Development of a Novel Molecular Marker related to CMV Resistance in Cucumber （Cucumis sativus L.） = 오이（Cucumis sativus L.）의 CMV 저항성 신규 분자표지 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cucumber mosaic virus （CMV） is one of the most devastating viruses in cucumber cultivation, causing significant yield losses and reduction in fruit quality. Since CMV resistance is recognized as a complex trait involving multiple genes, a precise understanding of the genetic resistance system is essential for its effective integration into breeding programs. This study was conducted to decode the genetic architecture of CMV resistance across the cucumber genome by integrating whole-genome re-sequencing （WGRS） and mining of quantitative trait loci （QTLs）. An F2 segregation population consisting of 292 individuals was established from a cross between the resistant line ‘（（97/K2）/TA78//（97/K2）/MK88）’ and the susceptible line ‘[WGB/HDHG//DSKG（L]//WNE）’. Phenotypic analysis following artificial inoculation with the CMV strain revealed a segregation ratio of 15:1 between susceptible and resistant individuals （χ2 = 1.319, p = 0.251）. This provides statistical evidence that CMV resistance in cucumber is regulated by a ‘two- locus recessive model,’ in which resistance is expressed only when two independent recessive genes are both in a homozygous recessive state. To specify the genomic regions among 18 QTLs associated with resistance, WGRS analysis was performed on two resistant and seven susceptible lines and a total of 30,546 genetic variants were identified. In the cmv6.1 QTL on chromosome 6, the gene CsaV3_6G013590 that encodes a filamentous hemagglutinin transporter was identified. A resistance-specific single nucleotide polymorphism （SNP） was identified, causing an isoleucine to leucine amino acid substitution at the 198th amino acid position. To enhance practical utility in breeding, a high-precision cleaved amplified polymorphic sequence （CAPS） molecular marker was developed based on the identified variation and demonstrated diagnostic accuracy across an F2 segregation population and diverse cucumber germplasms. The developed molecular marker enables the precise pyramiding of resistance gene through marker-assisted selection （MAS）, which will ultimately significantly accelerate the development of new cucumber cultivars with robust resistance to climate change and emerging viral variants.

국문 초록 (Abstract)

오이 모자이크 바이러스는 오이 재배에서 가장 심각한 바이러스 중 하나로, 수량 감소와 과실 품질 저하를 유발한다. CMV 저항성은 여러 유전자가 관여하는 복합 형질로 알려져 있기 때문에, 이를 육종 프로그램에 효과적으로 활용하기 위해서는 저항성의 유전적 조절 체계에 대한 정밀한 이해가 필요하다. 본 연구는 전장유전체 재분석과 정량형질좌위 탐색을 통합하여 오이 유전체 전반에서 CMV 저항성의 유전적 구조를 규명하고자 수행되었다. CMV 저항성 계통 ‘（（97/K2）/TA78//（97/K2）/MK88）’과 감수성 계통 ‘[WGB/HDHG//DSKG（L]//WNE）’의 교배를 통해 총 292개체로 구성된 F₂ 분리집단을 구축하였다. CMV 인공 접종 후 표현형을 분석한 결과, 감수성 개체와 저항성 개체의 분리비는 15:1로 나타났으며（χ² = 1.319, p = 0.251）, 이는 오이의 CMV 저항성이 두 개의 독립적인 열성 유전자가 모두 동형 접합 열성 상태일 때 발현되는 two-locus recessive model에 의해 조절됨을 통계적으로 뒷받침한다. 저항성과 관련된 18개 QTL 중 주요 유전체 영역을 구체화하기 위해, 저항성 2개 계통과 감수성 7개 계통을 대상으로 WGRS 분석을 수행하였으며, 총 30,546개의 유전적 변이를 확인하였다. 6번 염색체의 cmv6.1 QTL 영역에서 filamentous hemagglutinin transporter를 암호화하는 CsaV3_6G013590 유전자가 후보유전자로 확인되었다. 이 유전자에서 저항성 특이적 단일 염기 다형성이 발견되었으며, 이는 예측 단백질의 198번째 아미노산 위치에서 isoleucine이 leucine으로 치환되는 변이를 유발하였다. 육종 현장에서의 활용성을 높이기 위해, 해당 변이를 기반으로 cleaved amplified polymorphic sequence（CAPS） 분자표지를 개발하였다. 개발된 CAPS 마커는 F₂ 분리집단과 다양한 오이 유전자원에서 유전형과 표현형 간의 높은 진단적 일치성을 보였다. 따라서 본 연구에서 개발한 분자표지는 marker-assisted selection（MAS）을 통해 CMV 저항성 관련 대립유전자를 효율적으로 선발하는 데 활용될 수 있으며, 향후 기후변화 및 새로운 바이러스 변이에 대응할 수 있는 CMV 저항성 오이 품종 개발을 가속화하는 데 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 Cucumber mosaic virus ((CMV) in cucumber 1
• 1.2 Genetic inheritance and QTLs associated with CMV resistance 3
• 1.3 Objective and scope of thesis 5
• 2. MATERIALS AND METHODS 6
• 2.1 Plant materials and cultivation 6
• 2.2 CMV resistance phenotypic evaluation 7
• 2.3 Whole-genome re-sequencing of CMV resistant and susceptible inbred lines 8
• 2.4 Gene expression analysis 9
• 2.5 In silico structural prediction of CMV candidate gene 10
• 2.6 Marker development and genotyping 10
• 2.7 Statistical analysis 11
• 3. Results 12
• 3.1 Genetic inheritance of CMV resistance in cucumber 12
• 3.2 Genomic analysis of the CMV resistant and susceptible breeding lines 14
• 3.3.1 Identification of CMV resistance candidate gene within cmv6.1 17
• 3.3.2 Selection of CMV resistance candidate genes within 17 QTLs 30
• 4. Discussion 42
• 5. References 48