Chromosome Redundancy and Tree Phenotype Variation in Autotetraploid Trifoliate Orange

The study was conducted to investigate the possibility that epigenetic DNA methylation causes tree phenotypic variation in autotetraploids through evaluating the phenotypic variation and DNA methylation in autotetraploids occurred spontaneously from diploid trifoliate orange. Chromosome analysis confirmed that fourteen trifoliate orange trees of selected by flow cytometry were tetraploids (2n = 4X = 36) without any aneuploids. Chromomycin A3 staining determined that these trees were all autotetraploid with doubled chromosome set. Tree phenotypes, such as tree height and width, branching number, length, and angle, internode length, and leaf characteristics, varied in the autotetraploids. Chlorophyll indices were diverse in the autotetraploids, but photosynthetic rates were not significantly different. In addition, a wide range of variation was observed in stomatal density and guard cell length. Analysis of global cytosine DNA methylation showed that there was a variation of the methylation level in autotetraploids. More than half of 14 autotetraploids had at least 2 times higher methylation level than diploid trifoliate orange. The results indicate that tree phenotypic variation in autotetraploids might be related to global DNA methylation for reducing gene redundancy. Additional key words: chromosome doubling, CMA karyotyping, DNA methylation, epigenetics *Corresponding author: kwansong@jejunu.ac.kr ※ Received 29 August 2013; Revised 6 December 2013; Accepted 5 February 2014. This work was carried out with the support of “Cooperative Research Program for Agriculture Science and Technology Development (Project No. PJ00961202)” Rural Development Administration, Republic of Korea. C 2014 Korean Society for Horticultural Science 서 언 감귤은 국내외 과수 산업에서 가장 중요한 작물의 하나이 다(FAO, 2012; MFAFF, 2011). 최근의 기후 변화에 따른 기 상 이변, 돌발 병해충의 발생, 노동력 부족, 다양한 과실의 공급 증가 등은 세계 감귤 산업의 지속 발전에 다양한 위협 요인이 되고 있다. 특히 고품질, 친환경, 기능성 및 다양성에 대한 소비자들의 관심이 급격히 높아지고 있다. 이들 다양 한 위협 요인과 소비자 요구에 신속히 대응하기 위해서는 다양한 변이의 창성과 우수 품종의 선발이 요구되고 있다. 이에 따라 다양한 종내 및 종간 교배가 이루어지고 있다. 그런데 우수한 과실 형질을 나타내는 교배 실생 개체라 하 더라도 과실의 종자가 많다면 신품종으로서의 가치는 잃게 될 것이다(Recupero et al., 2005). 그러므로 최근 고품질 무 오은의, 채치원, 김샛별, Jian Liang Lu, 윤수현, 고상욱, 송관정 367 핵 품종의 육성을 위한 삼배체 육종이 국내외적으로 가장 중요한 육종 목표의 하나가 되고 있다(Zhu et al., 2009). 무핵 삼배체의 육성에는 이배체와 사배체 간의 정역 교배 가 가장 보편적으로 이용된다(Ferrante et al., 2009; Recupero et al., 2005). 감귤 및 근연종의 대부분은 이배체(2n = 18)이 다. 삼배체 육종을 위해서는 유전체가 배가된 사배체의 양 성이 필수적이다. 사배체의 양성은 콜히친 처리에 의한 인 위 유도(Dutt et al., 2010; Wakana et al., 2005), 체세포 융합 에 의한 인위 유도(Grosser et al., 1994, 2000; Medina-Urrutia et al., 2004) 및 주심배 자연 발생 사배체의 선발(Ferrante et al., 2009; Kaneyoshi et al., 2008; Oiyama and Kobayashi, 1991; Song et al., 2011; Usman et al., 2006)로 구분할 수 있다. 이들 중에서 주심배 배수체의 자연 발생은 운향과의 감귤아과에 속하는 감귤속 식물은 물론 근연속인 탱자속 및 금감속에서도 보고되어 왔다(Cameron and Frost, 1968). 이들 사배체의 발생 빈도는 2-5% 내외로 알려지고 있다. 일반적으로 사배체 감귤 및 탱자는 잎이 두껍고 크며, 줄기 의 생장은 느리고 왜화성이며 직립성은 떨어진다. 과실의 수량은 낮고, 과실은 다소 크나, 과피가 두껍고 양낭의 수가 적은 편이다. 그러나 일부 사배체에서는 이와 반대의 경향 을 나타내기도 한다(Cameron and Frost, 1968). 일부 감귤 동질 사배체에서의 형태적 변이에 대해 보고된 바 있으나 (Romero-Aranda et al., 1997; Wakana et al., 2005), 아직까 지도 변이의 정도와 그 기작에 대한 연구는 거의 알려진 바 가 없다. 한편 일반 식물에서도 다양한 동질 배수체 및 이질 배수 체가 보고된 바 있고, 일부 배수체들은 기존 이배체와 다 른 표현형을 나타내기도 하고(Gunasekare and Ranatunga, 2003; Osborn et al., 2003), 변이를 보이기도 한다(Ranatunga and Gunasekare, 2003; Ye et al., 2010). 아직까지도 이들 기작에 대해서는 잘 알려져 있지 않으나 염색체 수의 증가 와 더불어 중복된 대립 유전자 및 전사 조절 인자들의 발현 증대, 유전자 재배열, 후성 유전에 의한 유전자 발현 변화에 기인하는 것으로 보고되고 있다(Osborn et al., 2003; Sémon and Wolfe, 2007). 후성 유전은 유전체 염기 서열의 변화가 아닌 유전체의 염기 서열의 메틸화, 히스톤의 변형, 염색질 의 구조 변화 등에 기인한다. 일반 식물에서도 이질 배수체 와는 달리 동질 배수체의 후성 유전의 영향에 대한 연구 보 고는 거의 없는 실정이다(Osborn et al., 2003; Sémon and Wolfe, 2007). 따라서 본 연구에서는 자연적으로 발생한 탱 자 동질 사배체들로부터 몇 가지 수체 특성 표현형의 변이 정도와 유전체 메틸화의 변이 정도를 분석하여 후성 유전의 하나인 유전체 메틸화가 동질 사배체의 표현형 변이와 관계 되는 하나의 요인으로 작용할 수 있음을 구명하고자 하였다.