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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.54 No.1 pp.45-52
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2020.54.1.45

Effective Population Size using Single Nucleotide Polymorphism Information in Korean Native Black Goat

Kwan-Woo Kim1, Sung-Soo Lee1, Hyun-Tae Lim2,5, Chang-Gwon Dang3, Jin-Wook Lee1, Da-Yeon Jeon1, Yu-sam Kim4, Sang-Hoon Lee1*
1Animal Genetic Resources Research Center, National Institute of Animal Science, RDA, Hamyang, 50000, Korea
2Division of Applied Life Science(BK21 plus), Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
3Animal Genetics & Breeding Division, National Institute of Animal Science, RDA, Cheonan, 31000, Korea
4TNT Research Co., Ltd, Anyang, 14059, Korea
5Institute of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
Corresponding author: Sang-Hoon Lee Tel: +82-55-960-3540 Fax: +82-55-960-3590 E-mail: sanghoon@korea.kr
September 30, 2019 October 1, 2019 December 15, 2019

Abstract


This study was some possibility that the variety of genetic quality of the Korean native black goat population might have been damaged because the small group of goat used in this study had been under highly intensive inbreeding with the aim of preserving its genetic resources and keeping the breed. Accordingly, this study was performed to estimate genetic characteristics and size of effective population of Korean native black goat using the genetic information of the group of goat of GNU strain population. The genetic information on Korean native black goat used by this study was Illumina Goat SNP 50k chip (Illumina, Inc., San Diego, CA). The linkage disequilibrium with adjoining markers of each chromosome was estimated to be 0.225. And, it was found that, as the distance between markers gets farther, linkage disequilibrium value gets smaller. It was also found that the effective population size of Korean native black goat becomes smaller with the increase of the number of its generations, and that the effective population size for the 13th generation is 29 heads. Considering the low linkage disequilibrium value and the small size of effective population of the group of goat of GNU strain population, we can assume that the group may have low variety of genetic resources. To solve such a problem, it seems necessary to adopt measures to do planned crossbreeding and increase the size of the group.



단일염기다형성 정보를 이용한 재래흑염소 경상대계통의 유효집단 크기 추정

김 관우1, 이 성수1, 임 현태2,5, 당 창권3, 이 진욱1, 전 다연1, 김 유삼4, 이 상훈1*
1농촌진흥청 국립축산과학원 가축유전자원센터
2경상대학교 응용생명과학부(BK21 plus)
3농촌진흥청 국립축산과학원 가축개량평가과
4주)티엔티리써치
5경상대학교 부속 농업생명과학연구원

초록


본 연구에 이용되는 국내 재래 흑염소는 유전적 자원을 보존하고 품종을 유지하기 위하여 소규모 집단에서 고도의 근친교배를 수행하고 있어 유전적 자질의 다양성이 저해되고 있을 것으로 우려되었다. 따라서 본 연구는 국내 재래흑염소 경상대계통 집단의 유전체 정보를 활용하여 재래흑염소 집단의 유전적 특성과 유효집단의 크기를 추정하고자 실시하였다. 국내 재래 흑염소의 유전체 정보는 Illumina Goat SNP 50k chip (illumina, inc., San Diego, CA)의 정보를 분석하여 연구에 이용하였다. 각 염색체의 인접 표지인자 와의 연관불평형 (Linkage Disequilibrium)은 0.225로 추정이 되었다. 또한, 표지인자 사이의 거리가 증가함에 따라 연관불평형의 값은 감소되는 것으로 나타났다. 국내 재래 흑염소의 유효집단크기는 최근의 세대로 오는 경우 감소하는 추세를 보였으며, 13세대에서 유효집단의 크기는 29두로 추정되었다. 재래 흑염소 경상대계통은 낮은 연관불평형 값과 유효집단 크기를 보여 유전적 자원의 다양성이 낮을 것으로 보이며, 이를 해결하기 위한 계획적인 교배와 품종 집단의 크기를 키우기 위한 대책이 필요할 것으로 사료된다.



    Rural Development Administration
    PJ01431501

    서론

    가축유전자원은 종, 집단, 품종, 계통 및 유전적 재료 등 을 포함하는 생명산업의 기본소재로서 그 중요성이 증대되 고 있으며 (Choi et al., 2012), 세계 식량 안보 대응과 더불 어 사회적‧문화적‧환경적 측면에서 활용 가치가 더욱 증가할 것으로 기대하고 있다. 가축의 개량이 인공수정 기술 등을 활용하여 생산성이 높고 능력이 우수한 품종 또는 계통 생 산의 산업적 중심으로 진행되어 지역적으로는 고유한 품종 의 멸종 또는 유전적 다양성을 감소시키는 문제를 초래하게 되었다 (Jeong et al., 2014). 국제연합식량농업기구 (FAO) 에 따르면 전 세계적으로 약 3,000여종이 가축 품종이 존재 한다고 보고되었지만, 이 중 23% 정도가 현재 멸종 위기에 처해있다고 보고하였다 (FAO, 2015). 1992년 생물다양성 협약 (CBD; convention of biological diversity) 이후 유전자 원이 자국의 고유재산으로 인정함에 따라 세계 각국에서 고 유 생물자원의 중요성이 증대되고 있다 (Suh et al., 2013). 국내에서도 유전적 다양성 및 품종간의 유연관계 등 유전적 특성 분석에 관한 연구가 진행되어 고유품종의 표현형질의 특성뿐 아니라 분자생물학적 기법을 이용한 유전적 다양성 및 타 품종과의 근연관계 등에 관한 연구가 다수 진행되었 고 (Ginja et al., 2010;Martí-Burriel et al., 2007) 재래소, 재래돼지 및 재래닭 등의 보존과 품종 복원사업이 시작되었 다. 그러나 한국재래염소를 대상으로 수행된 연구는 초위성 체마커를 이용한 재래염소 집단의 유전적 다양성 및 유연관 계 분석 (Kim et al., 2013; Suh et al., 2014) 등에 관한 연구 가 수행된 바 있으나, SNP (single nucleotide polymorphism) 마커를 이용한 유전학적 특징 및 계통연구는 전무하다.

    국내 재래 흑염소의 경우 유전자원 유지를 위해 고도의 근친을 이용한 방법을 통하여 유전자원을 유지하고 있다. 하지만, 계통 및 품종의 유지를 위해서 새로운 유전자원이 도입되지 않는다면 근친의 상승을 피할 수 없게 되며, 근친 의 상승은 번식능력 및 유전적 다양성이 감소하게 되는 문 제가 발생 (Mandal et al., 2004;Singh & Gurnani, 2004) 하 게 된다. 유전적 다양성의 감소는 다양한 환경에 적응 가능 한 유전자의 소실로 인하여 유전자와 관련된 형질들에 부정 적인 영향이 있는 것으로 보고되었다 (Fernandez et al., 2005). 또한, 국내 재래 흑염소의 집단은 타 가축에 비해 집 단의 규모가 작기 때문에 이러한 고도의 근친을 이용한 교 배는 임의부동과 같은 현상으로 인해 동형접합체 비율이 증 가하는 속도가 더 빨라질 수 있는 우려가 있으며, 이에 따른 능력 저하가 발생가능하다 (Tompsom et al., 2000). 또한, 최근 유전체정보를 이용한 연구의 증가 및 분석비용의 감소 로 유전체 정보를 활용하는 기법이 상용화 되고 있다. 가축 에서 유전체 정보를 활용한 연관불평형 추정은 유전적 다형 성의 척도가 될 수 있으며, 이는 SNP 마커를 통해 측정이 가능하다. 따라서 본 연구는 국내 재래 흑염소 집단의 유전 체 데이터를 이용하여 집단의 유전적 특성 및 유효집단의 크기를 추정하여 재래 흑염소 개량 및 유전자원 보존을 위 한 기초자료로 활용하고자 한다.

    재료 및 방법

    1. SNP Chip data

    연관불평형과 유효집단 크기 추정을 위한 유전체 정보는 Illumina Goat SNP 50k chip (illumina, inc., San Diego, CA)을 이용하여 재래 흑염소 경상대 계통 48두의 정보를 수집하였다.

    2. 유전체 정보에 대한 quality control (QC) 수행

    Illumina Goat SNP 50k chip (Illumina Inc., USA)의 약 50만 개 SNP들에 대하여 quality control을 PLINK software version 1.9 (Purcell et al. 2007)로 수행하였다. 분석된 전체 개채에 대해 각 SNPs의 정보가 누락된 비율이 5% 초과, 즉 call rate가 95% 미만인 SNP를 제거하였다. 그리고 하디-와인베르그 평 형 (Hardy-Weinberg equilibrium)의 p-value가 10-6 이하일 경 우와 minor allele frequency (MAF)의 빈도가 1% 미만인 SNPs 를 제거하였다. 개체에 대해서는 한 개체에 대한 전체 SNPs의 call rate가 95% 미만인 개체를 제거하였다 (Table 1).

    3. 연관불평형 (Linkage Disequilibrium) 추정

    연관불평형의 크기는 한 염색체 내에서 서로 다른 좌위 에 위치한 두 대립유전자가 서로 연관되어 유전이 되는 정도 를 나타내는 값으로 D를 표준화 시킨 D’ (Lewonthin, 1964) 과 r2 (Hill & Robertson, 1968)로 추정이 가능하나, D’을 이 용한 추정은 집단의 크기와 대립유전자 빈도에 의해 과추정 (Overestimate)될 수 있기 때문에 (Hayes, 2007;McRae et al, 2002), r2를 이용하여 추정하였다. 동일 염색체에 위치하 는 서로 다른 두 좌위 (biallelic)의 A, B의 연관불평형은 다 음과 같이 계산하였다.

    r 2 = D 2 p ( A 1 ) × p ( A 2 ) × p ( B 1 ) × p ( B 2 )

    여기서, p(A1) 과 p(A2) 및 p(B1) 과 p(B2) 는 한 집단 에서 첫 번째 마커 A 좌위(loucs)와 두 번째 마커 B 좌위의 각 대립유전자 빈도이며, D 는 다음과 같다.

    D = p ( A 1 B 1 ) × p ( A 2 B 2 ) p ( A 1 B 2 ) × p ( A 2 B 1 )

    여기서, p(A1B1) 과 p(A2B2) 및 p(A1B2) 과 p(A2B1) 는 위와 동일한 집단에서 A와 B 좌위의 대립유전자로 구성 된 haplotype의 빈도를 나타낸다.

    4. 유효집단크기 (Effective population size) 추정

    연관불평형은 돌연변이와 재조합에 의해 발생이 되며, 재조합의 경우 염기서열간 거리가 멀리 위치한 좌위쌍 (locus pair)에서 발생할 확률이 높기 때문에, 마커 사이의 거리와 연관불평형 값 (r2)을 안다면 돌연변이가 없다는 가 정하에서 세대에 따른 유효집단의 크기 추정이 가능하다 (Sved, 1971). 본 연구에서는 1cM (유전적 거리)와 1Mb (물 리적 거리)는 동일하다고 가정 (Uimari & Tapio, 2011)하여 유효집단의 크기를 추정하였으며, 유효집단의 크기는 다음 과 같이 계산하였다 (Corbin et al., 2012).

    N T ( t ) = 1 ( ( 4 ( f ( c t ) ) ) | ( 1 E ( r a d j 2 [ c t ] ) α )

    여기서, NT(t)t = (2ƒ(ct))- 1로 추정된 t 세대 이전의 유 효집단의 크기 (Hayes et al., 2003), ct 는 마커 사이의 물리적 거 리로 정의된 재조합 비율이며, r a d j 2 는 샘플링 사이즈 (Sampling size)에 대해 보정된 연관불평형 값이며, a={1, 2, 2.2}는 돌연변 이 발생에 대한 보정값 (Ohta & Kimura, 1971) 이다.

    본 연구에서 연관불평형 및 유효집단크기 추정을 위하여 SNeP ver 1.1 (Barbato et al., 2015)를 이용하였다.

    결과 및 고찰

    1. Quality control 수행 결과

    Illumina Goat SNP 50K chip의 50,618개 SNPs에 대하여 call rate 95% 미만인 SNPs 1,175개와 minor allele frequency (MAF)가 1% 미만인 SNPs 20,764개, 하디-와인베르그 평형 의 p-value가 10-6 이하인 SNPs 43개를 제거하여 총 21,982 개의 SNP를 제거하였다. 국내 재래흑염소 경상대계통 48두 중 call rate가 95% 미만인 1두를 제거하여 총 47두, 28,636 개 SNPs를 이용하여 본 연구를 수행하였다.

    각 염색체 따른 QC의 결과와 연구에 이용된 SNPs에 대한 평균 간격 등에 대한 정보는 아래의 Table 2에 나타내었다.

    2. 연관불평형 추정

    연관불평형의 크기는 유효집단의 크기가 작을수록, 집단 내 근친도가 높거나 유전자 빈도가 뚜렷하게 다른 경우 연관불평 형의 값 (r2)는 커지게 되며, 이는 QTL 발굴 (fine mapping)에 중요한 지표로 활용가능하다 (Hayes et al., 2003).

    염색체별 SNP 표지인자 정보 및 연관불평형의 값은 Table 3에 나타내었다. 염소 유전체의 크기는 2,922Mb로 NCBI (National Center for Biotechnology Information) 상의 염소의 genome assembly에 나타난 유전체 크기는 2,923Mb 로 확인되었고, 1번 염색체가 157.27Mb로 가장 긴 염색체 로 나타났다. 반면 25번 염색체가 가장 짧은 42.84Mb로 확 인되었고, 분석에 이용된 표지인자간 평균 거리는 2.03Mb 로 나타났다. 또한 연관불평형의 추정을 위하여 28,636개의 표지인자를 분석에 이용하였으며, 염색체 별 표지인자는 1 번 염색체 (1,867개)에서 가장 높았으며, 28번 염색체 (497 개)에서 가장 적게 나타났다.

    연관불평형의 크기 (r2)는 평균 0.225로 추정되었으며, 이는 Visser et al. (2016)의 연구 연관불평형의 크기 0.11로 추정된 값에 비해 높게 추정되었는데, 이는 본 연구에 사용 되어진 집단은 유전자원의 보존을 위해 고도의 근친을 이용 해 교배가 진행되었기 때문인 것으로 사료된다.

    SNP 간 물리적 거리에 따른 연관불평형 값을 Table 4에 나타내었다. 물리적 거리가 증가에 따라 r2의 값이 감소하 는 경향을 보였으며, 이는 6가지 중국 Goat 집단을 이용하 여 연관불평형 값을 연구한 Berihulay et al. (2019) 및 남아 프리카, 프랑스 및 프랑스의 Angora goat 집단을 이용한 Visser et al. (2016)과 일치하는 결과를 나타냈다.

    3. 유효집단크기

    유효집단크기는 세대가 거듭되어도 집단 내 대립유전자 의 빈도가 변하지 않고 유지되는 최소의 개체 수 (Wright, 1938)로 정의 되며, 서로 멀리 위치한 좌위 사이에서 세대가 지남에 따라 연관불평형이 빠르게 줄어드는 현상은 최근 유 효집단 크기를 반영하며, 가까운 거리의 좌위 사이에서는 선조 세대의 유효집단 크기를 반영한다.

    세대별 유효집단의 크기는 Fig. 1과 Table 5에 나타내었 다. 최근 유효집단의 크기는 29두로 나타났으며, 약 100세 대 이전의 유효집단의 크기는 164두로 추정되었다. FAO에 서는 유전적 다양성을 나타내기 위한 유효집단 크기가 50두 이상은 유지되어야 한다고 보고하였다 (FAO, 2000). 본 연 구의 유효집단 크기가 29두로 유전자원 보존을 위해 근친을 이용한 교배를 진행하였기 때문에 유효집단의 크기가 낮게 추정 된 것으로 사료된다.

    따라서 본 연구 결과 최근의 세대에 가까워질수록 유효 집단의 크기가 감소하는 추세로 볼 때, 국내 재래흑염소의 계통 유지와 관리를 위해서는 적정한 유효집단을 유지하며 증대하는 것이 중요하고 이를 위해 개체별 혈통 기록 관리 를 통한 근친교배를 피해서 유전적 다양성을 기초로 수컷의 선발 및 교배방법에 대한 점검이 필요한 것으로 사료된다.

    감사의 글

    본 논문은 농촌진흥청 연구사업 (PJ01431501)의 지원과 국립축산과학원 전문연구원 과정 지원 사업에 의해 이루어 진 것임.

    Figure

    JALS-54-1-45_F1.gif

    Estimated historical effective population size (Ne) in Korean native black goat (GNU strains)

    Table

    The quality control removal criteria used in the study

    The number of available SNPs and average interval distances between adjacent SNPs in Illumina Goat SNP 50K chip

    General statistics and Linkage disequilibrium of SNP by autosomal chromosome in Korean native black goat (GNU strains)

    Linkage disequilibrium between pair of SNP by distance in Korean native black goat (GNU strains)

    Estimated historical effective population size (Ne) in Korean native black goat (GNU strains)

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