한국산 천마 엽록체 해독 및 난과식물 엽록체 비교 분석

강민정*, 안찬훈, 김기태, 박응준

(국립산림과학원 산림생명공학연구과)

The complete chloroplast genome of Gastrodia elata from Korea and its comparison with Orchidaceae species

Min-Jeong Kang*, Chanhoon An, Ki-Tae Kim, and Eung-Jun Park

(Forest Biotechnology Division, National Institute of Forest Science)

요약: 천마는 난초과 고등식물이나 엽록소의 결핍으로 인해 종자 발아와 생장과정에서 공생균이 절대적으로 요구된다. 본 연구에서는 각종 신경계통의 질병에 대한 효능을 가진 천마의 엽록체 염기서열을 해독 및 난초과 식물과의 유전체 비교분석을 통해 오믹스 정보를 활용한 진화과정을 추정하고 광합성에 관한 정보를 확보하고자 수행하였다. 한국산 천마의 엽록체 크기는 35,230bp였으며, Large Single Copy (LSC)와 Small Single Copy (SSC) 영역을 포함하고 있지 않았다. A-T 비율이 73.3%로, 유전자 개수는 20개, tRNA 5개, rRNA 3개 존재하였다. 한국산과 중국산 천마의 엽록체 크기는 74bp 차이를 보였고, 두 품종 사이에서 SNP 495개, InDel 75개의 변이가 관찰되었다. 특히 InDel 변이는 대부분 단백질 코딩영역에 분포되어 있었으며(87%), 10bp 이하의 염기서열 변이가 주로 관찰되었다. 삽입(insertion) 변이의 경우 7개 유전자(clpP, matK, rps12, rpl2, rpl16, ycf, and ycf2)에서 확인되었고, 결실(deletion) 변이는 4개 유전자(clpP, rpl16, rps12, and ycf2)에서 관찰되었다. 이와 같은 결과를 통해 천마에서 광합성 관련 엽록체 유전체의 완전 손실을 확인하였으며 완전 공생식물에서 나타나는 패턴으로 볼 수 있었다.

Abstract: Gastrodia elata, a fully mycoheterotrophic orchid, relies on fungi for seed germination and nutrient absorption due to lack of chlorophyll. Despite its medicinally importanance, little is known about the genomic resources of G.elata. In this study, the completed chloroplast genome of G. elata from Korea was determined and compared with other members of family Orchidaceae. The cpDNA is 35,230bp in length and lacked the large and small single copy (LSC and SSC) regions due to the lost inverted repeat (IR). The overall AT content is 73.30%, and the cpDNA contains 20 protein-coding genes, 5 tRNA genes, and 3 rRNA genes. Furthermore, the Korean G. elata cp genome is 74bp smaller than that of the Chinese G. elata. It revealed substantial variants 495 SNPs and 75 InDels between the two G. elata cp genomes. Relatively, 39 InDels occurred in the protein-coding region, most of which (87%) were less than 10bp in length. Insertion occurred in the seven protein-coding genes (clpP, matK, rps12, rpl2, rpl16, ycf, and ycf2), while deletion was observed in the four coding genes (clpP, rpl16, rps12, and ycf2).   In conclusion, the cp genome of G. elata suffered the complete loss of phosynthesis-related genes and this is the same pattern occurring in other obligate symbiotic plants.

Keyword: Gastrodia elata, mycoheterotrophic, Orchidaceae, chloroplast, InDel