매향 딸기로부터 anthocyanin 합성 유전자의 분리 및 과실발달 과정에서의 발현 분석

Abstract

매향' 딸기의 안토시아닌 생합성은 개화 후 26일째 시작되어 과실의 성숙기 동안 계속된다. 딸기로부터 안토시아닌의 생합성에 관여하는 주요 유전자를 분리하였다. 각각의 유전자에 대해, 다양한 식물체의 유사 유전자의 염기서열을 비교하여 PCR (polymerase chain reaciton) primer를 제작하였다. 숙기의 딸기에서 분리된 total RNA로부터 합성된 CDNA와 각 primer를 이용하여 RT (reverse transcriptase)-PCR을 수행하였다. 각 CDNA clone의 염기서열을 작성하여 분석한 결과, 이들은 안토시아닌 생합성에 관여하는 phenylalanine ammonia lyase (PAL), 4-cummarate CoA ligase (4CL), chalcone synthase (CHS), chalcone isomerase (CHI), flavanone-3-hydroxylase (F3H), dihydroflavonol 4-reductase (DFR), anthocyanidine synthase (ANS) 그리고 UDP-glucose:flavonoid-3-O-glucosyltransferase (UFGT) 효소에 해당되었다. Northern blot 분석 결과, 이들 유전자는 과실 발달과정에서 시기적으로 조절되었다. 특히 PAL을 제외한 모든 유전자는 과실에서만 주로 발현되었다. PAL, DFR 그리고 ANS유전자는 과실 초기 발달 단계인 개화 후 10일에 검출된 후 감소하다가, 22일에 다시 증가하기 시작하여 34일에 최대가 되었다. 한편, 다른 유전자들은 초기에는 발현되지 않다가, 안토시아닌이 축적되기 시작하는 개화 후 <TEX>$22{\sim}30$</TEX>일에 처음으로 검출되었다. 본 연구를 통해, 딸기 과실 발달과정에서 안토시아닌 생합성 과정에 관여하는 여러 유전자가 과실 숙기에 함께 조절되는 현상을 알 수 있다. 이러한 연구 결과는 안토시아닌 합성과정을 제어하는 조절 유전자가 존재한다는 것을 시사한다. 그리고 딸기의 안토시아닌 생합성 유전자의 발현패턴을 크게 두 가지로 나눌 수 있는 것으로 보아, 딸기의 안토시아닌 생합성에는 적어도 두 가지 서로 다른 조절 기작이 관여하여 색소 발달 과정을 제어할 것으로 보인다. Anthocyanin synthesis in strawberry (Fragaria x ananassa cv Maehyang) begins approximately 26 days postflowering and continued throughout fruit ripening. A set of cDNA clones encoding the anthocyanin biosynthetic enzymes were isolated from strawberry. A pair of primers were designed for polymerase chain reaction (PCR) through the comparison of the nucleotide sequences of homologous genes from diverse plants. Reverse transcriptase-PCRs were performed using cDNA synthesized from ripe fruit total RNA and the primers corresponding to each gene. Eight genes of the anthocyanin pathway were cloned and confirmed by sequencing to code for phenylalanine ammonia lyase (PAL), 4-cummarate CoA ligase (4CL), chalcone synthase (CHS), chalcone isomerase (CHI), flavanone-3-hydroxylase (F3H), dihydroflavonol 4-reductase (DFR), anthocyanidine synthase (ANS), UDP-glucose:flavonoid-3-O-glucosyl-transferase (UFGT). Northern analyses showed that the corresponding genes were differentially expressed during the fruit development process. All genes except PAL were predominantly expressed in fruit. Expression of PAL, DFR and ANS was detected 10 days postflowering at the early stage of fruit development, declined for a while and sharply increased 22 days postflowering then showed a peak 34 days postflowering. The other genes, however, were not expressed up to 22 or 30 days postflowering when the initial fruit ripening events occur at the time of initiation of anthocyanin accumulation. The onset of anthocyanin synthesis in ripening strawberry coincides with a coordinated induction of the anthocyanin pathway genes, suggesting the involvement of regulatory genes. We propose that at least two different regulatory mechanisms playa role in the biosynthesis of anthocyanin during color development of strawberry.