옥수수에서 자식계통들에 대한 유전적 다양성 및 계통유연관계에 관한 정보는 1대잡종 품종개발을 위한 교배조합 선발에 매우 유용한 정보를 제공한다. 본 연구는 SSR 분자마커를 이용하여 튀김옥수수 품종개발을 목적으로 육성한 86개의 튀김옥수수 자식계통들에 대한 유전적 다양성과 계통간 유연관계를 분석하여 이들 자원을 활용한 신품종 개발에 유용정보를 제공하고자 하였다. 아울러, 고품질의 튀김옥수수 품종을 개발하기 위해서 육성한 79개 튀김옥수수 자식계통 핵심집단에 대한 SSR 분자마커를 이용하여 집단구조 분석을 수행하고, 옥수수 육종연구에서 중요한 농업형질인 10개의 양적 형질을 이용하여 association mapping 분석을 실시하여 이들 자식계통들에서 특정형질에 연관된 SSR 마커를 탐색하여 옥수수 신품종 육성 등 농업적 이용방안을 찾고자 하였다.

1. 튀김옥수수 자식계통들의 유전적 다양성 및 계통유연관계
옥수수에서 자식계통들에 대한 유전적 다양성 및 계통간 유연관계 정보는 1대잡종 품종개발을 위한 교배조합 선발 및 구성에 유용한 정보를 제공한다. 본 연구는 86개의 튀김옥수수 자식계통들에 대한 유전적 다양성과 계통간 유연관계를 밝히기 위하여 옥수수 전체 게놈을 대표할 수 있도록 50개의 SSR primer를 선발하여 분석에 이용하였다. 그 결과 50개의 SSR primer들은 86개의 튀김옥수수 자식계통들에서 총 256개의 대립단편을 나타내었으며, SSR loci당 평균 5.1개가 증폭되었다. 각 SSR primer들에서 증폭된 대립단편의 수는 최소 2개에서 최대 16개의 범위를 보였으며, 유전적 다양성 값은 0.210에서 0.831의 범위로 나타나 평균 0.579의 값을 나타내었다. 계통간 유연관계에 있어서 86개의 튀김옥수수 자식계통들은 유전적 유사성이 35.8% 수준에서 크게 3개의 Group으로 구분되었는데, GroupⅠ에 40계통, Group Ⅱ에 39계통, 그리고 Group Ⅲ에는 7계통이 각각 포함되어 있었다. 본 연구에서 분석에 이용된 SSR 마커들은 우리나라에서 육성한 86개의 튀김 옥수수 자식계통들에 대한 유전적 다양성 및 계통간 유연관계를 평가하거나 이형의 유전자형을 구별하는데 적합한 것으로 판단되었으며, 이를 이용하여 품질이 우수한 튀김옥수수 품종개발에 큰 도움이 될 것으로 기대되었다.

2. 튀김옥수수 자식계통들의 형태적 특성
본 연구에서 튀김옥수수 자식계통들의 집단구조 및 association mapping 분석을 목적으로 국내 재래종과 미국 등지에서 수집된 계통들에 대하여 순계분리 과정을 거쳐 형질고정 후 이용된 79개의 자식계통들에 대한 형태적 특성을 조사한 결과, 이삭과 종실에 관련된 7개의 양적 형질들에서 비교적 높은 결과 값을 나타내었다. 또한 79개의 자식계통 가운데 5개의 자식계통(PS0-001, PS0-003, PS1-002, PS1-003, PS2-009)들은 간장 등 5개 이상의 양적 형질에서 비교적 높은 성적을 보였으며, 특히 본 연구에서 조사된 농업적 양적 형질들 가운데 간장, 착수고, 이삭장 및 종실중 등의 형태적 특성은 앞으로 수량이 높고 도복 등 재해저항성이 우수한 튀김옥수수 자식계통의 선발 및 교배조합 구성 등 신품종 개발과 품종개량에 매우 중요한 양적 형질로서 튀김옥수수 육종연구에 매우 유용하게 이용될 것으로 기대되었다.

3. 튀김옥수수 자식계통들의 집단구조 및 association
mapping 분석
본 연구는 강원도농업기술원 옥수수연구소에서 튀김옥수수 품종개발을 위하여 육성한 79개의 자식계통들에 대하여 대표적인 분자마커인 SSR 마커를 이용하여 집단구조 및 association mapping(연관지도) 분석을 실시하였다. 집단구조에 대한 분석 결과에서 79개의 튀김옥수수 자식계통들은 groups Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ 및 admixed group 등 총 5개의 group으로 구성되어 있었다. Group별로 살펴보면 group Ⅰ에 4개의 자식계통, Group Ⅱ에 17개의 자식계통, Group Ⅲ에 6개의 자식계통, Group Ⅳ에 22개의 자식계통들이 포함되어 있었으며, 나머지 30개의 자식계통들은 집단구조가 명확히 구분되지 않는 admixed group에 포함되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 50개의 SSR 분자마커와 10개의 양적 형질 사이에서 튀김옥수수 자식계통들에 대한 association mapping 분석을 실시한 결과, Q GLM 분석에서는 0.01의 유의수준에서 92개의 marker-trait association이 확인되었고, Q+K MLM 분석에서는 0.01의 유의수준에서 6개의 marker-trait association을 확인할 수 있었다. 따라서 이상에서 얻어진 79개의 튀김옥수수 자식계통들에 대한 집단구조 및 association mapping 결과는 향후 튀김옥수수 품종개발을 위한 우량계통 육성, 잡종강세 예측 및 우수 교배조합 구성 등에 다양한 유용정보를 제공할 것으로 기대되었다.

Knowledge of genetic diversity and genetic relationships among maize inbred lines is helpful information for parental line selection and development of hybrid maize variety. This study was designed to support popcorn breeding by the analysis of genetic diversity and genetic relationships among 86 popcorn inbred lines using SSR markers distributed over the whole genome. We analyzed population structure of a core collection containing 79 popcorn inbred lines using SSR markers. We also conducted association mapping analysis between 10 morphological traits and SSR markers to support popcorn breeding by relationship investigation between traits and markers.

Chapter 1. Analysis of Genetic Variation and Relationships among Popcorn Inbred Lines by SSR Markers Knowledge of genetic diversity and genetic relationships among inbred lines gives a significant impact on the selection of parental lines for hybrid maize varieties. Genetic diversity and genetic relationships among 86 popcorn inbred lines were analyzed using 50 SSR markers distributed over the whole genome. A total of 256 alleles were identified at the 50 SSR loci with an average of 5.1 and a range between two and sixteen per locus. The gene diversity values varied from 0.21 to 0.831 with an average of 0.579. The cluster tree generated using the described SSR markers recognized three major groups at 35.8% genetic similarity. Groups I, II, III included 40, 39 and 7 inbred lines, respectively. The present study indicates that the SSR markers chosen for this analysis are effective for the assessment of genetic diversity and genetic relationships among 86 popcorn inbred lines in Korea. It is expected that the development of popcorn varieties can be supported by this study.

Chapter 2. Morphological Characteristics of 79 Popcorn Inbred Lines were Evaluated by Examining 10 Quantitative Traits

We evaluated the morphological characteristics of 79 popcorn inbred lines. The result indicated that seven quantitative traits related with corn ear and grain were shown comparatively high values. Five inbred lines (PS0-001, PS0-003, PS1-002, PS1-003, PS2-009) in the 79 popcorn inbred lines have showed comparatively high values for the five quantitative traits. Especially, morphological characteristics such as plant height, ear height, corn ear, and corn grain might be useful quantitative traits for development of popcorn inbred lines and varieties with high yield and disaster resistance in the maize breeding program.

Chapter 3. Analysis of Population Structure and Association Mapping among Popcorn Inbred Lines using SSR Markers

In this study, population structure among 79 popcorn inbred lines developed by Maize Research Institute, Gangwon Agricultural Research and Extension Services were investigated using 10 morphological traits and 50 simple sequence repeat (SSR) markers. From population structure analysis, the 79 maize inbred lines were divided into five groups: I, II, III, IV, and admixed. Among them, 4, 17, 6, and 22 inbred lines were assigned to group I, II, III, and IV, respectively. The rest 30 inbred lines contained in the admixed group. Association mapping analysis was performed to assess the marker-trait associations between the 50 SSR markers and the 10 morphological traits. We found 92 marker-trait associations using the Q GLM model at a significance level of 0.01. While, using the Q+K MLM model, we found 6 marker-trait associations at a significance level of 0.01. The results of the assessment of population structure and association mapping of 79 popcorn inbred lines will be useful for popcorn breeding programs such activities as planning crosses for hybrid and line development at Maize Research Institute, Gangwon Agricultural Research and Extension Services.