primer set according to an embodiment of the present invention as a primer. Methods for amplifying a target nucleic acid include a polymerase chain reaction (PCR), a ligase chain reaction, a nucleic acid sequence-based amplification, and a transcription-based amplification system. amplification system), strand displacement amplification or amplification via Qβ replicase, or any other suitable method for amplifying nucleic acid molecules known in the art. Among them, PCR is a method of amplifying a target nucleic acid from a primer pair that specifically binds to the target nucleic acid using a polymerase. Such PCR methods are well known in the art, and commercially available kits may be used.

본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 증폭된 표적 서열은 검출가능한 표지 물질로 표지될 수 있다. 상기 표지 물질은 형광, 인광 또는 방사성을 발하는 물질일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는, 상기 표지 물질은 Cy-5 또는 Cy-3이다. 표적 서열의 증폭시 프라이머의 5'-말단에 Cy-5 또는 Cy-3를 표지하여 PCR을 수행하면 표적 서열이 검출가능한 형광 표지 물질로 표지될 수 있다. 또한, 방사성 물질을 이용한 표지는 PCR 수행시 32P 또는 35S 등과 같은 방사성 동위원소를 PCR 반응액에 첨가하면 증폭 산물이 합성되면서 방사성이 증폭 산물에 혼입되어 증폭 산물이 방사성으로 표지될 수 있다. 표적 서열을 증폭하기 위해 이용된 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트는 전술한 것과 같다.In one embodiment of the present invention, the amplified target sequence may be labeled with a detectable labeling substance. The labeling material may be a material emitting fluorescence, phosphorescence, or radioactivity, but is not limited thereto. Preferably, the labeling substance is Cy-5 or Cy-3. When PCR is performed by labeling Cy-5 or Cy-3 at the 5'-end of the primer during amplification of the target sequence, the target sequence may be labeled with a detectable fluorescent labeling material. In addition, when a radioactive isotope such as 32 P or 35 S is added to a PCR reaction solution for labeling using a radioactive material, the amplification product is synthesized and radioactivity is incorporated into the amplification product, so that the amplification product can be radioactively labeled. The oligonucleotide primer sets used to amplify the target sequence are as described above.

본 발명의 일 구현 예에 있어서, 본 발명의 상기 프라이머 세트를 배나무 화분 유무 예측에 사용할 수 있는 것은, 증폭 단계 산물의 유전자형을 분석하여 화분이 있는 배 품종과 화분이 없는 배 품종을 예측할 수 있는 것이다. In one embodiment of the present invention, the primer set of the present invention can be used for predicting the presence or absence of pollen in a pear tree, and by analyzing the genotype of the product of the amplification step, it is possible to predict pear varieties with and without pollen. .

본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에 있어서, 상기 배나무 시료는 황금배 및 미니배의 종간교배 F1 집단일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the method according to an embodiment of the present invention, the pear tree sample may be an interspecies F 1 group of golden pears and mini pears, but is not limited thereto.

구체적으로, 본 발명의 서열번호 1 및 2의 프라이머 세트(CPp04id01)를 이용하여 PCR을 수행하면, 황금배는 참조 유전체와 동형접합 유전자형(homozygotic genotype)을 가짐으로써 157/157 bp(유전자형 rf1/rf1; 이하, aa로 명명) 크기의 증폭 산물을 나타내고, 미니배는 참조 유전체와 이형접합 유전자형(heterozygotic genotype)을 가짐으로써 참조 유전체와 동일한 염기서열 및 24 bp 염기가 결실된 157/133 bp(유전자형 rf1/Rf1; 이하, Aa로 명명) 크기의 증폭 산물을 나타내므로, 증폭 산물의 크기에 따라 황금배 및 미니배의 F1 집단 내에서 임성회복 대립유전자 Rf1 및/또는 비임성회복 대립유전자 rf1을 가진 F1 개체를 특이적으로 판별함으로써 화분이 있는 배 품종과 화분이 없는 배 품종을 정확하게 예측할 수 있다(표 5 참고).Specifically, when PCR is performed using the primer set (CPp04id01) of SEQ ID NOs: 1 and 2 of the present invention, golden pear has a homozygotic genotype with the reference genome, thereby 157/157 bp (genotype rf1 / rf1). ; hereinafter referred to as aa) size of the amplification product, and the minibage has a reference genome and a heterozygotic genotype, so the same nucleotide sequence as the reference genome and 157/133 bp (genotype rf1) are deleted. /Rf1 ; hereinafter referred to as Aa) represents an amplification product of the size, so depending on the size of the amplification product, the fertility recovery allele Rf1 and / or the non-fertility recovery allele rf1 in the F 1 population of golden pears and mini pears. By specifically discriminating F 1 individuals, it is possible to accurately predict pear varieties with and without pollen (see Table 5).

또한, 본 발명의 서열번호 3 및 4의 프라이머 세트(CPp05id01)를 이용하여 PCR을 수행하면, 황금배 및 미니배는 참조 유전체와 이형접합 유전자형(heterozygotic genotype)을 가짐으로써 126/140 bp(유전자형 Rf2/rf2; 이하, hk로 명명) 크기의 증폭 산물을 나타내므로, 증폭 산물의 크기에 따라 황금배 및 미니배의 F1 집단 내에서 임성회복 대립유전자 Rf2 및/또는 비임성회복 대립유전자 rf2를 가진 F1 개체를 특이적으로 판별함으로써 화분이 있는 배 품종과 화분이 없는 배 품종을 정확하게 예측할 수 있다(표 5 참고).Further, when performing the PCR using a primer set (CPp05id01) of SEQ ID NO: 3 and 4 of the present invention, gold boat and ship mini reference by having a dielectric with a heterozygous genotype (genotype heterozygotic) 126/140 bp (genotype Rf2 /rf2 ; Hereinafter, it represents an amplification product of the size (hereinafter referred to as hk), depending on the size of the amplification product, with the fertility recovery allele Rf2 and / or the non-fertility recovery allele rf2 in the F 1 population of golden pear and mini pear By specifically discriminating F 1 individuals, it is possible to accurately predict pear varieties with and without pollen (see Table 5).

따라서, 본 발명에서 서열번호 1 및 2의 프라이머 세트; 및 서열번호 3 및 4의 프라이머 세트;를 동시에 사용하여 PCR을 수행할 경우, 서열번호 1 및 2의 프라이머 세트에 의해 증폭된 산물의 크기가 157/157 bp이면 aa(rf1·rf1), 157/133 bp이면 Aa(Rf1·rf1)의 유전자형으로 판단할 수 있고; 서열번호 3 및 4의 프라이머 세트에 의해 증폭된 산물의 크기가 126/126 bp이면 hh(Rf2·Rf2), 126/140 bp이면 hk(Rf2·rf2), 140/140 bp이면 kk(rf2·rf2)의 유전자형으로 판단할 수 있으므로, 상기 증폭 산물 크기에 따른 Rf1Rf2 유전자형을 조합하면 Aa/hh(Rf1·rf1/Rf2·Rf2), Aa/hk(Rf1·rf1/Rf2·rf2), Aa/kk(Rf1·rf1/rf2·rf2), aa/hh(rf1·rf1/Rf2·Rf2), aa/hk(rf1·rf1/Rf2·rf2) 및 aa/kk(rf1·rf1/rf2·rf2)의 유전자형을 확인할 수 있으며, 임성회복 유전자(우성) Rf1 Rf2가 모두 포함되어 있는 Aa/hh 및 Aa/hk의 유전자형은 화분이 있는 배나무로 예측할 수 있고, Rf1 또는 Rf2 유전자가 한개씩 존재하는 Aa/kk 및 aa/hk 유전자형과 비임성회복 유전자(열성) rf1 rf2가 모두 포함되어 있는 aa/hh 및 aa/kk의 유전자형은 화분이 없는 배나무로 예측할 수 있다.Accordingly, in the present invention, the primer sets of SEQ ID NOs: 1 and 2; And when PCR is performed using the primer sets of SEQ ID NOs: 3 and 4 at the same time, if the size of the product amplified by the primer sets of SEQ ID NOs: 1 and 2 is 157/157 bp, aa ( rf1 ·rf1 ), 157/ If it is 133 bp, it can be determined as the genotype of Aa ( Rf1 · rf1 ); If the size of the product amplified by the primer sets of SEQ ID NOs: 3 and 4 is 126/126 bp, hh ( Rf2· Rf2 ), 126/140 bp, hk ( Rf2 ·rf2 ), and 140/140 bp, kk ( rf2·rf2 ) ), when combining the Rf1 and Rf2 genotypes according to the size of the amplification product, Aa/hh ( Rf1 · rf1 / Rf2 · Rf2 ), Aa/hk ( Rf1 · rf1 / Rf2 · rf2 ), Aa/ of kk( Rf1 rf1 / rf2 rf2 ), aa/hh ( rf1 rf1 / Rf2 Rf2 ), aa/hk ( rf1 rf1 / Rf2 rf2 ) and aa/kk( rf1 rf1 / rf2 rf2 ) The genotype can be confirmed, and the genotypes of Aa/hh and Aa/hk, which contain both fertility recovery genes (dominant) Rf1 and Rf2 , can be predicted from a pollen pear tree, and Aa/kk with one Rf1 or one Rf2 gene. And the genotypes of aa/hh and aa/kk, which contain both the aa/hk genotype and the nonfertility recovery genes (recessive) rf1 and rf2, can be predicted from pollen-free pear trees.

본 발명의 일 구현 예에 따른 서열번호 1 및 2의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트; 및 서열번호 3 및 4의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트를 모두 이용하면 보다 높은 확률로 황금배 및 미니배 품종의 종간교배 F1 집단의 화분 유무를 예측할 수 있다(표 7).Oligonucleotide primer sets of SEQ ID NOs: 1 and 2 according to an embodiment of the present invention; And by using all of the oligonucleotide primer sets of SEQ ID NOs: 3 and 4, it is possible to predict the presence or absence of pollen in the interspecies F 1 population of golden pear and mini pear varieties with higher probability (Table 7).

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of Examples. However, the following examples are merely illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1. 황금배 및 미니배의 종간교배 FExample 1. Crossbreeding F of Golden Pear and Mini Pear 1One 개체의 게놈 DNA 추출 Extraction of genomic DNA from individuals

황금배 및 미니배의 종간교배 F1 개체(국립원예특작과학원 나주 배 연구소)에서 유엽을 채취하여 증류수로 세척한 후 개체별로 포장하여 -80℃에서 보관하였고, CTAB(cetyl trimethyl ammonium bromide) 방법을 이용하여 게놈 DNA를 분리하였다. 분리한 게놈 DNA는 24 ng/㎕로 정량하였다. The leaves were collected from F 1 crossbreeding of golden pears and mini pears (Naju Pear Research Institute, National Institute of Horticultural and Herbal Science), washed with distilled water, packaged individually and stored at -80°C, followed by CTAB (cetyl trimethyl ammonium bromide) method. was used to isolate genomic DNA. The isolated genomic DNA was quantified at 24 ng/μl.

실시예 2. GBS 분석을 이용한 단일염기다형성(SNP) 분석 Example 2. Single nucleotide polymorphism (SNP) analysis using GBS analysis

염기서열 분석 및 유전자형 작성을 위해 화분이 없는 황금배, 화분이 있는 미니배 및 황금배와 미니배의 F1 177 개체의 DNA를 대상으로 GBS(Genotyping by sequencing) 수행을 위한 라이브러리를 제작하였고, Illumina Hiseq2000 sequencer의 표준 프로토콜을 따라 라이브러리의 염기서열을 해독하였다. 이후 생성된 단편서열(read)들은 생물정보분석에 사용하였으며, 생물정보분석을 위해 중국배 'Dangshansuli'( http://peargenome.njau.edu.cn/default.asp?d=4&m=3)의 whole genome sequence를 참조 유전체로 사용하였다. 유전자 지도 작성을 위한 SNP 개발을 위해 참조 유전체의 게놈 서열에 황금배 및 미니배 각각의 단편 서열들을 맵핑하고, 황금배 및 미니배 유전체의 게놈 서열을 비교하여 다음과 같은 기준으로 SNP를 선발하였다.: (1) Biallelic SNP, (2) SNP에 의한 전형매가계(full-sib family)에 대한 결측값(양친과 자식 개체중에서 GBS기술을 이용한 염기서열분석에서 SNP유전자형이 확인이 되지 않은 비율)이 10% 이내.For nucleotide sequence analysis and genotyping, a library was prepared for performing GBS (Genotyping by sequencing) on the DNA of F 1 177 individuals of golden pears, mini pears with pollen, and golden pears and mini pears without pollen, and Illumina The nucleotide sequence of the library was deciphered according to the standard protocol of the Hiseq2000 sequencer. The generated fragment sequences (reads) were then used for bioinformatic analysis, and for bioinformation analysis, Chinese pear 'Dangshansuli'(http://peargenome.njau.edu.cn/default.asp?d=4&m=3) was The whole genome sequence was used as a reference genome. For the development of SNPs for gene mapping, fragment sequences of each golden pear and mini pear were mapped to the genomic sequence of a reference genome, and the genomic sequences of golden pear and mini pear genomes were compared to select SNPs based on the following criteria. : (1) Biallelic SNP, (2) missing values for full-sib family by SNP (rate in which SNP genotype was not confirmed in nucleotide sequencing using GBS technology among parents and children) within 10%.

실시예 3. 배나무의 화분 유무 분석Example 3. Analysis of the presence or absence of pollen of pear trees

배나무의 화분 유무 분석에 사용된 모든 식물 재료는 국립원예특작과학원 나주 배 연구소에서 재식한 황금배 및 미니배 F1 개체의 묘를 사용하였고, 화분 유무의 평가는 2016~2018년 4월, 총 3회에 걸쳐 농촌진흥청 국립원예 특작과학원의 유전자원 특성조사 매뉴얼을 참조하여 수행되었다. 구체적으로 황금배, 미니배 및 F1 177 개체를 대상으로 개화 직전의 화아 5~10개를 수집하여 꽃잎을 모두 제거하고, 페트리 디쉬에서 24시간 동안 25℃에서 건조시킨 후 화분이 묻어나오는 개체를 1로, 화분이 묻어나오지 않는 개체를 0으로 기록하였다(도 1).All plant materials used for the analysis of the presence or absence of pollen on pear trees were seedlings of golden pears and mini pears F 1 planted at the Naju Pear Research Institute of the National Institute of Horticultural and Herbal Science. This study was conducted by referring to the Manual of Genetic Resource Characterization of the National Institute of Horticultural and Herbal Science, Rural Development Administration. Specifically, for golden pears, mini pears, and F 1 177 individuals, collect 5 to 10 flowers just before flowering, remove all petals, dry them in a Petri dish at 25° C. for 24 hours, and collect pollen-covered individuals. As 1, an individual whose pollen did not come out was recorded as 0 (FIG. 1).

또한, 황금배 및 미니배 F1 177 개체에 대한 전형매가계(full-sib family)의 표현형 분리 비율을 통해 화분 유무에 관여하는 유전자의 수를 추정하였다. 2016~2018년에 관찰된 황금배 및 미니배 F1 177 개체의 화분 유무는 유:무=70:107이고, 기대 분리비 3:5에 검정통계량 χ2= 0.57이 속하는 확률 범위는 p>0.05이므로 황금배 및 미니배의 화분 유무 관측 분리비를 3:5로 결정하였다. In addition, the number of genes involved in the presence or absence of pollen was estimated through the phenotypic separation ratio of the full-sib family for golden pear and mini pear F 1 177 individuals. The presence/absence of pollen in the golden pear and mini-pear F 1 177 observed from 2016 to 2018 is 70:107, and the probability range that the test statistic χ 2 = 0.57 belongs to the expected separation ratio of 3:5 is p>0.05. The separation ratio of golden pears and mini pears was determined to be 3:5.

상기 분리비 설명을 위해 황금배와 미니배 양친의 유전자형을 추정한 결과 2개의 임성회복 관련 유전자(Rf1, Rf2)가 관여할 것으로 예측하였다(표 1). F1 177개체 전형매가계에서 화분 유:무=70:107(≒ 3:5)를 설명할 수 있는 양친(황금배, 미니배)의 유전자형은 황금배(rf1·rf1/ Rf2 ·rf2), 미니배( Rf1 ·rf1/ Rf2 ·rf2)로 결정하였다(표 2). As a result of estimating the genotypes of the golden embryo and the mini-cultivation parent to explain the separation ratio, it was predicted that two fertility recovery-related genes ( Rf1 , Rf2 ) would be involved (Table 1). F 1 The genotype of the parents (golden pear, mini pear) that can explain the presence of pollen: 70: 107 (≒ 3:5) in the typical hawk line of 177 individuals is golden pear ( rf1 · rf1 / Rf2 · rf2 ), It was determined as a mini-bae ( Rf1 ·rf1 / Rf2 ·rf2 ) (Table 2).

Figure 112020049432705-pat00001
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Figure 112020049432705-pat00002
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실시예 4. 황금배 및 미니배 FExample 4. Golden Pear and Mini Pear F 1One 집단 전형매가계의 유전자 지도 작성 Genetic map creation of collective hawk families

황금배 및 미니배의 F1 177 개체에 대한 유전자 지도 작성은 JoinMap 5 프로그램을 이용하여 수행되었고(연관그룹 설정시, LOD=15.0), 유전자 지도 거리는 cM(Kosambi centiMorgans) 단위로 계산되었다. 그리고, 작성된 유전자 지도를 토대로 표현형과 유전자형간 연관성 분석은 MapQTL 6.0 프로그램을 이용하여 수행되었으며, 그 결과로 화분 유무 특성에 밀접한 연관성을 보이는 SNP 29개가 연관그룹 4번(16개) 및 5번(13개)에서 탐색되었고(도 2), 29개의 SNP 정보는 하기 표 3과 같다. Genetic mapping of F 1 177 individuals of golden pears and mini pears was performed using the JoinMap 5 program (when association group was established, LOD=15.0), and the genetic map distance was calculated in cM (Kosambi centiMorgans). And, based on the created genetic map, analysis of the association between phenotype and genotype was performed using the MapQTL 6.0 program. As a result, 29 SNPs showing a close correlation to the presence or absence of pollen were found in association groups 4 (16) and 5 (13). dog) was searched ( FIG. 2 ), and information on 29 SNPs is shown in Table 3 below.

Figure 112020049432705-pat00003
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실시예 5. NGS 리시퀀싱 데이터 기반 화분유무 선발용 InDel 마커 개발Example 5. Development of InDel marker for pollen presence/absence selection based on NGS resequencing data

황금배와 미니배의 게놈 DNA를 대상으로 NGS 수행을 위한 라이브러리를 제작하고, Illumina Hiseq2000 sequencer의 표준 프로토콜을 따라 라이브러리의 염기서열을 해독하였다. 이후 생성된 단편서열(read)들은 생물정보분석에 사용하였으며, 생물 정보분석을 위해 중국배 'Dangshansuli'(http://peargenome.njau.edu.cn/default.asp?d=4&m=3)의 whole genome sequence를 참조 유전체로 사용하였다. A library for performing NGS was prepared for genomic DNA of golden pears and mini pears, and the nucleotide sequence of the library was deciphered according to the standard protocol of the Illumina Hiseq2000 sequencer. The generated fragment sequences (reads) were then used for bioinformatics analysis, and for bioinformation analysis, Chinese pear 'Dangshansuli' (http://peargenome.njau.edu.cn/default.asp?d=4&m=3) was The whole genome sequence was used as a reference genome.

화분 유무와 밀접한 연관성을 보이는 SNP 위치(표 3)를 기반으로 하여 참조 유전체의 염색체 4번에 존재하는 임성회복 유전자 Rf1 유전자 염기서열의 11,292,864~11,292,987 bp(157 bp) 영역과, 상기 참조 유전체의 Rf1 유전자 영역과 동일한 위치에 해당하는 황금배 및 미니배 유전체의 염기서열을 비교하여, 황금배는 참조 유전체와 동일한 염기서열을 가지는 동형접합 유전자형(homozygotic genotype)을 가지는 것을 알 수 있었고, 미니배는 참조유전체와 동일한 염기서열 및 24 bp 염기가 결실된 염기서열을 가지는 이형접합 유전자형(heterozygotic genotype)을 가지는 것을 확인한 후, 상기 미니배의 게놈 서열에서 일부 염기가 결실된 영역에 기반한 InDel 마커 'CBp04id01'를 제작하였다. 따라서, 상기 CBp04id01을 이용하여 황금배 및 미니배의 F1 개체를 대상으로 PCR을 수행할 경우 157/157 bp 또는 133/157 bp 크기의 증폭 산물이 생성될 수 있다.Based on the SNP position (Table 3) that is closely related to the presence or absence of pollen, the 11,292,864~11,292,987 bp (157 bp) region of the fertility recovery gene Rf1 gene sequence present on chromosome 4 of the reference genome, and the Rf1 of the reference genome By comparing the nucleotide sequences of the golden pear and mini embryo genomes corresponding to the same position as the gene region, it was found that the golden pear has a homozygotic genotype having the same nucleotide sequence as the reference genome, and the mini embryo has the same nucleotide sequence as the reference genome. After confirming that it has a heterozygotic genotype having the same nucleotide sequence as the genome and a nucleotide sequence with a deletion of 24 bp nucleotides, the InDel marker 'CBp04id01' based on the region in which some nucleotides are deleted from the genome sequence of the mini embryo produced. Therefore, when PCR is performed using the CBp04id01 on F 1 individuals of golden pear and mini pear, an amplification product having a size of 157/157 bp or 133/157 bp may be generated.

또한, 참조 유전체의 염색체 5번에 존재하는 임성회복 유전자 Rf2 유전자 염기서열의 27,068,476~27,068,617 bp(142 bp) 영역과, 상기 참조 유전체의 Rf2 유전자 영역과 동일한 위치에 해당하는 황금배 및 미니배 유전체의 염기서열을 비교하여, 황금배 및 미니배는 참조 유전체와 동일한 염기서열 및 14 bp 염기가 삽입된 염기서열을 가지는 이형접합 유전자형을 가지는 것을 확인한 후, 상기 황금배 및 미니배의 게놈 서열에서 일부 염기가 삽입된 영역에 기반한 InDel 마커 'CBp05id01'를 제작하였다. 따라서, 상기 CBp05id01을 이용하여 황금배 및 미니배의 F1 개체를 대상으로 PCR을 수행할 경우 126/126 bp, 140/140 bp 또는 126/140 bp 크기의 증폭 산물이 생성될 수 있다.In addition, a reference present in the genome chromosome 5 of the fertility restoration gene Rf2 27,068,476 ~ 27,068,617 bp (142 bp ) region of the gene sequence and the golden times for the same position and Rf2 gene region of the reference genome and the mini-fold dielectric By comparing the nucleotide sequences, it was confirmed that the golden pear and mini embryo have a heterozygous genotype having the same nucleotide sequence as the reference genome and a nucleotide sequence inserted with a 14 bp base, and then some bases in the genomic sequence of the golden pear and mini embryo An InDel marker 'CBp05id01' was prepared based on the region where was inserted. Therefore, when PCR is performed using the CBp05id01 to target F 1 individuals of golden pear and mini pear, an amplification product having a size of 126/126 bp, 140/140 bp, or 126/140 bp may be generated.

본 발명의 프라이머 세트 정보Primer set information of the present invention Marker nameMarker name Primer sequence(5'→3') (서열번호)Primer sequence (5'→3') (SEQ ID NO:) Tm
(℃)
Tm
(℃)
Amplicon
size(bp)
Amplicon
size(bp)
ForwardForward ReverseReverse CBp04id01CBp04id01 AAGCCCCCTATAACACAGGA (1)AAGCCCCCTATAACACAGGA (1) AATGGCATGCTCTTTGGGTG (2)AATGGCATGCTCTTTGGGTG (2) 6060 133/157133/157 CBp05id01CBp05id01 GGAGCCGATTGATTTTCCTC (3) GGAGCCGATTGATTTTCCTC (3) CAATCCTCTCATCCCGCTAA (4)CAATCCTCTCATCCCGCTAA (4) 6060 126/140126/140

실시예 6.Example 6. InDel 마커의 전기영동 다형성 패턴을 통한 화분 유무 예측Prediction of pollen presence through electrophoretic polymorphic patterns of InDel markers

본 발명의 InDel 마커를 이용하여 황금배, 미니배 및 황금배와 미니배의 F1 177 개체 중 93 개체를 대상으로 PCR을 수행하여 증폭된 산물의 크기에 따라 세포질 유전자 웅성불임성 회복에 관여하는 유전자의 유전자형을 판별하여 황금배 및 미니배의 F1 집단의 화분 유무를 예측하였다. 상기 실시예 3에 전술한 것이 황금배의 유전자형은 rf1·rf1/ Rf2 ·rf2이고 미니배의 유전자형은 Rf1 ·rf1/ Rf2 ·rf2이므로, 황금배 및 미니배의 종간교배에 의한 F1 집단의 유전자형은 (1) Rf1·rf1/Rf2·Rf2, (2) Rf1·rf1/Rf2·rf2, (3) Rf1·rf1/rf2·rf2, (4) rf1·rf1/Rf2·Rf2, (5) rf1·rf1/Rf2·rf2 및 (6) rf1·rf1/rf2·rf2일 수 있다.Using the InDel marker of the present invention, PCR is performed on 93 of golden pear, mini pear, and golden pear and mini-pear F 1 177 individuals according to the size of the amplified cytoplasmic gene Genes involved in male sterility recovery By determining the genotype, the presence or absence of pollen in the F 1 group of golden pears and mini pears was predicted. Genotypes that gold boat described above in Example 3 is rf1 · rf1 / Rf2 · rf2 and the genotype of the mini ship Rf1 · rf1 / Rf2 · Because rf2, gold times and genotype of the F 1 population by interspecific crosses the mini-fold (1) Rf1 rf1 / Rf2 Rf2 , (2) Rf1 rf1 / Rf2 rf2 , (3) Rf1 rf1 / rf2 rf2 , (4) rf1 rf1 / Rf2 Rf2 , (5) rf1 . rf1 / Rf2·rf2 and (6) rf1·rf1 / rf2·rf2 .

황금배를 대상으로 CBp04id01(Rf1 또는 rf1 유전자형 판별) 및 CBp05id01(Rf2 또는 rf2 유전자형 판별)을 사용하여 PCR 및 모세관 전기영동을 수행한 결과 CBp04id01은 157/157 bp, CBp05id01은 126/140 bp 크기의 증폭 산물을 생성하였고, 미니배의 경우 CBp04id01은 133/157 bp, CBp05id01은 126/140 bp 크기의 증폭 산물을 생성하였다. 이러한 결과를 통해, CBp04id01 마커에 의해 증폭된 산물의 크기에서 157/157 bp는 동형접합 유전자형(aa로 명명)으로, 133/157 bp는 이형접합 유전자형(Aa로 명명)으로 나타낼 수 있으며; CBp05id01 마커에 의해 증폭된 산물의 크기에서 126/140 bp는 이형접합 유전자형(hk로 명명)으로, 126/126 bp 및 140/140 bp는 동형접합 유전자형(각각 hh, kk로 명명)으로 나타낼 수 있음을 알 수 있었다(표 5).Intended for gold times CBp04id01 (Rf1 or rf1 genotypes determined) and CBp05id01 (Rf2 or rf2 genotypes determined), the PCR and capillary electrophoresis is a result CBp04id01 157/157 bp, it performed using CBp05id01 is amplification of 126/140 bp size In the case of mini-bay, CBp04id01 was 133/157 bp and CBp05id01 was 126/140 bp in size. Through these results, 157/157 bp in the size of the product amplified by the CBp04id01 marker can be represented as a homozygous genotype (named aa) and 133/157 bp as a heterozygous genotype (named Aa); In the size of the product amplified by the CBp05id01 marker, 126/140 bp can be represented as a heterozygous genotype (named hk), and 126/126 bp and 140/140 bp can be represented as a homozygous genotype (named hh and kk, respectively). was found (Table 5).

또한, F1 14-059 개체를 대상으로 CBp04id01 및 CBp05id01를 사용하여 PCR 및 모세관 전기영동을 수행한 결과 CBp04id01은 157/157 bp(aa), CBp05id01은 126/140 bp(hk) 크기의 증폭 산물을 생성하여 화분이 없는 것으로 예측되었고 실제 표현형도 이와 동일함을 확인하였고, F1 14-061 개체의 경우 CBp04id01은 133/157 bp(Aa), CBp05id01은 126/140 bp(hk) 크기의 증폭 산물을 생성하여 화분이 있는 것으로 예측되었고 실제 표현형도 이와 동일함을 확인함으로써, Rf1(A)과 Rf2(h) 유전자를 모두 가져야 화분이 있는 것으로 예측 가능함을 알 수 있었다.In addition, as a result of PCR and capillary electrophoresis using CBp04id01 and CBp05id01 on F 1 14-059 individuals, CBp04id01 was 157/157 bp (aa), and CBp05id01 was 126/140 bp (hk) in size. It was predicted that no pollen was generated and the actual phenotype was the same, and in the case of F 1 14-061 individuals, CBp04id01 was 133/157 bp (Aa) and CBp05id01 was 126/140 bp (hk) in size. By confirming that it was generated and predicted to have pollen, and the actual phenotype was also the same, it was found that the presence of pollen can be predicted only when both Rf1 (A) and Rf2 (h) genes are present.

표 7에 나타난 바와 같이, 다른 F1 개체에서도 Rf1(A) 유전자형과 Rf2(h) 유전자형을 모두 가져야 화분이 있는 배나무로 예측된 점에서 임성회복 관련 우성 유전자는 133 bp 및 126 bp의 산물을 생성하는 유전자(각각 Rf1 Rf2)임을 알 수 있었다. 따라서, 임성회복 유전자(우성) Rf1 Rf2가 모두 포함되어 있는 Aa/hh 및 Aa/hk의 유전자형은 화분이 있는 배나무로, Rf1 또는 Rf2 유전자가 한개씩 존재하는 Aa/kk 및 aa/hk 유전자형과 비임성회복 유전자(열성) rf1 rf2가 모두 포함되어 있는 aa/hh 및 aa/kk의 유전자형은 화분이 없는 배나무로 예측할 수 있다(표 6). As shown in Table 7, the dominant gene related to fertility recovery produces products of 133 bp and 126 bp in that other F 1 individuals must have both the Rf1 (A) genotype and the Rf2 (h) genotype to be predicted as a pollen pear tree. genes ( Rf1 and Rf2 , respectively). Therefore, the genotypes of Aa/hh and Aa/hk, which contain both the fertility recovery genes (dominant) Rf1 and Rf2 , are pollen pear trees, and are not identical to the Aa/kk and aa/hk genotypes, which contain one Rf1 or one Rf2 gene. The genotypes of aa/hh and aa/kk, which contain both fertility recovery genes (recessive) rf1 and rf2 , can be predicted from pollen-free pear trees (Table 6).

이와 같은 방법으로 나머지 F1 개체를 대상으로 CBp04id01 및 CBp05id01을 통해 확인된 화분 유무의 예측 표현형과 실제 표현형을 비교한 결과, 총 F1 93 개체 중 유전자형이 확인되지 않은 1 개체를 제외하고 75 개체의 예측 표현형과 실제 표현형이 서로 일치함을 확인하였고, 이를 통해 본 발명의 프라이머 세트의 화분 유무 판별 정확도가 약 81.5%임을 알 수 있었다(표 7). As a result of comparing the predicted phenotype of the presence of pollen confirmed through CBp04id01 and CBp05id01 with the actual phenotype of the remaining F 1 individuals in this way, 75 of the total F 1 93 individuals except for one whose genotype was not confirmed were obtained. It was confirmed that the predicted phenotype and the actual phenotype were consistent with each other, and it was found that the accuracy of determining the presence or absence of pollen of the primer set of the present invention was about 81.5% (Table 7).

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<110> Chungbuk National University Industry-Academic Cooperation Foundation <120> InDel molecular marker for discriminating genotype of restorer-of-fertility genes involved in cytoplasmic male sterility of pear and uses thereof <130> PN20060 <160> 4 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 1 aagcccccta taacacagga 20 <210> 2 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 2 aatggcatgc tctttgggtg 20 <210> 3 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 3 ggagccgatt gattttcctc 20 <210> 4 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 4 caatcctctc atcccgctaa 20 <110> Chungbuk National University Industry-Academic Cooperation Foundation <120> InDel molecular marker for discriminating genotype of restorer-of-fertility genes involved in cytoplasmic male sterility of pear and uses thereof <130> PN20060 <160> 4 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 1 aagcccccta taacacagga 20 <210> 2 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 2 aatggcatgc tctttgggtg 20 <210> 3 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 3 ggagccgatt gattttcctc 20 <210> 4 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 4 caatcctctc atcccgctaa 20

Claims (5)

서열번호 1 및 2의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트; 및 서열번호 3 및 4의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트;를 포함하는 황금배 품종 및 미니배 품종의 종간교배 F1 집단의 화분 유무 예측용 프라이머 세트 조성물.oligonucleotide primer sets of SEQ ID NOs: 1 and 2; and oligonucleotide primer sets of SEQ ID NOs: 3 and 4; a primer set composition for predicting the presence or absence of pollen in the F 1 interspecies crossbreeding of golden pear varieties and mini pear varieties. 제1항의 프라이머 세트 조성물; 및 증폭 반응을 수행하기 위한 시약을 포함하는 황금배 품종 및 미니배 품종의 종간교배 F1 집단의 화분 유무 예측용 키트.The primer set composition of claim 1; And a kit for predicting the presence or absence of pollen in the interspecies F 1 population of golden pear varieties and mini pear varieties, including reagents for performing an amplification reaction. 제2항에 있어서, 상기 증폭 반응을 수행하기 위한 시약은 DNA 폴리머라제, dNTPs 및 버퍼를 포함하는 것인 키트.The kit according to claim 2, wherein the reagents for performing the amplification reaction include DNA polymerase, dNTPs and a buffer. 황금배 품종 및 미니배 품종의 종간교배 F1 집단 시료로부터 게놈 DNA를 분리하는 단계;
상기 분리된 게놈 DNA를 주형으로 하고, 제1항의 프라이머 세트 조성물을 이용하여 증폭 반응을 수행하여 표적 서열을 증폭하는 단계; 및
상기 증폭 단계의 산물을 통해 유전자형을 분석하는 단계;를 포함하는, 황금배 품종 및 미니배 품종의 종간교배 F1 집단의 화분 유무를 예측하는 방법.
Isolating genomic DNA from the interspecies F 1 population sample of golden pear varieties and mini pear varieties;
amplifying a target sequence by using the isolated genomic DNA as a template and performing an amplification reaction using the primer set composition of claim 1; and
Analyzing the genotype through the product of the amplification step; method for predicting the presence or absence of pollen in the interspecies F 1 population of golden pear varieties and mini pear varieties.
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