KR102315977B1 - Molecular marker derived from complete sequencing of chloroplast genome for discrimination of Pinus species and uses thereof - Google Patents

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KR102315977B1 KR1020200038536A KR20200038536A KR102315977B1 KR 102315977 B1 KR102315977 B1 KR 102315977B1 KR 1020200038536 A KR1020200038536 A KR 1020200038536A KR 20200038536 A KR20200038536 A KR 20200038536A KR 102315977 B1 KR102315977 B1 KR 102315977B1
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Abstract

본 발명은 엽록체 게놈 서열에 기반한 소나무 종 판별용 분자마커 및 이의 용도에 관한 것으로, 본 발명에 따른 분자마커를 이용하면 형태학적으로 분류가 어려운 소나무 근연종을 신속하고 용이하게 구별할 수 있고, 우리나라 소나무(Pinus densiflora)의 유전적 특이성 확보 및 소나무 품종 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.The present invention relates to a molecular marker for identifying pine species based on a chloroplast genome sequence and its use, and by using the molecular marker according to the present invention, it is possible to quickly and easily distinguish morphologically difficult pine related species. It will be useful for securing the genetic specificity of pine ( Pinus densiflora ) and developing pine varieties.

Description

엽록체 게놈 서열에 기반한 소나무 종 판별용 분자마커 및 이의 용도{Molecular marker derived from complete sequencing of chloroplast genome for discrimination of Pinus species and uses thereof}Molecular marker derived from complete sequencing of chloroplast genome for discrimination of Pinus species and uses thereof

본 발명은 소나무 5종의 엽록체 게놈 서열에 기반한 소나무 종 판별용 분자마커 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a molecular marker for identifying a pine species based on the chloroplast genome sequence of five pine trees, and to a use thereof.

소나무과(Pinaceae)는 가장 큰 겉씨식물과로, 10개의 속과 230개 이상의 종으로 이루어져 있다. 대부분의 소나무과 종은 산림종과 목재종으로 나뉘어지며, 주로 북반구에 분포되어 있다. 한국 적송(Korean red pine)으로도 불리우는 소나무(Pinus densiflora siebold & zucc.)는 한국, 일본 및 중국을 포함하는 동아시아 지역에 넓게 분포한다. 이 종은 남한 임지(forest land)의 23% 이상을 차지하며, 한국에서 가장 중요하고 인기있는 침엽수 종이다.Pinaceae is the largest gymnosperm family, comprising 10 genera and more than 230 species. Most pine species are divided into forest species and wood species, mainly distributed in the northern hemisphere. Pinus densiflora siebold & zucc., also called Korean red pine, is widely distributed in East Asia including Korea, Japan and China. This species accounts for more than 23% of South Korea's forest land and is the most important and popular coniferous species in Korea.

엽록체 게놈은 분자 수준의 계통발생 연구에 중요한 자원으로, 단위생식유전(uniparental inheritance)을 보이며, 핵 게놈에 비해 느린 진화의 변화 속도 특성으로 인해 보존된 서열을 포함하고 있다. 엽록체 내에는 환형 DNA (110-210 kb)가 다중 카피로 존재하며, 종자 식물의 엽록체 DNA는 large single copy (LSC) 부위, small single copy (SSC) 부위 및 inverted repeats (IRs)의 한 쌍을 포함하는 4부로 된(quadripartite) 구조를 가지고 있다. 대부분의 육상식물은 엽록체 게놈 내에 110 내지 130개의 유전자를 가지고 있다.The chloroplast genome is an important resource for phylogenetic studies at the molecular level, exhibits uniparental inheritance, and contains conserved sequences due to the slower rate of evolutionary change compared to the nuclear genome. Circular DNA (110-210 kb) exists in multiple copies in the chloroplast, and the chloroplast DNA of seed plants contains a large single copy (LSC) region, a small single copy (SSC) region, and a pair of inverted repeats (IRs). It has a quadripartite structure. Most land plants have between 110 and 130 genes in the chloroplast genome.

엽록체 게놈의 IR 구조는 일반적으로 15에서 30 Kb의 범위이다. IR의 확장 또는 재배열로 인해, 유전자의 수 및 순서가 종 내에서 다양성을 보이게 된다. 거대한 IRs는 엽록체 게놈의 안정화에 중요한 역할을 하며, 거대 IR의 상실은 게놈 구조 및 유전자 함량에 일부 변이를 유도하게 된다. IR 서열의 감소는 소나무과, 주목과(Taxaceae), 개비자나무과(Cephalotaxaceae) 및 콩과 식물(Legumes)의 종에서 확인되고 있다.The IR structure of the chloroplast genome generally ranges from 15 to 30 Kb. Due to the expansion or rearrangement of the IR, the number and sequence of genes exhibits diversity within species. Large IRs play an important role in the stabilization of the chloroplast genome, and loss of large IRs leads to some variations in genome structure and gene content. The reduction in IR sequence has been confirmed in species of Pineaceae, Taxaceae, Cephalotaxaceae and Legumes.

Next Generation Sequencing (NGS) 기술의 개발은 전장 엽록체 서열을 쉽고 저렴하게 획득할 수 있도록 하였다. 그러나, 상기 기술은 몇백 베이스 이하의 짧은 리드(read)를 생산하는 한계를 가지고 있었다. 짧은 리드는 mis-mappings 및 mis-alignments를 유발하고, 접근하기 어려운 게놈의 이형 및 반복 부위를 생산한다. 또한, 짧은 리드만을 사용할 경우 구조적 변이 또는 단상형 구조 확인이 어렵다. 새로운 3세대 시퀀싱 플랫폼인 Oxford Nanopore Technology (ONT)는 이전의 기술들에 비해 현저히 긴 규모의 리드 길이와, 미래 지향적인 USB-전원의 시퀀서를 제공한다. ONT의 긴 리드의 사용은 완전한 서열을 위해 짧은 리드들을 정렬할 필요가 없기 때문에 효율적이다. ONT 리드의 높은 에러율을 극복하기 위해, 고품질의 MiSeq 짧은 리드들을 에러 교정을 위해 사용될 수 있다.The development of Next Generation Sequencing (NGS) technology has made it possible to obtain full-length chloroplast sequences easily and inexpensively. However, this technique has limitations in producing short reads of several hundred bases or less. Short reads cause mis-mappings and mis-alignments, and produce heterogeneous and repetitive regions of the genome that are difficult to access. In addition, when only short leads are used, it is difficult to identify structural variations or haplotype structures. Oxford Nanopore Technology (ONT), a new third-generation sequencing platform, offers a future-proof USB-powered sequencer with significantly longer read lengths than previous technologies. The use of long reads in ONT is efficient because there is no need to align short reads for complete sequence. To overcome the high error rate of ONT reads, high quality MiSeq short reads can be used for error correction.

한편, 한국등록특허 제1409012호에는 엽록체의 trnT(UGU)- trnL(UAA)3' 엑손을 기반으로 한 '소나무류 구별용 SNP 프라이머, 이를 포함하는 키트 및 이를 이용한 소나무 구별방법'이 개시되어 있으나, 본 발명의 엽록체 게놈 서열에 기반한 소나무 종 판별용 분자마커 및 이의 용도에 대해서는 기재된 바가 없다.Meanwhile, Korea Patent No. 1409012 discloses a 'SNP primer for distinguishing pine trees, a kit including the same and a method for distinguishing pine trees using the same' based on the trnT(UGU)-trnL(UAA)3' exon of the chloroplast. , There is no description of a molecular marker for identifying a pine species based on the chloroplast genome sequence of the present invention and its use.

본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명자들은 Oxford Nanopore MinION 및 Illumina MiSeq 시퀀싱을 통해 우리나라 소나무인 Pinus densiflora의 엽록체 게놈을 완전히 분석하였다. 그 후, 분석된 소나무의 엽록체 게놈의 서열을 구주소나무(P. sylvestris), 곰솔(P. thunbergii), 중국소나무(P. tabuliformis) 및 테다소나무(P. taeda)의 엽록체 게놈 서열과 비교하여 다형성 부위를 확인하였고, 해당 다형성 부위를 기반으로 소나무 종을 구분할 수 있는 4종의 프라이머 세트를 제작한 후, 소나무, 구주소나무, 곰솔 및 테다소나무를 대상으로 상기 프라이머 세트의 소나무 종 판별능을 검정한 결과, 상기 4종의 프라이머 세트가 각 소나무 종을 효과적으로 구별할 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.The present invention was derived from the above needs, and the present inventors completely analyzed the chloroplast genome of Pinus densiflora, a Korean pine tree, through Oxford Nanopore MinION and Illumina MiSeq sequencing. Thereafter, the sequence of the chloroplast genome of the analyzed pine tree was compared with the chloroplast genome sequence of P. sylvestris , P. thunbergii , Chinese pine ( P. tabuliformis ) and Teda pine ( P. taeda ). After confirming the polymorphic site, four primer sets that can distinguish pine species based on the polymorphic site were prepared, and then the pine species discrimination ability of the primer set was evaluated for pine, spruce pine, gom pine, and teda pine. As a result of the assay, the present invention was completed by confirming that the four primer sets can effectively distinguish each pine species.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 서열번호 5 및 서열번호 6의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트 및 서열번호 7 및 서열번호 8의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 프라이머 세트를 포함하는, 소나무 종 판별용 프라이머 세트를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention comprises one or more primer sets selected from the group consisting of oligonucleotide primer sets of SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6 and oligonucleotide primer sets of SEQ ID NO: 7 and SEQ ID NO: 8, pine A primer set for species identification is provided.

또한, 본 발명은 상기 프라이머 세트 및 증폭반응을 수행하기 위한 시약을 포함하는, 소나무 종 판별용 키트를 제공한다.In addition, the present invention provides a kit for identifying the species of pine, including the primer set and reagents for performing the amplification reaction.

또한, 본 발명은 소나무 시료에서 게놈 DNA를 분리하는 단계; 상기 분리된 게놈 DNA를 주형으로 하고, 본 발명의 프라이머 세트를 이용하여 증폭 반응을 수행하여 표적 서열을 증폭하는 단계; 및 상기 증폭 단계의 산물을 검출하는 단계;를 포함하는, 소나무 종 판별 방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of isolating genomic DNA from a pine tree sample; amplifying a target sequence by using the isolated genomic DNA as a template and performing an amplification reaction using the primer set of the present invention; and detecting the product of the amplification step; it provides a pine species identification method comprising a.

본 발명에 따른 엽록체 게놈 서열에 기반한 분자마커를 이용하면 형태학적으로 분류가 어려운 소나무 근연종을 신속하고 용이하게 구별할 수 있다. 또한, 우리나라 소나무인 Pinus densiflora의 유전적 특이성 확보 및 소나무 품종 개발 마커로 유용하게 활용될 수 있을 것이다.By using the molecular marker based on the chloroplast genome sequence according to the present invention, it is possible to quickly and easily distinguish pine related species that are difficult to morphologically classify. In addition, it may be usefully utilized as a marker for securing the genetic specificity of Pinus densiflora , a Korean pine tree, and for developing pine varieties.

도 1은 소나무(Pinus densiflora) 엽록체 게놈의 유전자 지도이다.
도 2는 5개 소나무 종의 엽록체 게놈 서열의 pairwise 정렬 결과이다. P. densiflora: 소나무, P. sylvestris: 구주소나무, P. thunbergii: 곰솔, P. tabuliformis: 중국소나무, P. taeda: 테다소나무.
도 3은 5개 소나무 종의 엽록체 게놈에서 근접한 유전자간, SSC, LSC, 및 2개의 IRs의 연결지점간의 거리를 보여준다. P. densiflora: 소나무, P. sylvestris: 구주소나무, P. thunbergii: 곰솔, P. tabuliformis: 중국소나무, P. taeda: 테다소나무.
도 4는 소나무(P. densiflora)와 12개 참조 종들의 CDS에 근거한 계통수이다.
도 5는 4종의 프라이머 세트(Marker 1 내지 Marker 4)를 이용한 각 소나무 시료의 증폭된 DNA 절편 분석 결과이다. P. densiflora: 소나무, P. sylvestris: 구주소나무, P. thunbergii: 곰솔, P. taeda: 테다소나무.
1 is a pine ( Pinus densiflora ) genetic map of the chloroplast genome.
2 is a pairwise alignment result of chloroplast genome sequences of five pine species. P. densiflora : Pine, P. sylvestris : Old pine, P. thunbergii : Gombri, P. tabuliformis : Chinese pine, P. taeda : Teda pine.
3 shows the distances between adjacent intergenic, SSC, LSC, and junction points of two IRs in the chloroplast genomes of five pine species. P. densiflora : Pine, P. sylvestris : Old pine, P. thunbergii : Gombri, P. tabuliformis : Chinese pine, P. taeda : Teda pine.
4 is a phylogenetic tree based on CDS of pine ( P. densiflora ) and 12 reference species.
5 is an analysis result of amplified DNA fragments of each pine tree sample using four primer sets (Marker 1 to Marker 4). P. densiflora : Pine, P. sylvestris : P. sylvestris: P. thunbergii : Gompine, P. taeda : Tedapine.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서열번호 5 및 서열번호 6의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트 및 서열번호 7 및 서열번호 8의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 프라이머 세트를 포함하는, 소나무 종 판별용 프라이머 세트를 제공한다.In order to achieve the object of the present invention, the present invention comprises one or more primer sets selected from the group consisting of oligonucleotide primer sets of SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6 and oligonucleotide primer sets of SEQ ID NO: 7 and SEQ ID NO: 8 , provides a primer set for identification of pine species.

본 발명의 소나무 종 판별용 프라이머 세트에 있어서, 상기 소나무 종은 소나무(Pinus densiflora, 적송), 구주소나무(P. sylvestris), 곰솔(P. thunbergii) 및 테다소나무(P. taeda)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the primer set for discrimination of pine species of the present invention, the pine species is pine ( Pinus densiflora , red pine), old pine tree ( P. sylvestris ), gomsol ( P. thunbergii ) and the pine tree ( P. taeda ) The group consisting of It may be one or more selected from, but is not limited thereto.

본 발명의 일 구현 예에 따른 프라이머 세트에 있어서, 상기 프라이머 세트는 소나무 5종(소나무, 구주소나무, 곰솔, 중국소나무 및 테다소나무)의 엽록체 게놈 완전서열에 기반한 다형성 마커에 근거한 것으로, 서열번호 5 및 서열번호 6의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트(Marker 3)와 서열번호 7 및 서열번호 8의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트(Marker 4)는 소나무, 구주소나무, 곰솔 및 테다소나무를 각각 구별할 수 있는 마커이다(표 5 및 도 5 참고).In the primer set according to an embodiment of the present invention, the primer set is based on a polymorphic marker based on the complete sequence of the chloroplast genome of 5 types of pine trees (pine pine, old pine, gom pine, Chinese pine, and teda pine), SEQ ID NO: The oligonucleotide primer set of 5 and SEQ ID NO: 6 (Marker 3) and the oligonucleotide primer set of SEQ ID NO: 7 and SEQ ID NO: 8 (Marker 4) are markers capable of distinguishing between pine, spruce pine, gomsol and teda pine, respectively. (See Table 5 and Figure 5).

본 발명의 프라이머 세트는 바람직하게는 상기 2개의 프라이머 세트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개 이상의 프라이머 세트를 포함하며, 2개의 프라이머 세트, 즉, 서열번호 5 및 서열번호 6의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트 및 서열번호 7 및 서열번호 8의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트를 모두 포함할 수 있다. 2개의 프라이머 세트를 동시에 이용하면 소나무 종 판별을 더욱 효율적으로 수행할 수 있다.The primer set of the present invention preferably comprises one or more primer sets selected from the group consisting of the two primer sets, and two primer sets, namely, the oligonucleotide primer sets of SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6 and the sequences It may include both the oligonucleotide primer sets of No. 7 and SEQ ID No. 8. If two primer sets are used simultaneously, pine species identification can be performed more efficiently.

또한, 본 발명에 따른 프라이머 세트에 있어서, 상기 프라이머 세트는 서열번호 3 및 서열번호 4의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 서열번호 3 및 서열번호 4의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트는 구주소나무, 곰솔 및 테다소나무로부터 우리나라 소나무(P. densiflora)만을 특이적으로 구별할 수 있는 마커이다.In addition, in the primer set according to the present invention, the primer set may further include an oligonucleotide primer set of SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4, and the oligonucleotide primer set of SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4 is a savior It is a marker that can specifically distinguish only Korean pine ( P. densiflora ) from pine, pine, and cedar pine.

상기 프라이머는 각 프라이머의 서열 길이에 따라, 서열번호 3 내지 8의 서열 내의 16개 이상, 17개 이상, 18개 이상, 19개 이상, 20개 이상의 연속 뉴클레오티드의 절편으로 이루어진 올리고뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 예를 들면, 서열번호 3의 프라이머(22개 올리고뉴클레오티드)는 서열번호 3의 서열 내의 16개 이상, 17개 이상, 18개 이상, 19개 이상, 20개 이상, 21개 이상의 연속 뉴클레오티드의 절편으로 이루어진 올리고뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 또한, 상기 프라이머는 서열번호 3 내지 8의 염기서열의 부가, 결실 또는 치환된 서열도 포함할 수 있다.The primer may include an oligonucleotide consisting of a fragment 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 to 8, depending on the sequence length of each primer. have. For example, the primer (22 oligonucleotides) of SEQ ID NO: 3 is a fragment of 16 or more, 17 or more, 18 or more, 19 or more, 20 or more, 21 or more consecutive nucleotides in the sequence of SEQ ID NO: 3 It may comprise an oligonucleotide consisting of In addition, the primer may also include an addition, deletion or substitution of the nucleotide sequence of SEQ ID NOs: 3 to 8.

본 발명의 프라이머 세트에서, 서열번호 3, 5 및 7로 나타낸 염기서열은 정방향 프라이머를 나타내며, 서열번호 4, 6 및 8로 나타낸 염기서열은 역방향 프라이머를 나타낸다.In the primer set of the present invention, the nucleotide sequences shown in SEQ ID NOs: 3, 5 and 7 represent forward primers, and the nucleotide sequences shown in SEQ ID NOs: 4, 6 and 8 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, 상기 프라이머 세트 및 증폭반응을 수행하기 위한 시약을 포함하는, 소나무 종 판별용 키트를 제공한다.The present invention also provides a kit for identifying pine species, including the primer set and reagents for performing the 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 발명에 따른 키트에 있어서, 상기 소나무 종은 소나무(Pinus densiflora), 구주소나무(P. sylvestris), 곰솔(P. thunbergii) 및 테다소나무(P. taeda)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the kit according to the present invention, the pine species is pine ( Pinus densiflora ), pine tree ( P. sylvestris ), gom pine ( P. thunbergii ) and cedar pine ( P. taeda ) It may be at least one selected from the group consisting of However, it is not limited thereto.

본 발명은 또한, 본 발명의 프라이머 세트를 이용하여 소나무 종을 판별하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 구체적으로는,The present invention also provides a method for discriminating a pine species using the primer set of the present invention. The method is specifically,

소나무 시료에서 게놈 DNA를 분리하는 단계;isolating genomic DNA from a pine tree sample;

상기 분리된 게놈 DNA를 주형으로 하고, 본 발명의 프라이머 세트를 이용하여 증폭 반응을 수행하여 표적 서열을 증폭하는 단계; 및amplifying a target sequence by using the isolated genomic DNA as a template and performing an amplification reaction using the primer set of the present invention; and

상기 증폭 단계의 산물을 검출하는 단계;를 포함할 수 있다.It may include; detecting the product of the amplification step.

본 발명의 방법은 소나무 시료로부터 게놈 DNA를 분리하는 단계를 포함한다. 상기 시료에서 게놈 DNA를 분리하는 방법은 당업계에 공지된 방법을 이용할 수 있으며, 예를 들면, CTAB 방법을 이용할 수도 있고, Wizard prep 키트(Promega 사)를 이용할 수도 있다. 상기 분리된 게놈 DNA를 주형으로 하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 프라이머 세트를 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 증폭 시스템(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 표적핵산에 특이적으로 결합하는 프라이머 쌍으로부터 표적 핵산을 증폭하는 방법이다. 이러한 PCR 방법은 당업계에 잘 알려져 있으며, 상업적으로 이용 가능한 키트를 이용할 수도 있다.The method of the present invention includes isolating genomic DNA from a pine tree sample. A method for isolating genomic DNA from the sample may use a method known in the art, for example, a CTAB method may be used, or a Wizard prep kit (Promega) may be used. A target sequence may be amplified by using the isolated genomic DNA as a template and performing an amplification reaction using the primer set according to an embodiment of the present invention. Methods for amplifying a target nucleic acid include polymerase chain reaction (PCR), ligase chain reaction, nucleic acid sequence-based amplification, and transcription-based amplification systems. 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 방법에 있어서, 상기 증폭된 표적 서열은 검출가능한 표지 물질로 표지될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 표지 물질은 형광, 인광 또는 방사성을 발하는 물질일 수 있고, 바람직하게는, FAM, HEX, VIC, JOE, ROX, TAMRA, Cy3 또는 Cy5 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 표적 서열의 증폭시 프라이머의 5'-말단에 상기 표지 물질을 표지하여 PCR을 수행하면 표적 서열이 검출가능한 형광 표지 물질로 표지될 수 있다. 또한, 방사성 물질을 이용한 표지는 PCR 수행 시 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 프라이머 세트는 상기에 기재된 바와 같다.In the method of the present invention, the amplified target sequence may be labeled with a detectable labeling substance. In one embodiment, the labeling material may be a material emitting fluorescence, phosphorescence, or radioactivity, preferably, FAM, HEX, VIC, JOE, ROX, TAMRA, Cy3 or Cy5, etc., but is not limited thereto. When PCR is performed by labeling the labeling material 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 the 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 primer sets used to amplify the target sequence are as described above.

본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 증폭 단계 산물의 검출은 DNA 칩, 겔 전기영동, 모세관 전기영동, 방사성 측정, 형광 측정 또는 인광 측정을 통해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 증폭 산물을 검출하는 방법 중의 하나로서, 모세관 전기영동을 수행할 수 있다. 모세관 전기영동은 예를 들면, ABI Sequencer를 이용할 수 있다. 또한, 겔 전기영동을 수행할 수 있으며, 겔 전기영동은 증폭 산물의 크기에 따라 아가로스 겔 전기영동 또는 아크릴아미드 겔 전기영동을 이용할 수 있다. 또한, 형광 측정 방법은 프라이머의 5'-말단에 Cy-5 또는 Cy-3를 표지하여 PCR을 수행하면 표적 서열이 검출가능한 형광 표지 물질로 표지되며, 이렇게 표지된 형광은 형광 측정기를 이용하여 측정할 수 있다. 또한, 방사성 측정 방법은 PCR 수행시 32P 또는 35S 등과 같은 방사성 동위원소를 PCR 반응액에 첨가하여 증폭 산물을 표지한 후, 방사성 측정기구, 예를 들면, 가이거 계수기(Geiger counter) 또는 액체섬광계수기(liquid scintillation counter)를 이용하여 방사성을 측정할 수 있다.In the method according to an embodiment of the present invention, the detection of the amplification step product may be performed through a DNA chip, gel electrophoresis, capillary electrophoresis, radiometric measurement, fluorescence measurement or phosphorescence measurement, but is not limited thereto. As one of the methods for detecting the amplification product, capillary electrophoresis may be performed. Capillary electrophoresis may use, for example, the ABI Sequencer. In addition, gel electrophoresis can be performed, and agarose gel electrophoresis or acrylamide gel electrophoresis can be used for gel electrophoresis depending on the size of the amplification product. In addition, in the fluorescence measurement method, when PCR is performed by labeling the 5'-end of the primer with Cy-5 or Cy-3, the target sequence is labeled with a detectable fluorescent labeling material, and the labeled fluorescence is measured using a fluorometer. can do. In addition, the radioactive measurement method is a radioactive isotope such as 32 P or 35 S is added to the PCR reaction solution during PCR to label the amplification product, and then a radioactive measuring instrument, for example, a Geiger counter (Geiger counter) or liquid scintillation The radioactivity can be measured using a liquid scintillation counter.

이하. 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.below. 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.

재료 및 방법Materials and Methods

1. 샘플링, DNA 추출 및 시퀀싱1. Sampling, DNA Extraction and Sequencing

소나무(Pinus densiflora)(MK285358)의 신선한 잎은 지정문화재(강원 삼척시 미로면 준경길 333-360, 준경묘, N 37" 22' 2" E 129" 3' 32")로부터 수집하였으며, 총 게노믹 DNA는 ~100 ㎎의 냉동된 잎을 ExgeneTM Plant SV 키트(GeneAll Biotechnology Co., LTD, 한국)를 사용하여 제조사의 지침에 따라 추출하였다. 두 종류의 DNA 라이브러리를 구축하기 위해서, 670 bp의 평균 insert 크기를 가지는 TruSeq Nano DNA 키트와 55 kbp의 평균 insert 크기를 가지는 Rapid sequencing 키트(SQK-RAD004)를 각각 사용하여 Illumina MiSeq 및 Oxford Nanopore 라이브러리를 준비하였다. 그 후, 2개의 게노믹 라이브러리를 PHYZEN (http://phyzen.com)에서 Illumina MiSeq 및 Oxford Nanopore MinION 플랫폼으로 시퀀싱하였다.Fresh leaves of pine ( Pinus densiflora ) (MK285358) were collected from designated cultural properties (333-360 Jungyeong-gil, Miro-myeon, Samcheok-si, Gangwon-do, Jungyeongmyo, N 37"22'2" E 129"3'32"), and total genomic DNA was ~100 mg of frozen leaves were extracted using the Exgene Plant SV kit (GeneAll Biotechnology Co., LTD, Korea) according to the manufacturer's instructions. To construct two types of DNA libraries, Illumina MiSeq and Oxford Nanopore libraries were constructed using the TruSeq Nano DNA kit having an average insert size of 670 bp and the Rapid sequencing kit (SQK-RAD004) having an average insert size of 55 kbp, respectively. prepared. The two genomic libraries were then sequenced on PHYZEN (http://phyzen.com) with Illumina MiSeq and Oxford Nanopore MinION platforms.

2. 엽록체 게놈 서열의 어셈블 및 주석달기2. Assembling and Annotating Chloroplast Genome Sequences

ONM 원시 데이터는 albacore 프로그램 (https://github.com/JGI-Bioinformatics/albacore/blob/master/README.md)의 디폴트 옵션(default option)으로 콜링(basecalled)한 후, 어댑터 및 키메릭 서열을 porechop 프로그램 (https://github.com/rrwick/Porechop)의 디폴트 옵션으로 제거하였다. 그 후, MinION 리드를 smartdenovo (https://github.com/ruanjue/smartdenovo)를 사용하여 de novo 어셈블하였다. 그 후 어셈블된 컨티그들을 NCBI (National Center for Biotechnology Information) 염기 데이터베이스에 BlastN 프로그램으로 비교하여 엽록체 컨티그들을 선별하였다. 완전한 엽록체 게놈 서열을 어셈블하기 위해 유니티그(unitig)의 오버랩핑을 사용하였다. Illumina MiSeq 리드를 CLC assembly cell package (version 4.21, CLC Inc, Aarhus, Denmark)의 CLC_ref_assemble 툴을 사용하여 전장의 엽록체 게놈에 맵핑하였다. 에러 교정은 매뉴얼 큐레이션으로 수행하였다. 유전자 주석달기(annotation)는 GeSeq 프로그램 (https://chlorobox.mpimp-golm.mpg.de/geseq-app.html)의 디폴트 옵션으로, Blast 검색을 통해 단백질 코딩 유전자 지역을, ARAGORN (version 1.2.3) 및 tRNAscan-SE (version 2.0.3)를 사용하여 tRNA 유전자를 결정하였다. 정확한 유전자 부위는 Artemis annotation tool (https://www.sanger.ac.uk/science/tools/artemis)을 이용하여 매뉴얼 큐레이션으로 결정하였다. 환형의 유전자 맵은 Organellar Genome DRAW software (ORDRAW)를 사용하여 제작하였다.ONM raw data are basecalled to the default option of the albacore program (https://github.com/JGI-Bioinformatics/albacore/blob/master/README.md), and then adapter and chimeric sequences are Removed as default option of porechop program (https://github.com/rrwick/Porechop). Thereafter, MinION leads were assembled de novo using smartdenovo (https://github.com/ruanjue/smartdenovo). Thereafter, the assembled contigs were compared to the NCBI (National Center for Biotechnology Information) base database with the BlastN program to select chloroplast contigs. The overlapping of unitigs was used to assemble the complete chloroplast genome sequence. Illumina MiSeq reads were mapped to the full-length chloroplast genome using the CLC_ref_assemble tool from the CLC assembly cell package (version 4.21, CLC Inc, Aarhus, Denmark). Error correction was performed by manual curation. Gene annotation is the default option of the GeSeq program (https://chlorobox.mpimp-golm.mpg.de/geseq-app.html), which uses Blast searches to identify protein-coding gene regions, ARAGORN (version 1.2. 3) and tRNAscan-SE (version 2.0.3) were used to determine the tRNA gene. The exact gene site was determined by manual curation using the Artemis annotation tool (https://www.sanger.ac.uk/science/tools/artemis). The circular gene map was prepared using Organellar Genome DRAW software (ORDRAW).

3. 정렬 및 계통수 구축3. Sort and build phylogenetic trees

새롭게 시퀀싱된 엽록체 게놈 서열을 가지고 NCBI 데이터베이스에서 BlastN 검색을 수행하였다. 이 과정을 통해, 가장 높은 유사도를 보이는 종의 전체 엽록체 게놈 서열을 확인하고 다운로드받았다. 어셈블된 엽록체 DNA 서열을 가장 유사한 종인 구주소나무(P. sylvestris)의 엽록체 게놈 서열과 비교하였다. 단백질 코딩 유전자(protein coding gene, CDS)의 서열을 mVISTA를 사용하여 정렬하였다. 계통발생 분석을 위해, 12개의 소나무과(소나무속(Pinus), 가문비나무속(Picea), 납엽송(Larix) 및 침엽수(Abies)) 식물 및 1개의 주목과(Taxus) 식물을 선택하였다. 외집단을 서양주목(Taxus baccata)으로 설정하였다. 총 13개의 식물 종으로부터 공통적으로 보존된 59개의 단백질 코딩 유전자를 추출하였고, 그 종류는 다음과 같다: accD, atpA, atpB, atpE, atpF, atpH, atpI, chlB, chlL, chlN, infA, matK, petA, petB, petD, petG, psaA, psaB, psaC, psaI, psaJ, psbB, psbC, psbD, psbE, psbF, psbH, psbI, psbJ, psbK, psbL, psbM, psbN, psbT, rbcL, rpl14, rpl16, rpl2, rpl20, rpl22, rpl23, rpl32, rpl33, rpl36, rpoA, rpoB, rpoC1, rpoC2, rps11, rps12, rps14, rps15, rps18, rps19, rps3, rps4, rps7, rps8. 다중 서열 정렬은 MAFFT program (version 7)을 이용하여 수행되었으며, 그 후, 최대공산(maximum likelihood) 계통수를 MEGA6 프로그램을 사용하여 general time reversible (GTR) 모델을 가지고 1,000 부트스트랩으로 제작하였다.A BlastN search was performed in the NCBI database with the newly sequenced chloroplast genome sequence. Through this process, the entire chloroplast genome sequence of the species with the highest similarity was identified and downloaded. The assembled chloroplast DNA sequence was compared with the chloroplast genome sequence of the most similar species, P. sylvestris. The sequence of the protein coding gene (CDS) was aligned using mVISTA. For phylogenetic analysis, 12 Pineaceae (Pinus, Picea, Larix and Abies) plants and 1 yew (Taxus) plants were selected. The outgroup was set as Western attention ( Taxus baccata ). 59 commonly conserved protein-coding genes were extracted from a total of 13 plant species as follows: accD, atpA, atpB, atpE, atpF, atpH, atpI, chlB, chlL, chlN, infA, matK, petA, petB, petD, petG, psaA, psaB, psaC, psaI, psaJ, psbB, psbC, psbD, psbE, psbF, psbH, psbI, psbJ, psbK, psbL, psbM, psbN, psbT, rpl16, psbT rpl2, rpl20, rpl22, rpl23, rpl32, rpl33, rpl36, rpoA, rpoB, rpoC1, rpoC2, rps11, rps12, rps14, rps15, rps18, rps19, rps3, rps4, rps7, rps4 . Multiple sequence alignment was performed using the MAFFT program (version 7), and then, the maximum likelihood phylogenetic tree was fabricated with a general time reversible (GTR) model using the MEGA6 program and 1,000 bootstraps.

실시예 1. 우리나라 소나무 (Example 1. Korean pine ( P. densifloraP. densiflora )의 엽록체 게놈 서열분석) chloroplast genome sequencing

소나무 (P. densiflora)의 완전한 엽록체 게놈은 ONM 시퀀서를 사용하여 시퀀싱하였으며, Illumina MiSeq의 짧은 리드들을 통해 에러를 교정하였다. ONM 리드들을 완전한 엽록체 게놈 서열로 맵핑한 후, 각 염기 위치에 대한 시퀀싱 에러율을 계산한 결과 9.29%로 확인되었다. 원시 데이터 생산의 총 량은 MiSeq에서는 14.6 Gb, ONM에서는 2.1 Gb로 나타났다. 엽록체 게놈의 평균 커버리지는 MiSeq는 303.27×, ONM은 28.46×였다. 소나무 (P. densiflora)의 완전한 엽록체 게놈 서열을 GenBank에 제출하였다(accession number MK285358).The complete chloroplast genome of pine ( P. densiflora ) was sequenced using the ONM sequencer, and errors were corrected through short reads of Illumina MiSeq. After mapping the ONM reads to the complete chloroplast genome sequence, the sequencing error rate for each nucleotide position was calculated and confirmed to be 9.29%. The total amount of raw data production was 14.6 Gb for MiSeq and 2.1 Gb for ONM. The average coverage of the chloroplast genome was 303.27× for MiSeq and 28.46× for ONM. The complete chloroplast genome sequence of pine ( P. densiflora ) was submitted to GenBank (accession number MK285358).

적송의 NGS 결과 정보NGS result information of red pine Sequencing platformsequencing platform Input readsInput reads Trimmed readsTrimmed reads Raw basesraw bases Trimmed basestrimmed bases MiSeqMiSeq 49,013,29649,013,296 40,786,223 (83.21%)40,786,223 (83.21%) 14,563,262,09714,563,262,097 10,101,761,675 (69.36%)10,101,761,675 (69.36%) ONMONM 305,965305,965 306,493 (100.21%)306,493 (100.21%) 2,116,530,7682,116,530,768 2,089,930,503 (98.74%)2,089,930,503 (98.74%)

소나무 (P. densiflora)의 엽록체는 119,875 bp 크기의 환형 DNA를 가지고, large single copy (LSC), small single copy (SSC) 및 inverted repeats (IRs)의 한 쌍을 포함하는 전형적인 4부로 된(quadripartite) 구조를 가지고 있었다. 소나무 (P. densiflora)의 LSC는 65,654 bp, SSC는 53,231 bp, 각각의 IR은 495 bp로 확인되었다. 새롭게 어셈블된 소나무 (P. densiflora)의 엽록체 게놈은 테다소나무를 제외하고 보고된 다른 소나무 종에 비해 다소 큰 것으로 확인되었다(표 2).The chloroplast of pine ( P. densiflora ) has a circular DNA of 119,875 bp in size and is a typical quadripartite containing a pair of large single copy (LSC), small single copy (SSC) and inverted repeats (IRs). had a structure. LSC of P. densiflora was identified as 65,654 bp, SSC as 53,231 bp, and each IR as 495 bp. The chloroplast genome of newly assembled pine ( P. densiflora ) was found to be somewhat larger than that of other reported pine species except for teda pine (Table 2).

소나무 속의 엽록체 게놈 특징Features of the chloroplast genome in the genus Pine Genome size (bp)Genome size (bp) LSC length (bp)LSC length (bp) SSC length (bp)SSC length (bp) IR length (bp)IR length (bp) Number of genesNumber of genes P. densiflora (MK285358)P. densiflora (MK285358) 119,875119,875 65,65465,654 53,23153,231 495495 113113 P. sylvestris (KR476379)P. sylvestris (KR476379) 119,758119,758 65,55965,559 53,20953,209 495495 112112 P. thunbergii (D17510)P. thunbergii (D17510) 119,707119,707 65,69665,696 53,02153,021 495495 113113 P. tabuliformis (KT740995)P. tabuliformis (KT740995) 119,646119,646 65,61865,618 53,03853,038 495495 114114 P. taeda (KC427273)P. taeda (KC427273) 121,530121,530 66,27266,272 54,28854,288 485485 110110

우리나라 소나무의 엽록체 게놈은 72개의 단백질 코딩 유전자, 32개의 tRNA 유전자 및 4개의 rRNA 유전자를 포함하는 독특한 108개의 유전자를 코딩하는 것으로 확인되었다(표 3). 상기 유전자 중 trnI-CAU는 IR 부위에 반복되고, psaMtrnS-GCU는 LSC 부위에 2 카피 존재하며, trnH-GUGtrnT-GGU는 LSC와 SSC 부위에 각각 한 카피 존재하는 것으로 확인되었다. 이중의(duplicated) 유전자가 동등하게 반복되었고, trnT-GGU를 제외하고 4쌍의 방향성이 반전되었다. 엽록체 게놈에서 73개의 단백질, 36개의 tRNA 및 4개의 rRNA를 코딩하는 총 113개의 유전자가 발견되었다. 108개의 독특한 유전자 중 12개의 유전자는 하나의 인트론을 포함하며 2개의 유전자는 2개의 인트론을 포함하는 것으로 확인되었다. 상기 인트론은 trnL-UAA의 479 bp에서 trnK-UUU의 2,501 bp까지 범위가 다양하였다. rps12 유전자는 2개의 엑손을 가지고 있으며, 첫 번째 엑손은 LSC 부위에서, 두 번째 및 세 번째 엑손은 SSC 부위에서 확인되어 trans-splicing이 필요할 것으로 사료되었다. 5개의 ndh 유전자(ndhB, ndhD, ndhE, ndhHndhI)가 위유전자화(pseudogenization)되어 있었다. 새롭게 제작된 소나무 (P. densiflora) 엽록체 게놈의 유전자 지도는 도 1과 같다.The chloroplast genome of Korean pine was confirmed to encode 108 unique genes, including 72 protein-coding genes, 32 tRNA genes, and 4 rRNA genes (Table 3). Among these genes, it was confirmed that trnI-CAU was repeated in the IR region, two copies of psaM and trnS-GCU were present in the LSC region, and one copy of trnH-GUG and trnT-GGU was present in the LSC and SSC regions, respectively. Duplicated genes were equally repeated, with the exception of trnT-GGU , four pairs of reversed orientations. A total of 113 genes encoding 73 proteins, 36 tRNAs and 4 rRNAs were found in the chloroplast genome. Of the 108 unique genes, 12 genes contained one intron and two genes contained two introns. The intron ranged from 479 bp of trnL-UAA to 2,501 bp of trnK-UUU. The rps12 gene has two exons, the first exon was identified at the LSC site, and the second and third exons were identified at the SSC site, suggesting that trans-splicing would be necessary. Five ndh genes ( ndhB, ndhD, ndhE, ndhH and ndhI ) were pseudogenerated. A genetic map of the newly produced pine ( P. densiflora ) chloroplast genome is shown in FIG. 1 .

소나무 (P. densiflora)의 엽록체 게놈에서 주석달린 유전자 목록List of Annotated Genes in the Chloroplast Genome of Pine ( P. densiflora ) FunctionFunction GenesGenes RNAs, ribosomalRNAs, ribosomal rrn4.5, rrn5, rrn16, rrn23rrn4.5, rrn5, rrn16, rrn23 RNAs, transferRNAs, transfer trnA-UGCtrnA-UGC ** , trnC-GCA, trnD-GUC, trnE-UUC, trnF-GAA, trnG-GCC, trnG-UCC, trnC-GCA, trnD-GUC, trnE-UUC, trnF-GAA, trnG-GCC, trnG-UCC ** , , trnH-GUGtrnH-GUG , , trnI-CAUtrnI-CAU , trnI-GAU, trnI-GAU ** , trnK-UUU, trnK-UUU *,T*,T , trnL-CAA, trnL-UAA, trnL-CAA, trnL-UAA ** , trnL-UAG, trnM-CAU, trnfM-CAU, trnN-GUU, trnP-UGG, trnP-GGG, trnQ-UUG, trnR-ACG, trnR-CCG, trnR-UCU, , trnL-UAG, trnM-CAU, trnfM-CAU, trnN-GUU, trnP-UGG, trnP-GGG, trnQ-UUG, trnR-ACG, trnR-CCG, trnR-UCU, trnS-GCUtrnS-GCU , trnS-GGA, trnS-UGA, , trnS-GGA, trnS-UGA, trnT-GGUtrnT-GGU , trnT-UGU, trnV-GAC, trnV-UAC, trnT-UGU, trnV-GAC, trnV-UAC ** , trnW-CCA, trnY-GUA, trnW-CCA, trnY-GUA Transcription and splicingTranscription and splicing rpoA, rpoB, rpoC1rpoA, rpoB, rpoC1 ** , rpoC2, matK, rpoC2, matK Translation, ribosomal proteinsTranslation, ribosomal proteins Small subunitSmall subunit rps2, rps3, rps4, rps7, rps8, rps11, rps12rps2, rps3, rps4, rps7, rps8, rps11, rps12 **,T**,T , rps14, rps15, rps18, rps19, rps14, rps15, rps18, rps19 Large subunitLarge subunit rpl2rpl2 ** , rpl14, rpl16, rpl14, rpl16 ** , rpl20, rpl22, rpl23, rpl32, rpl33, rpl36, rpl20, rpl22, rpl23, rpl32, rpl33, rpl36 PhotosynthesisPhotosynthesis ATP synthaseATP synthase atpA, atpB, atpE, atpFatpA, atpB, atpE, atpF ** , atpH, atpI, atpH, atpI Photosystem IPhotosystem I psaA, psaB, psaC, psaI, psaJ, psaA, psaB, psaC, psaI, psaJ, psaMpsaM , ycf3, ycf3 **** , ycf4, ycf4 Photosystem ⅡPhotosystem II psbA, psbB, psbC, psbD, psbE, psbF, psbH, psbI, psbJ, psbK, psbL, psbM, psbN, psbT, psbZpsbA, psbB, psbC, psbD, psbE, psbF, psbH, psbI, psbJ, psbK, psbL, psbM, psbN, psbT, psbZ Calvin cycleCalvin cycle rbcLrbcL Cytochrome complexCytochrome complex petA, petBpetA, petB ** , petD, petD ** , petG, petL, petN, petG, petL, petN Chlorophyll biosynthesisChlorophyll biosynthesis chlB, chlL, chlNchlB, chlL, chlN OthersOthers clpP, accD, cemA, ccsA, infA, ycf1, ycf2, ycf12clpP, accD, cemA, ccsA, infA, ycf1, ycf2, ycf12

*: 인트론을 1개 포함하는 유전자, **: 인트론을 2개 포함하는 유전자, T: 연관된 유전자의 trans-splicing, 굵은글씨: 2개 유전자 카피. * : gene including one intron, ** : gene including two introns, T : trans-splicing of related genes, bold: 2 gene copies.

실시예 2. DNA 변이 확인을 위한 소나무 종간 엽록체 게놈 비교 분석Example 2. Comparative analysis of chloroplast genomes between species of pine trees to confirm DNA mutations

소나무 (P. densiflora) 엽록체 게놈의 유전자 구성 및 순서는 이전에 공개된 소나무 4종의 염록체 게놈(구주소나무 (P. sylvestris): KR476379, 곰솔 (P. thunbergii): D17510, 중국소나무(P. tabuliformis): KT740995, 테다소나무 (P. taeda): KC427273)과 ycf 유전자 및 psaM 유전자 중복(duplication)을 제외하고 거의 유사하였다. 상기 소나무 종간 SNP(single nucleotide polymorphisms) 또는 InDel(insertion/deletions) 다형성은 유전자간(inter-genic) 영역에서 발견되었다(도 2). 그러나, ycf1ycf2 부위에서는 각 종간에 낮은 서열 유사도를 보여주었다. 또한, 소나무 (P. densiflora)의 LSC 부위에서 trnE-UUCclpP 유전자 사이에 거대한 염기 삽입이 관찰되었다.The genetic composition and sequence of the chloroplast genome of pine ( P. densiflora ) has been previously published chloroplast genomes of four species of pine ( P. sylvestris ): KR476379, P. thunbergii ): D17510, Chinese pine ( P. tabuliformis ): KT740995, P. taeda : KC427273) and ycf gene and psaM gene were almost similar except for duplication. The pine species SNP (single nucleotide polymorphisms) or InDel (insertion/deletions) polymorphisms were found in the inter-genic region ( FIG. 2 ). However, the ycf1 and ycf2 regions showed low sequence similarity between species. In addition, a huge base insertion was observed between the trnE- UUC and clpP genes in the LSC region of pine (P. densiflora).

5종의 소나무 엽록체 게놈에서 보더(border) 구조를 자세하게 비교하였다(도 3). Pairwise 정렬 결과와 일치하게 소나무는 구주소나무와 가장 유사하였으며, 테다소나무는 다른 4종의 소나무와 IR 부위에서 큰 차이를 보여주었다. 테다소나무를 제외한 4종의 소나무는 IRs 부위의 유전자 포지셔닝은 안정적인 반면, SSC 및 LSC 부위는 변이지역으로 나타났다. IR 지역은 trnI-CAU를 가지며 IRa/LSC 보더(경계)에 psbA의 일부를 가지고 있는 것으로 확인되었고, 유전자 크기 및 위치가 잘 보존되어 있었다. LSC 및 SSC 부위의 보더에 근접한 유전자는 1~11 bp 변이를 가지는 것이 관찰되었다. trnK-UUU 유전자는 SSC/IRa 보더로부터 1,500~1,511 bp 떨어진 LSC 부위에 위치하였다. rpl2 유전자의 첫 번째 엑손은 LSC/IRb 보더 상류(upstream) 1,463~1,468 bp에 위치하였고, trnF-GAAtrnH-GUG 유전자는 보더로부터 각각 1,530~1,537 bp 및 144~169 bp의 SSC 부위 내에 위치하였다.The border structures were compared in detail in the chloroplast genomes of 5 species of pine trees (FIG. 3). Consistent with the pairwise sorting results, pine was most similar to old pine, and Teda pine showed a significant difference from the other 4 types of pines in the IR area. In the four types of pine except Teda pine, the gene positioning of the IRs region was stable, whereas the SSC and LSC regions were found to be mutated regions. The IR region had trnI-CAU and was identified as having a portion of psbA on the IRa/LSC border (border), and the gene size and location were well conserved. Genes adjacent to the border of the LSC and SSC regions were observed to have 1 to 11 bp mutations. The trnK-UUU gene was located in the LSC region 1,500-1,511 bp away from the SSC/IRa border. The first exon of the rpl2 gene was located 1,463~1,468 bp upstream of the LSC/IRb border, and the trnF-GAA and trnH-GUG genes were located in the SSC region of 1,530~1,537 bp and 144~169 bp from the border, respectively. .

12개의 소나무과 식물종 및 1개의 주목과(Taxaceae) 식물종의 엽록체 게놈 서열 정렬에 기반하여 계통수를 제작하였고, 소나무 (P. densiflora)는 구주소나무와 가장 근연관계인 것으로 확인되었다(도 4 및 표 4).A phylogenetic tree was prepared based on the chloroplast genome sequence alignment of 12 Pineaceae plant species and 1 Yum family (Taxaceae) plant species, and Pine ( P. densiflora ) was confirmed to be the most closely related to the Pine tree (Fig. 4 and Table 4). ).

12개 침엽수 종의 엽록체 게놈 비교Comparison of chloroplast genomes of 12 coniferous species SpeciesSpecies Accession No.Accession No. No. of protein coding genesNo. of protein coding genes No. of common protein coding genes with P. densiflora No. of common protein coding genes with P. densiflora Pinus sylvestrisPinus sylvestris KR476379KR476379 7373 7373 Pinus tabuliformisPinus tabuliformis KT740995KT740995 7474 7373 Pinus thunbergiiPinus thunbergii D17510D17510 6969 6969 Pinus taedapinus taeda KC427273KC427273 7171 7171 Pinus strobusPinus strobus KP099650KP099650 -- -- Pinus koraiensisPinus koraiensis AY228468AY228468 7474 7272 Pinus sibiricaPinus sibirica KT723438KT723438 7777 7373 Picea abiesPicea abies HF937082HF937082 7474 7272 Larix deciduaLarix Decidua AB501189AB501189 7272 7171 Abies koreanaAbies koreana KP742350KP742350 7474 7373 Abies sibiricaAbies sibirica KR476376KR476376 7474 7373 Taxus baccataTaxus baccata KR476375KR476375 8181 7070

실시예 3. 소나무 종 판별용 분자마커 Example 3. Molecular markers for identification of pine species

곰솔과 구주소나무의 pairwise 정렬에서 6 bp 이상의 갭(gap)이 존재하는 부위를 타켓으로 하여, 이를 포함한 PCR 산물을 증폭시킬 수 있도록 프라이머 세트를 제작하였다. 프라이머 세트는 Primer3 툴 (v.0.4.0, http://bioinfo.ut.ee/primer3-0.4.0/)을 이용하여 제작되었으며, 프라이머 세트의 제작 시 올리고뉴클레오티드의 조건은 길이 18-27 bp, Tm (용해온도) 57-63℃, GC 함량 20-80% 범위였다. 서열번호 1 및 서열번호 2의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트는 유전자 aptB의 일부, 서열번호 3 및 서열번호 4의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트는 유전자 chlN의 일부, 서열번호 5 및 서열번호 6의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트는 유전자 trnL-UAA의 일부, 서열번호 7 및 서열번호 8의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트는 유전자 ycf2의 일부 서열을 포함하고 있다. 상기와 같은 방법에 의해 제작된 소나무 종 판별용 분자마커를 정리하면 하기 표 5와 같다.A primer set was prepared to amplify the PCR product including the target site with a gap of 6 bp or more in the pairwise alignment of Gomsol and spruce. The primer set was prepared using the Primer3 tool (v.0.4.0, http://bioinfo.ut.ee/primer3-0.4.0/), and the condition of the oligonucleotide during the preparation of the primer set was 18-27 bp in length. , Tm (dissolution temperature) 57-63°C, GC content ranged from 20-80%. The oligonucleotide primer set of SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2 is a part of gene aptB, the oligonucleotide primer set of SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4 is a part of gene chlN , and the oligonucleotide primer set of SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6 is a gene A part of trnL-UAA, the oligonucleotide primer sets of SEQ ID NO: 7 and SEQ ID NO: 8 include a partial sequence of gene ycf2. Table 5 below summarizes the molecular markers for identifying pine species produced by the above method.

소나무 종 판별을 위한 분자마커Molecular markers for identification of pine species Marker 1Marker 1 ForwardForward 5'-TCTGATCGACCCAATATGGA-3' (서열번호 1)5'-TCTGATCGACCCAATATGGA-3' (SEQ ID NO: 1) ReverseReverse 5'-TTTGAGCAATACGTCCCACA-3' (서열번호 2)5'-TTTGAGCAATACGTCCCACA-3' (SEQ ID NO: 2) SpeciesSpecies GenBank ID.GenBank ID. startstart endend PCR product (bp)PCR product (bp) P. densifloraP. densiflora MK285358MK285358 4502845028 4519745197 170170 P. sylvestrisP. sylvestris KR476379KR476379 4501145011 4519245192 182182 P. thunbergiiP. thunbergii D17510D17510 4504845048 4521645216 169169 P. taedaP. taeda KC427273KC427273 4574545745 4590745907 163163 Marker 2Marker 2 ForwardForward 5'-CAATTTCTCCACTTCTCCACAA-3' (서열번호 3)5'-CAATTTCTCCACTTCTCCACAA-3' (SEQ ID NO: 3) ReverseReverse 5'-TGATAATTGCCCGTTTCACA-3' (서열번호 4)5'-TGATAATTGCCCGTTTCCACA-3' (SEQ ID NO: 4) SpeciesSpecies GenBank ID.GenBank ID. startstart endend PCR product (bp)PCR product (bp) P. densifloraP. densiflora MK285358MK285358 9378593785 9399293992 208208 P. sylvestrisP. sylvestris KR476379KR476379 9376593765 9396193961 197197 P. thunbergiiP. thunbergii D17510D17510 9380593805 9400194001 197197 P. taedaP. taeda KC427273KC427273 9460494604 9480094800 197197 Marker 3Marker 3 ForwardForward 5'-CCGTAGCGTCTACCAATTCC-3' (서열번호 5)5'-CCGTAGCGTCTACCAATTCC-3' (SEQ ID NO: 5) ReverseReverse 5'-CCAGTCATATTCGATTGGGGTA-3' (서열번호 6)5'-CCAGTCATATTCGATTGGGGTA-3' (SEQ ID NO: 6) SpeciesSpecies GenBank ID.GenBank ID. startstart endend PCR product (bp)PCR product (bp) P. densifloraP. densiflora MK285358MK285358 6867168671 6889468894 224224 P. sylvestrisP. sylvestris KR476379KR476379 6866468664 6887768877 214214 P. thunbergiiP. thunbergii D17510D17510 6871968719 6891468914 196196 P. taedaP. taeda KC427273KC427273 6938569385 6960269602 218218 Marker 4Marker 4 ForwardForward 5'-AGCACAATCCGTTCAACTCTC-3' (서열번호 7)5'-AGCACAATCCGTTCAACTCTC-3' (SEQ ID NO: 7) ReverseReverse 5'-ATCCTCCCGTGCCTAATAGC-3' (서열번호 8)5'-ATCCTCCCGTGCCTAATAGC-3' (SEQ ID NO: 8) SpeciesSpecies GenBank ID.GenBank ID. startstart endend PCR product (bp)PCR product (bp) P. densifloraP. densiflora MK285358MK285358 115145115145 115345115345 201201 P. sylvestrisP. sylvestris KR476379KR476379 115120115120 115314115314 195195 P. thunbergiiP. thunbergii D17510D17510 115016115016 115201115201 186186 P. taedaP. taeda KC427273KC427273 116977116977 117144117144 168168

실시예 4. 소나무 종 판별용 분자마커의 검증Example 4. Verification of molecular markers for identifying pine species

상기 표 5의 분자마커를 이용하여 소나무, 구주소나무, 곰솔 및 테다소나무의 DNA 시료를 대상으로 PCR을 수행하였다. PCR로 증폭된 산물은 Fragment Analyzer를 이용하여 분석하였다. PCR은 BioFACT™ A-Star Taq DNA Polymerase 키트를 사용하였고 제조사의 지침에 따라 반응액을 조성하였다. 프라이머는 각 마커의 정방향 서열에 형광 물질 FAM으로 표지한 올리고와 각 마커의 역방향 서열의 올리고를 세트로 사용하였다. PCR 단계는 95℃에서 2분 동안 열변성 후 95℃에서 20초, 58℃에서 20초, 72℃에서 20초 과정을 25번 반복하고, 72℃에서 5분 동안 최종 신장 반응을 시켰다. 절편 크기 측정은 ThermoFisher사의 GeneScan™ 500ROX™ Size Standard 시약을 사용하여 제조사의 지침에 따라 95℃에서 5분, 얼음에 15분 반응시킨 후 Fragment analyzer로 분석하였다.Using the molecular markers in Table 5, PCR was performed on DNA samples of pine, spruce pine, gom pine, and teda pine. The product amplified by PCR was analyzed using a fragment analyzer. For PCR, BioFACT™ A-Star Taq DNA Polymerase kit was used and a reaction solution was prepared according to the manufacturer's instructions. As primers, an oligo labeled with a fluorescent substance FAM in the forward sequence of each marker and an oligo having a reverse sequence of each marker were used as a set. The PCR step was repeated 25 times for 20 seconds at 95°C, 20 seconds at 58°C, and 20 seconds at 72°C after heat denaturation at 95°C for 2 minutes, followed by a final extension reaction at 72°C for 5 minutes. Fragment size was measured using ThermoFisher's GeneScan™ 500ROX™ Size Standard reagent, followed by reaction at 95°C for 5 minutes and ice for 15 minutes according to the manufacturer's instructions, and then analyzed with a fragment analyzer.

분석 결과, Marker 1은 테다소나무를 소나무, 구주소나무 및 곰솔 종과 구별할 수 있는 것으로 확인되었고, Marker 2는 구주소나무, 곰솔 및 테다소나무로부터 우리나라 소나무(P. densiflora)만을 특이적으로 구별할 수 있음을 확인할 수 있었으며, Marker 3과 Marker 4는 소나무, 구주소나무, 곰솔 및 테다소나무를 각각 구별할 수 있는 마커임을 알 수 있었다. 특히 마커 2는 우리나라 소나무와 가장 근연종인 구주소나무로부터 우리나라 소나무를 특이적으로 구별할 수 있음을 알 수 있었다.As a result of the analysis, it was confirmed that Marker 1 was able to distinguish the cedar pine from the pines, spruce pines, and pines, and Marker 2 specifically distinguished only Korean pines (P. It could be confirmed that this could be done, and it was found that Marker 3 and Marker 4 were markers that could distinguish pine, spruce pine, gom pine, and teda pine, respectively. In particular, it was found that Marker 2 could specifically distinguish Korean pines from Korean pine trees, which are the most closely related species.

<110> National Institute of Forest Science <120> Molecular marker derived from complete sequencing of chloroplast genome for discrimination of Pinus species and uses thereof <130> PN19458 <160> 8 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 1 tctgatcgac ccaatatgga 20 <210> 2 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 2 tttgagcaat acgtcccaca 20 <210> 3 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 3 caatttctcc acttctccac aa 22 <210> 4 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 4 tgataattgc ccgtttcaca 20 <210> 5 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 5 ccgtagcgtc taccaattcc 20 <210> 6 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 6 ccagtcatat tcgattgggg ta 22 <210> 7 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 7 agcacaatcc gttcaactct c 21 <210> 8 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 8 atcctcccgt gcctaatagc 20 <110> National Institute of Forest Science <120> Molecular marker derived from complete sequencing of chloroplast genome for discrimination of Pinus species and uses thereof <130> PN19458 <160> 8 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 1 tctgatcgac ccaatatgga 20 <210> 2 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 2 tttgagcaat acgtcccaca 20 <210> 3 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 3 caatttctcc acttctccac aa 22 <210> 4 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 4 tgataattgc ccgtttcaca 20 <210> 5 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 5 ccgtagcgtc taccaattcc 20 <210> 6 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 6 ccagtcatat tcgattgggg ta 22 <210> 7 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 7 agcacaatcc gttcaactct c 21 <210> 8 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 8 atcctcccgt gcctaatagc 20

Claims (8)

서열번호 5 및 서열번호 6의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트 및 서열번호 7 및 서열번호 8의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 프라이머 세트를 포함하는, 소나무 종 판별용 프라이머 세트 조성물로서,
상기 소나무 종은 소나무(Pinus densiflora), 구주소나무(P. sylvestris), 곰솔(P. thunbergii) 및 테다소나무(P. taeda)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 소나무 종 판별용 프라이머 세트 조성물.
A primer set composition for discrimination of pine species comprising at least one primer set selected from the group consisting of oligonucleotide primer sets of SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6 and oligonucleotide primer sets of SEQ ID NO: 7 and SEQ ID NO: 8,
The pine species is pine ( Pinus densiflora ), old jujus tree ( P. sylvestris ), gomsol ( P. thunbergii ) and cedar pine ( P. taeda ) Primer for identifying pine species, characterized in that at least one selected from the group consisting of set composition.
제1항에 있어서, 상기 프라이머 세트 조성물은 서열번호 3 및 서열번호 4의 올리고뉴클레오티드 프라이머 세트를 추가로 포함하는, 소나무 종 판별용 프라이머 세트 조성물.According to claim 1, wherein the primer set composition further comprises an oligonucleotide primer set of SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4, the primer set composition for discrimination of pine species. 삭제delete 제1항 또는 제2항의 프라이머 세트 조성물 및 증폭반응을 수행하기 위한 시약을 포함하는, 소나무 종 판별용 키트로서,
상기 소나무 종은 소나무(Pinus densiflora), 구주소나무(P. sylvestris), 곰솔(P. thunbergii) 및 테다소나무(P. taeda)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 소나무 종 판별용 키트.
A kit for identifying pine species, comprising the primer set composition of claim 1 or 2 and a reagent for performing an amplification reaction,
The pine species is a pine species ( Pinus densiflora ), old jujus tree (P. sylvestris ), gomsol ( P. thunbergii ) and pine tree ( P. taeda ) Kit for identifying pine species, characterized in that at least one selected from the group consisting of .
제4항에 있어서, 상기 증폭 반응을 수행하기 위한 시약은 DNA 폴리머라제, dNTPs, 및 완충액을 포함하는 것인 키트.The kit according to claim 4, wherein the reagents for performing the amplification reaction include DNA polymerase, dNTPs, and a buffer. 소나무 시료에서 게놈 DNA를 분리하는 단계;
상기 분리된 게놈 DNA를 주형으로 하고, 제1항 또는 제2항의 프라이머 세트 조성물을 이용하여 증폭 반응을 수행하여 표적 서열을 증폭하는 단계; 및
상기 증폭 단계의 산물을 검출하는 단계;를 포함하는, 소나무 종 판별 방법으로서,
상기 소나무 종은 소나무(Pinus densiflora), 구주소나무(P. sylvestris), 곰솔(P. thunbergii) 및 테다소나무(P. taeda)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 소나무 종 판별 방법.
isolating genomic DNA from a pine tree sample;
amplifying the target sequence by using the isolated genomic DNA as a template and performing an amplification reaction using the primer set composition of claim 1 or 2; and
As a pine species identification method comprising; detecting the product of the amplification step,
The pine species is a pine species ( Pinus densiflora ), old Jujus tree (P. sylvestris ), gomsol ( P. thunbergii ) and pine tree (P. taeda ) Pine species identification method, characterized in that at least one selected from the group consisting of.
삭제delete 제6항에 있어서, 상기 증폭 단계의 산물의 검출은 DNA 칩, 겔 전기영동, 모세관 전기영동, 방사성 측정, 형광 측정 또는 인광 측정을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 6, wherein the detection of the product of the amplification step is performed through a DNA chip, gel electrophoresis, capillary electrophoresis, radiometric measurement, fluorescence measurement or phosphorescence measurement.
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