유전체 서열 조합을 위한 차세대 염기서열 자료의 k-mer 분석

김민선 명지대학교 대학원 2015 국내석사

DNA 염기서열 분석은 유전체 정보를 해석하는 가장 기초적인 과정으로, 생물체를 이해하는데 중요한 의미를 지닌다. 최근 차세대 염기서열 분석(NGS) 방법이 발달하면서 대량의 유전체의 정보를 값싸고 빠르게 얻을 수 있게 되었다. 이렇게 NGS로 얻어진 유전체의 정보는 실제 유전체의 크기보다 높은 coverage를 갖고 있으나, 정확도가 문제가 되고 있다. 따라서 낮은 정확도를 가지는 단편서열의 일부를 자르거나 전체를 삭제하는 절단 과정과 단편서열 내에 있는 틀린 염기를 찾아내어 맞는 염기로 고쳐주는 수정 과정을 거쳐 유전체 정보의 정확도를 높여준 후 유전체 서열 조합에 사용하게 된다. k-mer 분석은 길이가 k인 단편 서열의 통계 값을 이용하여 유전체 정보를 분석하는 방법이다. k-mer 분석을 이용하여 절단 과정과 수정 과정이 잘 되었는지를 판단할 수 있고, 유전체의 크기를 예측할 수 있어 유전체 서열 조합 시에 드는 시간과 비용을 절감할 수 있다. 본 연구에서는 원핵 생물의 Escherichia coli와 진핵 생물의 Saccharomyces cerevisiae 유전체 염기서열을 사용하여 k-mer 분포의 경향을 확인하였고 벼의 유전체 염기서열인 IRGSP 1.0과 BGI 93-11의 k-mer 분포도 확인하였다. 이 결과를 근거로 하여 국내 일미 벼의 NGS 자료를 각각 절단 과정을 거치기 전, 절단 과정을 거친 후, 절단과 수정 과정을 거친 후에 k-mer 분석을 하여 정확도를 확인하고 유전체 크기를 예측하였다. DNA sequencing is the basic process of interpreting genome information, and has important meaning for understanding an organism. Recently, Next Generation Sequencing (NGS) provides much faster and cheaper genome information than conventional sequencing. Genome information from NGS has higher coverage than actual size, however, an issue of accuracy. Therefore, genome information has to be used for genome assembly through processing such as trimming and correction. Trimming are removes either bases or reads with low quality, and correction corrects erroneous bases. Before assembly processing, k-mer (subsequence of length k) analysis can verify accuracy of pre-processing genome information. k-mer analysis is a method of using statistics of the number of k-mer occurrences. k-mer analysis can be a parameter to determine appropriate level of trimming and correction. Also, genome size can be estimated through analyzing the k-mer distribution. Thus k-mer analysis of genome information can reduce labor and time consuming during genome assembly process. In this study, k-mer distribution trend were analyzed by k-mer analysis using genome sequence of prokaryote (Escherichia coli), eukaryote (Saccharomyces cerevisiae) and rice (Oryza sativa, IRGSP 1.0 and BGI 93-11). On the basis of prevenient results, using Ilmi's NGS data with untrimmed, trimmed and corrected processing is identified accuracy and estimated genome size.

유전체 데이터 정밀 활용을 위한 인공지능 기술 개발

구민지 건국대학교 대학원 2023 국내석사

NGS 데이터의 대량 생산은 여러 다양한 유전체 시퀀싱 데이터의 생성 및 분석을 가능하게 했으며 이러한 분석을 위해서는 참조 유전체에 생성된 NGS 리드 데이터를 매핑하는 전처리 과정이 필수적이다. 이 과정에서 생성된 데이터의 품질은 이후 분석 결과의 품질과 직결되어 있다. 현존하는 매핑 프로그램은 MAPQ라는 점수의 형태로 매핑 데이터의 품질을 제시하고 있으나, 이전 연구에서 MAPQ와 실제 리드 생성 위치 간 정확도 간의 상관 관계가 낮음이 밝혀졌다. 본 논문에서는 이를 해결하기 위해 머신 러닝 기법인 XGBoost를 사용하여 실제 매핑 위치를 예측하고 이를 활용해 MAPQ 점수를 수정하는 방법론을 개발하였다. 그 결과 새롭게 수정된 MAPQ 점수는 실제 리드 생성 위치 정확도와 0.89 정도의 높은 상관관계를 보이는 결과를 나타냈다. 본 연구를 통한 유전체 리드 매핑 데이터의 정확도 향상은 이후 분석 단계 품질을 개선하는 효과를 기대할 수 있다. 유전체 어셈블리는 가장 활발히 진행되는 매핑 이후 단계 분석 중 하나이다. 조립된 유전체 염기 서열을 이용해 여러가지 분석이 가능한데 종 간 진화적 관계를 파악하는 진화 분석도 그 중 하나이다. 진화 분석은 유전체 염기 서열 정렬을 통해 신터니라고 불리는 종 간 상동성을 가진 유전체 지역을 찾고 추가 분석을 진행한다. 그러나 추가 데이터 없이 신터니 지역 만으로는 종 간 보존 지역 내 보존 정도를 파악하고 특이 지역을 정의하기 어렵다. 본 논문에서는 신터니 지역 내 염기 간의 보존 정도를 계산하는 파이프라인을 개발하여 이를 해결하려 하였다. 파이프라인을 통해 신터니 내 대응 위치에 존재하는 염기 간의 엔트로피 및 갭 존재 비율을 제시한다. 인간, 생쥐, 침팬지의 신터니에 대해 엔트로피 및 갭 비율을 계산한 결과 다른 신터니에 비해 특이한 보존 정도를 가진 신터니를 찾을 수 있었으며 추가적으로 해당 신터니 내의 엔트로피 분포에 대해서도 살펴보고 신터니 내에서도 보존도가 높은 지역을 파악할 수 있었다. 이러한 보존 정도 파악은 추가 데이터 없이도 유전체 내 특이 지역 파악을 용이하게 하며 해당 데이터를 기반으로 목표 지역을 정의하고 추가 분석을 진행할 수 있다. The massive production of Next Generation Sequencing (NGS) data has enabled the generation and analysis of diverse genomic data. Mapping the reads to a genome assembly is an essential preprocessing procedure for genomic and multi-omics data analysis. The quality of the mapping data is directly linked to the quality of the further analysis. MAPQ (Mapping Quality) is the representation of the quality of read alignment that contains the quality of read and the alignment score of the mapping data. However, previous study has shown that MAPQ and position of read origin had a low correlation, which reflects current MAPQ cannot deliver the read origin information. In this paper, we present a machine-learning model developed using XGBoost to predict the actual mapping position and adjust the MAPQ scores, thereby improving the quality of read mapping data. The model achieved 0.9638 for R^2, and 0.0083 for MSE. The newly adjusted MAPQ scores exhibited a high correlation approximately 0.89 with the read origin. Furthermore, genome assembly plays a crucial role in various analyses, including evolutionary analysis, which aims to determine evolutionary relationships between different target species. In evolutionary analysis, whole genome alignment data is utilized to identify homologous regions called synteny. However, the identification of synteny alone cannot provide information about the degree of conservation within specific regions. To address this limitation, we developed a pipeline that calculates the conservation level between nucleotides within synteny. Entropy and gap proportion was chosen as measures to represent the conservation at corresponding positions within the synteny. Using the pipeline, entropy and gap proportion values for the synteny of human, mouse, and chimpanzee genomes were obtained. Notably, synteny 455 exhibited the lowest entropy with a value of 0.022 indicating a highly conserved region. Additionally, most nucleotides within the synteny showed a distribution with an entropy value of zero. These findings suggest the presence of the most conserved regions in the genome, providing valuable insights for identifying target regions in evolution analysis.

경남지역 한우 암소의 혈통 및 유전체정보를 활용한 육종가 추정 및 정확도 분석

김은호 경상대학교 대학원 2020 국내석사

우량송아지란 성장, 번식 등 경제적인 측면에서 우수한 능력을 가지고 있는 개체를 뜻하며, 농가소득에 큰 영향을 미친다. 우량송아지를 생산하기 위해서는 체계적이고 지속적인 한우 개량이 필요하며, 이를 위해 부모의 유전능력을 확인하고 선발하는 것이 중요하다. 본 연구는 암소 개량을 위한 기초자료를 구축하기 위해 경남지역 한우 암소의 혈통 및 유전체정보를 활용하여 BLUP과 GBLUP 방법으로 육종가와 정확도를 추정하고, 이들을 비교 분석하였다. 본 연구에 사용된 검정집단은 경남지역 한우 암소 33,128두이며, 검정집단의 혈통정보를 이용하여 BLUP 방법으로 육종가(EBV)를 추정하였다. 그리고 분석 방법에 따른 른 유전모수의 변화를 확인하고자 유전체정보를 보유하고 있는 414두를 GBLUP 방법으로 유전체육종가(GEBV) 추정하였다. BLUP 방법에 사용한 참조집단은 혈통정보와 표현형정보를 보유하고 있는 545,483두이며, GBLUP 방법에 사용한 참조집단은 유전체정보와 표현형정보를 보유하고 있는 15,026두이다. 분석에 사용한 표현형은 도체중, 등심단면적, 등지방두께, 근내지방도이며 두 분석방법의 data quality control을 실시하여 혈연관계행렬(numeric relationship matrix, NRM)과 유전체혈연관계행렬(genomic relationship matrix, GRM)을 구축하였고 BLUPF90 program을 사용하여 유전모수 및 육종가를 추정하였다. 검정집단 33,128두를 대상으로 BLUP 방법으로 추정한 결과로 혈통구조에 따른 육종가 변화는 2010년 이후 혈통등록우 비율과 육종가 수치가 증가하였다. 유전력은 도체중, 등심단면적, 등지방두께, 근내지방도에서 각각 0.587, 0.416, 0.476, 0.571로 추정되었다. 유전상관은 도체중 기준으로 등심단면적, 등지방두께, 근내지방도에서 0.576, 0.355, 0.152이며 등심단면적 기준으로 등지방두께, 근내지방도에서 –0.024, 0.469이고 등지방두께 기준으로 근내지방도는 0.029로 추정되었다. 2010년 이후에 실시한 쇠고기 이력제의 친자확인 사업과 농가의 혈통정보 중요성에 대한 인식변화로 한우의 혈통정보가 체계적으로 관리되었음을 확인하였고 경남지역 한우 암소의 유전능력은 충분히 개량 가치가 있으며, 우량 암소 선발에 이용한다면 개량효율을 높일 수 있을 것이다. 혈통 및 유전체정보를 가진 414두를 대상으로 BLUP과 GBLUP 방법으로 추정한 결과를 비교하였다. 도체중, 등심단면적, 등지방두께, 근내지방도의 BLUP 방법으로 추정한 유전력은 0.587, 0.416, 0.476, 0.571이며, GBLUP 방법으로 추정한 유전력은 0.316, 0.307, 0.325, 0.413으로 추정되었고 정확도는 BLUP 방법에서 0.495, 0.489, 0.491, 0.494이며, GBLUP 방법은 0.676, 0.672, 0.679, 0.709로 추정되었다. 유전력는 GBLUP 방법이 낮게 나타났으나 정확도는 높게 나타났다. 유전체정보 기반으로 구축된 GRM은 멘델리안 샘플링의 효과를 포함하여 구축하기 때문에 기존의 혈연계수보다 다양하고 정확한 수치를 가진다. 이를 통해 유전체육종가를 추정하는 GBLUP 방법이 더욱 정확하다고 생각된다. 그리고 공통으로 가지고 있는 SNP 마커의 유전자형을 활용한 유전적 유사도(identity by state)로 정확도를 추정하기 때문에 적은 참조집단 크기로 높은 정확도를 추정할 수 있어 GBLUP 방법이 효율적이라고 생각한다. 본 연구결과로 선발 시 기존의 BLUP 방법보다 유전체정보를 활용한 GBLUP 방법이 정확하며 효율적이라고 판단되며, GBLUP 방법으로 추정된 높은 정확도와 정밀한 개체 선발로 우량 암소 집단을 구축한다면 우량송아지 생산 효율이 향상될 것이라 생각된다. A Elite calf is an entity that has excellent ability in economic aspects such as growth and production, and has a direct impact on farm income. A systematic and continuous improvement of Hanwoo cattle is necessary to produce elit calf, and it is important to evaluate genetic ability and select parent. Therefore, this study was conducted to estimated and compared breeding value(BV) and accuracy to between by best linear unbiased prediction(BLUP) and genomic best linear unbiased prediction(GBULP) method using pedigree and genotype of Hanwoo cow in Gyeongnam construction of Hanwoo cow improvement data. This study used 33,128 cows of Hanwoo in Gyeongnam. The estimated breeding value(EBV) was estimated by BLUP method using pedigree of test population. In order to confirm the change of genetic parameter according to the analysis method, 414 cows has genotype were estimated genomic breeding value(GEBV) by GBLUP method. Reference population used in BLUP method was 545,483 heads for pedigree and phenotpye, whlie reference population using in GBLUP method was 15,026 heads, for genotype and phenotpye. This study analyzed carcass weight(CWT), eye muscle area(EMA), backfat thickness(BFT) and marbling score(MS). Numeric relationship matrix(NRM) and genomic relationship matrix(GRM) were constructed by data quality control of the two analysis methods, and genetic parameter were estimated used BLUPF90 program. As a result of the BLUP method for 33,128 heads, changes in EBV according to the pedigree structure have increased pedigree grade and EBV of Hanwoo, since 2010. Heritability was estimated at 0.587, 0.416, 0.476 and 0.571 in CWT, EMA, BFT and MS, respectively. Genetic correlation of CWT with EMA, BFT and MS were at 0.576, 0.355 and 0.152, respectively. Genetic correlation of EMA with BFT and MS were at –0.024 and 0.469, respectively. Genetic correlation between to BFT and MS were 0.029. Hanwoo pedigree was systematically managed due to the paternity project of traceability system and the importance of pedigree at farms. As a result, EBV of Hanwoo cow in Gyeongnam has been sufficiently improved. And it used for cow selection, the improvement could be increased. As a result of the BLUP and GBLUP method for 414 heads, heritability in BLUP method was estimated at 0.587, 0.416, 0.476 and 0.571 in CWT, EMA, BFT and MS, respectively. while GBLUP method was estimated at 0.316, 0.307, 0.325 and 0.413, respectively. Accuracy in BLUP method was estimated 0.495, 0.489, 0.491 and 0.494, respectively in CWT, EMA, BFT and MS. GBLUP method was estimated to 0.676, 0.672, 0.679 and 0.709, respectively. As a result of compared heritability and accuracy estimated by the BLUP and GBLUP methods, GBLUP method showed low heritability and high accuracy. This reason, GRM constructed on base of genotpye including the effects of Mendelian sampling, which showed genetic differences among individuals. GRM had more genetic diverse and accurate values than pedigree coefficient, the GBLUP method for GEBV was more accurate. Accuracy was estimated using identity by state(IBD) through the gnotypes of common SNP marker, the GBLUP method was considered efficient because high accuracy could be estimated by small reference population size. As a result of this study, GBLUP method was more accurate and efficient than pedigree BLUP method for selection. If cow selection considering high accuracy and genetic difference between individual estimated by GBLUP method, it was thought that production efficiency of the elite calf would be improved.

용액공정이 가능한 게이트 유전체 기반 차세대 박막 트랜지스터 재료의 응용 연구

김대철 경기대학교 대학원 2018 국내석사

박막 트랜지스터는 차세대 전자소자로의 다양한 응용이 가능하여 많은 관심을 받고 있다. 전자재료로 다양한 물질을 사용할 수 있으며 제작방법에 있어 공정온도와 비용을 낮출 수 있다면 소자가 더 나은 특성을 가질 수 있다. 이에 본 연구에서는 유기물과 무기물의 특징적인 성질을 혼합하여 한 단계의 공정 연구, 저온 용액 공정이 가능한 저렴한 고분자를 가교결합 시킨 유전체 박막을 연구하였다. 또한 제작에 있어 딥코팅 방법을 이용하여 스핀코팅 방법의 한계점을 보완하여 박막 트랜지스터 대량생산의 가능성을 확인하였다. 박막 트랜지스터를 연구하기 위해 저온에서 용액공정이 가능한 유기물의 유연한 특성과 높은 유전율, 낮은 누설전류의 특성을 가진 무기물의 혼합 박막을 적용하여 고성능의 저전압 구동 트랜지스터를 연구하였다. 유연성을 가진 유기물인 1,10-decanediylbis(phosphonic acid) (DBPA)와 1,12-dodecanediylbis(phosphonic acid) (DDBPA)를 합성하였고 좋은 유전특성을 가진 high-k ZrOx와 혼합하여 저온에서 용액공정을 하여 박막을 제작하였다. 또한 원-스텝으로 소수성 표면처리를 위하여 trimethoxy (octadecyl)sliane (OTMS)와 triethoxy(octadecyl)sliane (OTES)를 ZrOx와 혼합하여 저온에서 용액공정 유전체 박막을 제작하였다. 이 박막들은 높은 capacitance와 낮은 누설전류밀도, 열적 안정성을 보였다. 응용성을 확인하기 위하여 유기반도체(pentacene)기반 박막 트랜지스터를 제작하였고 이 소자들은 ~0.3 cm2V-1s-1의 전하이동도와 105이상의 Ion/Ioff를 가졌으며 2 V라는 저전압 구동의 장점을 보였다. 고분자를 가교결합 시켜 유전체로 이용하기 위하여 poly(4-vinylphenol) (PVP)와 poly(methyl metha crylate) (PMMA)를 사용하였다. PVP 박막은 용액 공정하여 비교적 낮은 온도(~200 ℃)에서 가열하면 탈수반응에 의해 유전체 박막을 형성하였다. PMMA 박막은 광 개시제에 의해 라디칼 반응이 일어나고 이를 통해 유전체 박막을 제작하였다. 이 두 박막은 무기물에 비해 저온에서 공정되었고 낮은 누설전류와 SiO2보다 높은 capacitance를 가졌으며 표면의 -OH기에 의해 친수성 특성을 보였다. 이에 self-assembled monolayers (SAMs)를 통해 표면의 특성을 소수성으로 개질시켜주었고 유기반도체(pentacene)를 이용한 유기 박막 트랜지스터를 제작하여 응용성을 확인하였다. 이 소자는 ~0.5 cm2V-1s-1의 전하이동도와 106의 Ion/Ioff를 가졌다. 딥코팅을 이용한 박막 트랜지스터 제작 연구를 위하여 유전체로는 ZrOx, HfOx를 사용하였고 반도체로는 무기반도체(In2O3, IGZO)를 휘발성이 좋은 용매에 용해시켜 소자를 제작하였다. 딥코팅으로 제작된 유전체 박막은 스핀코팅으로 제작된 유전체 박막과 비슷한 낮은 누설전류의 특성을 보였고 비교적 높은 capacitance를 가졌다. 또한 표면은 비교적 스무스한 특성(rms = ~0.3 nm)을 가졌다. 무기반도체(In2O3, IGZO)도 동일하게 딥코팅으로 제작하였고 이 소자들은 2 V이하에서 구동되는 특성을 보였으며 ~2 cm2V-1s-1의 전하이동도와 105이상의 Ion/Ioff를 가졌다. 이는 유전체와 반도체의 큰 면적의 대량생산이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서는 전자재료로 다양한 물질을 적절하게 사용하였으며 딥코팅이라는 제작 방법으로 박막 트랜지스터 제작이 가능함을 보였다. 연구 결과가 여러 분야에서 적용 가능성을 확인하였다. Thin film transistors (TFTs) are getting much interest because they can be applied to next generation electronic devices. Various materials can be used as electronic materials. If the fabrication method can lower the process temperature and cost, the device can have better electrical characteristics. In this study, we studied a process of one step by mixing characteristic properties of organic and inorganic materials, and a dielectric thin film which is cross-linked with an cheap polymer of low temperature solution process. In addition, we supplemented the limit of spin coating method by using dip coating method. We confirmed the possibility of mass production of thin film transistor. Solution-processable organic materials have flexible characteristics and high permittivity at low temperature and inorganic materials have low leakage current characteristics. We have mixed organic and inorganic materials to manufacture the high performance low voltage driving transistor. Flexible organic materials were synthesized and it was mixed with high-k ZrOx with good dielectric properties and fabricated by low temperature solution process. In addition, organic materials including silane groups were mixed with ZrOx for one-step hydrophobic surface treatment to fabricate a solution process dielectric thin film at low temperature. These films showed high capacitance, low leakage current density, and thermal stability. Organic semiconductor (pentacene) thin film transistor was fabricated to confirm the applicability and these devices have a charge mobility of ~ 0.3 cm2V-1s-1 and an Ion/Ioff of 105, demonstrating the advantage of low voltage operation of 2 V. Crosslinked polymer were formed by the dehydration reaction or radical reaction at a low temperature by solution process. These films were processed at low temperature compared to inorganic materials and had low leakage current and capacitance higher than SiO2 dielectric and showed hydrophilic property by -OH group on the surface. Self-assembled monolayers (SAMs) were used to modify the surface properties to hydrophobic. Organic (pentacene) thin film transistor had a charge mobility of ~0.5 cm2V-1s-1 and an Ion/Ioff of 106. ZrOx and HfOx were used as dielectrics to study thin film transistor fabrication using dip-coating and inorganic semiconductor (In2O3, IGZO) was dissolved in a solvent with volatility to manufacture a device. Dielectric films fabricated by dip-coating exhibited low leakage current characteristics similar to dielectric films fabricated by spin-coating. It had a relatively high capacitance. Also, the surface had a smooth characteristic (rms = ~0.3 nm). Inorganic semiconductors (In2O3, IGZO) were also prepared by dip-coating and these devices were driven at less than 2 V and had a charge mobility of ~ 2 cm2V-1s-1 and an Ion/Ioff of 105. This confirmed that mass production of large area of ​​dielectrics and semiconductors is possible.

호접란 ‘KS Little Gem’의 유전체 분석을 통한 품종구분 분자표지 개발

권영은 명지대학교 일반대학원 2016 국내석사

본 연구에서는 개화 기간이 긴 Phalaenopsis ‘KS Little Gem’의 전사체 및 유전체를 조립, 분석하고 품종구분과 보호를 위한 엽록체 유전자 및 conserved ortholog set (COS) 기반 분자표지를 개발하였다. 조립된 전사체는 총 길이 82.3 Mb로 unigene 101,975개를 포함하고 있으며 이중 71,327개의 주석을 결정하였다. 엽록체 유전체는 총 길이 148,918 bp로써 유전자 104개를 포함하고 있었다. 핵 유전체는 총 길이 3.0 Gb로 조립되었으며 이는 예측한 크기(4.5 Gb)의 66.4%에 해당한다. 핵 유전체에 암호화된 유전자는 49,482개로 예측되었으며 이 중 주석이 결정된 유전자는 39,104였다. 조립한 전사체, 엽록체 유전체, 핵 유전체를 사용하여 호접란 품종구분 분자표지를 개발하였다. P. ‘KS Little Gem’ 구분 분자표지는 2가지 방식으로 개발하였다. 첫 번째 종류는 엽록체 유전자 rpl16의 인트론으로부터 개발되었으며, 그 크기는 251 bp였고, 다른 난초과 식물 사이에서 다양한 크기의 다형성이 나타났다. 두 번째 종류는 단자엽 식물의 COS 유전자의 인트론으로부터 개발하였다. 먼저 벼(Oryza sativa)와 바나나(Musa acuminata), 그리고 P. equestris 유전체의 단백질 서열을 사용하여 보존된 단자엽 COS 유전자 672개를 찾고, 이 유전자들의 P. equestris nucleotide 서열과 암호화 서열을 P. ‘KS Little Gem’의 unigene 서열과 비교분석하여 최종적으로 3개의 COS 분자표지를 선발하였다. 3개의 COS 분자표지가 표적 하는 유전자의 P. equestris 서열을 사용해 Blast2GO 분석을 수행한 결과 COS001은 rRNA 소단위체를 메틸화하는 효소를 생산하는 유전자로 예측되었고, COS002는 아직 밝혀지지 않은 단백질을 생산하는 유전자로 세포막으로 둘러싸인 소포에서 phosphatidylinositol을 생산하거나 광주기성 또는 개화에 관련된 기능을 하는 것으로 예측되었으며, COS003은 DNA repair helicase xpb1 enzyme을 생산하는 유전자로 예측되었다. 분자표지의 평가는 P. ‘KS Little Gem’을 포함한 호접란 19종을 사용하여 실시하였다. COS001은 P. ‘KS Little Gem’에서 387 bp와 520 bp 두 가지 크기로 예측되었으며 PCR 결과 두 밴드 모두가 증폭되었으나 다른 종에서는 두 밴드 중 한 밴드만 증폭되었다. COS002는 P. ‘KS Little Gem’에서 200 bp와, 224 bp 크기로 예측되었고 PCR 결과 두 밴드 모두 증폭되었으며 다른 종에서는 두 밴드 중 한 밴드만 증폭되었다. COS003은 P. ‘KS Little Gem’에서 525 bp와, 621 bp, 675 bp 크기로 예측되었으나 PCR 결과 621 bp와 675 bp 크기의 밴드만 증폭되었고 다른 종에서는 다양한 크기의 밴드가 증폭되었다. 따라서 엽록체 분자표지 1종과 COS 분자표지 3종을 조합하면 P. ‘KS Little Gem’을 다른 종의 Phalaenopsis 사이에서 구분하는 것이 가능하며, 다양한 Phalaenopsis 속 및 종간 잡종 품종구분에도 적용이 가능할 것이다. 본 연구에서 사용한 분자표지 개발 전략은 유전체 조립이 염색체 수준에 미치지 못하는 scaffold 수준으로 완성되어있는 종 사이에서도 효과적으로 사용 가능하다. Gene-based markers are useful tools for genetic background survey and comparative genome analysis due to their easy application across closely-related species. We developed gene-based DNA markers for Phalaenopsis ‘KS Little Gem’, a new Phalaenopsis variety with excellent ornamental traits, based on a genome-wide comparison of chloroplast and nuclear sequences with those of orchids as well as monocot species, including rice and banana, to establish a molecular basis for species identification. Sequence comparisons of the chloroplast DNA of P. ‘KS Little Gem’ with those of P. aphrodite and P. equestris identified six variable genic regions of the chloroplast genome in which an intron of rpl16 was the most polymorphic between relative orchid species. To develop conserved ortholog set (COS) markers, we compared transcriptome unigenes of P. ‘KS Little Gem’ with P. equestris, rice, and banana genomes and identified 582 Phalaenopsis COS candidates with at least two exons. PCR application with primer sets targeting six variable regions in the chloroplast genome and introns of 45 randomly selected COS candidate genes showed 92-98% amplification in three Phalaenopsis species. Among the candidate genes, we developed rpl16 and three COS genes as diagnostic cross-species markers for P. ‘KS Little Gem’ and diverse related orchids. The gene-based molecular markers developed in this study will play an important role in species identification in protecting variety right, breeding, and genetic studies of Phalaenopsis orchids.

유전체 공진기를 이용한 Pt 금속박막 두께의 비파괴 마이크로파 측정법

정호상 건국대학교 대학원 2008 국내석사

GdB4 단결정에서 4f 전자의 스핀구조와 스핀 동역학을 연구하기 위해 11B NMR 측정을 수행하였다. 핵 자기공명실험은 온도범위 5~300 K 사이에서 하였으며, 각 온도에서 11B NMR spectrum, shift, linewidth, spin-lattice relaxation time T1, spin-spin relaxation time T2를 외부 자기장(H0 = 8 T)이 시료의 c축과 평행한 상태와 수직한 상태에서 각각 측정하였다. 11B NMR spectrum을 통해서 얻은 shift와 선폭은 Gd의 4f spin moment에 영향을 받아 온도에 강한 의존성을 보이며 자화율과 비슷한 온도 의존성을 갖는다. TN 이하에서는 한 개의 peak가 여러 개의 peak로 갈라지는데 이는 국소자기장이 반강자성 스핀 정렬을 하여 내부 자기장을 만들기 때문이다. Spin-lattice relaxation rate 1/T1와 spin-spin relaxation rate 1/T2는 TN 이상에서 온도에 무관하고, TN 이하에서 급격히 수백 배 감소하본 논문에서는 초전도 박막의 마이크로파 표면저항 측정에 널리 이용되는 유전체 공진기법을 사용하여 도체 박막의 두께 측정에 관하여 기술하였다. 먼저 특성이 거의 같은 9 - 950 nm 두께의 Pt 박막을 준비하여 유효표면저항을 측정하고, 이 박막들의 두께를 step profilometer 및 TEM을 이용하여 측정하였다. 이후 두께 측정 및 고유표면저항을 측정하기 위한 유전체 공진기를 제작하고, YBCO 고온초전도체 박막을 사용하여 를 구했다. 동시에 유전체의 유전율 및 dimension을 파악하여 gap이 있는 경우 온도별 geometrical factor와 filling factor를 구하였다. 위에서 구해진 성분과 윗면, 아랫면 모두 구리를 사용해서 구리의 표면저항을 구하여 준비실험을 끝냈다. 특성이 거의 같은 다른 두께의 Pt 박막들을 차례로 가장 낮은 온도에서의 공진 주파수가 8.5 GHz, 15.2 GHz 그리고 40 GHz에서 차례로 측정하여 공진기의 QL값을 측정하여 각 온도와 주파수에 따른 유효표면저항을 구하였다. fitting으로 고유표면저항을 구한 후 240 nm 박막을 기준으로 calibration 용 Rseff data를 구했다. 이미 raw data를 모두 측정하였으므로, 각 박막에 대한 온도와 주파수에 따른 두께를 calibration data를 사용하여 구할 수 있었다. 마이크로파 측정법을 위한 calibration 작업 및 비교를 위해 준비한 Pt 박막 중 9 nm 및 35 nm와 같은 얇은 박막은 TEM으로 측정을 했고, 그 이상의 두께를 가지는 박막은 step profilometer를 사용하여 측정하였다. [그림 4-12]와 [그림 4-13]에서 보이는 것과 마찬가지로 8.5 GHz 루타일 공진기를 사용한 마이크로파 측정법은 기존의 TEM 및 step profilometer로 측정한 값과 거의 부합되는 결과를 얻을 수 있었다. 오차가 큰 경우의 대부분은 상온에서, 그리고 박막의 두께가 얇을 경우이다. 즉 QL이 작을 경우 오차도 크게 발생하는데, 이는 IL의 증가로 약한 신호가 잡음에 묻히기 때문이다. 따라서 coupling을 조절하여 보완이 가능하지만, QL이 작은 곳에서의 두께 측정은 피해야 한다. 한편, 박막의 두께가 침투깊이 이상의 값을 지니는 경우 유효표면 임피던스와 고유표면임피던스의 차이가 거의 없게 되어 측정이 곤란하게 되는데, 이는 8.5 GHz에서 측정한 950 nm 박막의 두께 차이가 많이 나는 것을 설명한다. 마이크로파 측정법은 비파괴 적으로 두께를 측정하는데 유용한 방법이지만, 그 한계나 적용범위를 명확히 알고 있지 않다. 따라서 차후 이러한 부분은 명확히 할 필요가 있다. 다양한 상황을 고려해야 하는데, 특히 주파수 별로 두께 측정의 결과가 어떻게 되는지 알아야 할 것이다. 8.5 GHz 유전체 공진기의 Pt 박막 Calibration 그래프를 보면 대부분의 두께에 대해 금속 박막의 두께가 작아지면서 유효표면저항이 증가하는 것으로 나타나지만 박막이 매우 얇을 경우 두께가 감소하면서 유효표면저항도 같이 감소하는 영역이 존재하고, 박막의 두께가 매우 클 경우 두께가 변화하더라도 유효표면저항이 거의 변하지 않게 됨을 확인할 수 있다. 따라서 측정 주파수 별로 이러한 현상이 어떻게 나타날 것인가를 예측하게 하여, 다양한 두께의 금속 박막에 대해 최적의 감도로 두께를 측정할 수 있게 해야 한다. 마지막으로 마이크로파 측정법의 적용범위가 정립되면, 단순한 두께 측정뿐만 아니라 대 면적 금속 박막 및 반도체의 두께 균일성 측정과 같은 많은 응용분야를 개척할 수 있을 것으로 기대된다. Metal film thickness has been measured by using different techniques including the ones based on Transmission Electron Microscopy (TEM), Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Electron Microscopy (SEM). However, these techniques has a common disadvantage in that the film thickness can be determined only in an invasive way with test metal films deformed after being measured. Meanwhile, the four-point probe method, which enables to measure the sheet resistance, and other techniques based on Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS), X-ray spectroscopy, and opto-acoustics are classified as the non-invasive technique in that test metal films remain intact even after being repeatedly measured. Non-invasive measurements of the thickness of metallic films from nanometers to micrometers have been very important for semiconductor industries where metallic coatings play important roles. We investigate a non-invasive metrology technique that enables determination of the thickness of metal films and superconductor films from nanometers to micrometers at microwave frequencies by using dielectric cylindrical resonators. The working principles of the measurement method are based on reflection of electromagnetic waves at the film-substrate interface having impedance mismatch and the nature of the intrinsic surface resistance being equal to the intrinsic surface reactance for electrical conductors in the local limit. Electromagnetic interferences of incoming electromagnetic waves at the surface of conductors with the reflected waves due to the impedance mismatch enable even higher measurement sensitivity for thinner films of nanometers thickness, which could be rigorously analyzed for determining the film thickness due to the normal skin effect of metals. The measured thicknesses for 10 nm-thick to 950 nm-thick platinum films appears to be comparable with the corresponding ones as measured by using a Transmission Electron Microscope and a step profilometer. Our results show that not only the metal film thickness but also the intrinsic surface impedance of metal films could be measured by using single measurement apparatus in a non-invasive way.

펄스 전기장에 의한 Pb계 유전체의 전자 방출

김용태 연세대학교 대학원 2000 국내박사

전계 방출 디스플레이용 평판형 전자원으로서, 펄스 전기장에 의한 Pb계 유전체에서의 전자 방출 현상에 대하여 Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3)의 조성 변화, 강유전체, 반강유전체 및 상유전체로의 유전상 변화 및 유전체 두께 변화에 따라 연구하였다. Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) 강유전체에서의 전자 방출은 하부 전극에 (+) 전압이 인가된 경우가 (-)전압이 인가된 경우에 비하여 전자 방출량이 높았고, 방출 전자의 운동에너지는 1,600 eV이며, Child-Langmuir 식에 의한 전류의 수십배의 전자 방출전류 밀도가 얻어졌다. 임계 전압 인가 속도 이상에서의 전자 방출량은 일정하였고, 전자 방출은 상부 전극 모서리에 집중되었다. Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3) 강유전체에서의 전자 방출량은 분극 변화량에 의존하였으나, 유전 상수는 전자 방출 특성과 거의 관련이 없었다. 전자 방출량은 하부 전극에 인가된 전기장에 따라 지수적으로 증가하였으며, 전자 방출의 문턱 전압은 강유전체의 항전계에 의존하였다. 강유전체 전자총에서는 상부 전극 크기 감소 및 강유전체 두께 증가에 따라 유전 상수 및 분극이 증가되었으며, 이러한 경향은 비대칭 전극 구조에서의 상부 전극 모서리 부근의 전기장 변화에 의하며, 전극 처리되어 있지 않은 강유전체 부분의 분극 분율 증가에 의한다. 상부 전극 크기에 따라, 상부 전극 부근 강유전체 표면에서의 전기장 증진 및 전기장 상승이 발생하는 폭은 일정하였으며, 따라서 전자 방출량은 상부 전극 직경에 비례하였다. 펄스 전기장에 의한 전자 방출 현상은 Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3)및 (Pb_(0.8)La_(0.2))TiO_(3)의 강유전체뿐 아니라 Pb(Zr_(0.96)Ti_(0.04))O_(3) 및 (Pb_(0.6)La_(0.4))TiO_(3)의 반강유전체 및 상유전체에서도 발생되었으며, 반강유전체의 경우에는 반강유전상에서 강유전상으로의 상전이 전기장에서 전자 방출이 급격히 증가되었다. 반강유전체 및 상유전체의 경우에는 펄스 전기장 인가 및 제거시에도 전자가 방출되었으며, 따라서, 펄스 전기장에 의한 전자 방출은 분극 변화량에 의존함을 밝혔다. Pb(Zr_(0.65)Ti_(0.35)O_(3) 강유전체 막에서의 전자 방출은 강유전체 막 두께에 따라, 1 ㎛ 두께 이하의 박막에서는 국부 절연 파괴가 발생하였고, 2 ㎛ 두께 이상의 후막에서는 벌크 세라믹스의 경우와 유사한 전자 방출량을 얻을 수 있었으며, 3 ㎛ 두께에서의 전자 방출 문턱 전압은 40 V로서 벌크의 1/10을 나타내었다. 강유전체 벌크에 비하여 박막에서의 전자 방출은 전자총의 기하학적 구조에 크게 의존하며, 절연 파괴 없이 전자가 방출되기 위해서는 강유전체 두께에 대한 상부 전극 크기의 대수값의 비를 임계값 이하로 낮추어야 한다. Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) 벌크 강유전체 전자총을 이용하여 10^(-3) torr의 압력, 5 mm 거리에서 직경 1 cm 범위의 R, G, B 음극선 발광을 확인하였다. 강유전체 전자총의 열화는 전자 방출시 발생되는 플라즈마에 의한 상부 전극 모서리의 침식이 가장 큰 원인이며, 유전체의 상부 계면 열화도 포함되어 있었다. 전기장 시뮬레이션 결과, 강유전체 전자총 구조에서의 강유전체 표면의 전기장은 상부 전극 모서리 부근에서 약 2.5배 증진되며, 수십 ㎛ 범위에서 항전계 이상의 전기장이 발생하였다. Faraday cup 거리 및 가속 전압은 전자 방출량에 영향이 없으며, 전자 방출량은 상부 전극 크기에 비하여 주로 강유전체 두께에 의존하였다. Pulse electric field induced electron emission from Pb-based dielectrics has been studied for application to field emission display as a flat electron source with varying the Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3) composition, dielectric phases such as ferroelectric, antiferroelectric, and paraelectric, and the thickness of the dielectrics. The electron emission charge from the Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) ferroelectrics when the positive voltage was applied to the rear electrode was higher than that of negative voltage. The kinetic energy of the emitted electron was 1,600 eV, and the emission current density was several tens times higher than that calculated with Child-Langmuir equation. The emission charge was constant above the critical field rising velocity, and the emitted electrons were concentrated at the edge of the upper electrode. The emission charge from the Pb(Zr_(x)Ti_(1-x))O_(3) ferroelectrics was dependent on the polarization change. However, the dielectric constant had little influence on the emission properties. The emission charge from Pb(Zr_(x)Ti_(1-x))O_(3) ferroelectrics increased exponentially with the applied electric field to the rear electrode. The emission threshold voltage was dependent on the coercive field of the ferroelectrics. Dielectric constant and polarization of the ferroelectrics which consisted the electron gun increased with the decrease of the upper electrode size and with the increase of the ferroelectric thickness. This tendency was caused by the change of the electric field near the upper electrode edge in the asymmetric electrode structure and by the increase of the volume fraction participated in the polarization at the bare ferroelectric region. The strength and the width of the increased electric field at the ferroelectric surface near the electrode edge was independent on the electrode size, therefore the emission charge was proportional to the upper electrode diameter. Electrons were emitted by the pulsed electric field not only from the ferroelectrics such as Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) and (Pb_(0.8)La_(0.2))TiO_(3) but also from the antiferroelectric Pb(Zr_(0.96)Ti_(0.04))O_(3) and paraelectric (Pb_(0.6)La_(0.4))TiO_(3) ceramics. In the antiferroelectrics, the emission charge increased abruptly at the transition field from the antiferroelectric to ferroelectric phase. Electrons were emitted both at the rising and falling times of the pulse field in the antiferroelectrics and paraelectrics, which meant that the electron emission was dependent on the polarization change. In the ferroelectric Pb(Zr_(0.65)Ti_(0.35))O_(3) films, electron emission was dependent on the film thickness. Electrons were emitted from the thick films above 2 ㎛ with comparable emission charge to the bulk ferroelectrics, whereas local dielectric breakdown occurred at the thin films below 1 ㎛. The emission threshold voltage of the 3 ㎛ thick film was 40 V, which was a tenth that of the bulk ceramics. The emission properties from films were so influenced by the geometry of the electron gun that the electrons were successfully emitted without breakdown below the critical geometric ratio of the logarithm of the upper electrode diameter to film thickness. Cathode luminescence with the diameter of 1 cm from red, green, and blue phosphors was confirmed by the Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) bulk electron gun at the distance of 5 mm in 10^(-3) torr. The ferroelectric electron gun was degraded mainly by plasma induced erosion of the upper electrode edge and also by the degradation of the interface. Electric field simulation showed that the electric field near the electrode edge increased 2.5 times and the width above the coercive field was several tens ㎛. Faraday cup distance and the acceleration voltage had little influence on the emission charge. The emission charge was more dependent on the ferroelectric thickness than on the upper electrode diameter.

Genome and transcriptome analyses of onion (Allium cepa) and hot pepper (Capsicum annuum)

김명신 서울대학교 대학원 2021 국내박사

Advances in sequencing technology have enabled to decipher the genomes of diverse horticultural crops including large genome sizes and complex structures. Moreover, the accumulation and analysis of multi-omics information provide powerful tools for exploring new biological insight. However, an issue has recently emerged that a single reference genome information cannot represent the entire genetic diversity of a species. Integrated analysis of pan-genome and multi-omics information to encompass the entire genetic variation within a species could provide a new opportunity to identify genes for molecular breeding and elucidate diverse evolutionary mechanisms in horticultural crops. This study consists of three chapters. In chapter I, transcriptome data were generated from the onion (Allium cepa), which not yet has reference genome assembly due to a large genome size. For further analysis of the transcriptome, annotated onion transcriptome was constructed from de novo sequence assembly and intensive structural annotation using the integrated structural gene annotation pipeline (ISGAP). De novo assembly and ISGAP of transcriptome obtained from two onion accessions identified 54,165 protein-coding genes from 165,179 assembled transcripts of 203.0 Mb. Especially, the ISGAP was more efficiently predicted multi-exon genes compared to conventional six-frame translation method to find open reading frame (ORF). In addition, functional domain prediction and analysis of sequence variation provided resources for gene identification and molecular breeding of onion and the genus Allium. In chapter II, gene expression profiling of hot pepper (Capsicum annuum) during fruit ripening and pathogen infection was performed. For the fruit ripening, transcriptomes were obtained from pericarp and placenta at seven developmental stages. To reveal global transcriptomic landscapes during infection, leaves at six time points post-infection by one of three pathogens (Phytophthora infestans, Pepper mottle virus, and Tobacco mosaic virus P0 strain) were profiled. In the principal component analysis (PCA) using the normalized gene expression values, the groups between fruit tissues and the leaves inoculated with pathogens were separated clearly. In addition, the groups inoculated with virus and oomycete showed a different pattern of gene expression with minor overlap. These results implicated that there are molecular networks specifically regulated during fruit development and pathogen infection in pepper. In chapter III, for pan-genome analysis in pepper (C. annuum), de novo genome assemblies of ‘Early Calwonder (non-pungent, ECW)’ and ‘Small Fruit (pungent, SF)’ were constructed along with their annotations. Each assembled genome size was 2.9 Gb and approximately 35,000 protein-coding genes were annotated. Comparison between newly and publicly available pepper gene annotations revealed both shared and specific gene content. Especially, comprehensive analyses of the nucleotide-binding leucine-rich repeat receptor (NLR) gene family using re-annotation and synteny analysis elucidated copy number variations (CNVs) mediated by intra-specific small sequence variations. In summary, construction of transcriptomic information in onion and pepper, construction of two pepper genome information for pan-genomics including comparative CNV analysis of NLR could provide a valuable resource for the molecular breeding and genetic diversity studies in onion and pepper. 염기서열결정 기술의 발전은 큰 유전체 크기와 반복서열, 이형접합성같은 복잡한 구조를 갖는 다양한 원예작물 유전체의 해독을 가능하게 했다. 더욱이, 유전체와 함께 전사체, 단백체, 후생유전체 같은 다중 오믹스(multi-omics) 정보의 축적과 분석은 새로운 생물학적 현상들을 연구하기 위한 강력한 도구로 사용되고 있다. 하지만, 최근에는 한 종에서 하나의 표준 유전체 정보만으론 그 종의 전체 유전적 다양성을 대표할 수 없다는 문제가 대두되었다. 한 종 내의 전체 유전적 변이를 포괄하는 범 유전체(pan-genome) 및 다중 오믹스 정보의 통합 분석은 원예작물의 분자 육종을 위한 유전자를 동정하고 다양한 진화 기작들을 밝히는 새로운 기회를 제공한다. 본 연구는 세 개의 장들로 구성되었다. 첫 번째 장에서, 큰 유전체 크기로 인해 아직까지 유전체 정보가 없는 양파(Allium cepa)의 전사체 서열을 생성했다. 전사체 정보 분석을 위해, 드노보 어셈블리(de novo assembly)와 통합된 유전자 구조 예측 방법(integrated structural gene annotation pipeline, ISGAP)들을 이용해 정확한 유전자 구조가 예측된 양파 전사체 정보를 구축했다. 두 점의 양파자원들에서 확보한 전사체 서열들의 드노보 어셈블리와 통합된 유전자 구조 예측방법을 수행한 결과 총 203 Mb 길이인 165,179개의 전사체 서열로부터 54,165개의 단백질 서열을 확인했다. 특히, 통합된 유전자 구조 예측방법은 기존 전사체 연구에서 사용한 오픈 리딩 프레임(open reading frame, ORF) 예측방법과 비교해 다중 엑손이 있는 유전자의 단백질 서열을 더 효율적으로 예측할 수 있었다. 또한 도메인 예측과 서열변이 정보분석들은 양파를 포함한 Allium 속의 유전자 동정과 분자육종을 위한 자원들을 제공했다. 두 번째 장에서, 과실 성숙과 병원균 감염 동안 고추(Capsicum annuum)의 유전자 발현 분석을 수행했다. 과실 성숙 연구를 위해, 일곱 가지 과실 발달 단계에서 과피와 태좌 전사체를 확보하였다. 병원균 감염 동안 전반적인 전사체 발현양상을 밝히기 위해, 고추 잎에 세 가지 병원균인 감자역병균(Phytophthora infestans), 고추 얼룩 바이러스(Pepper mottle virus), 그리고 담배 모자이크 바이러스 P0 계통(Tobacco mosaic virus P0 strain)을 각각 접종하여 여섯 단계 시간대 별로 전사체를 확보했다. 보정된 유전자 발현 값을 이용한 주성분 분석(principal component analysis, PCA)에서, 과실 조직들과 병원균이 접종된 잎들 사이의 유전자 발현 그룹들이 확실하게 분리되었다. 또한 병원균이 접종된 잎들의 그룹 내에서 바이러스와 난균을 접종한 그룹이 서로 다른 유전자 발현 양상을 보였다. 이를 통해 고추에서 과실 발달과 병원균 감염 동안 특이적으로 조절되는 분자 네트워크들이 존재할 것이라고 추론하였다. 세 번째 장에서, 고추의 범 유전체 분석을 위해 매운맛이 없고 과형이 큰 재배종 ‘Early Calwonder(ECW)’와 매운맛이 있고 과형이 작은 유전자원 ‘Small Fruit(SF)’의 유전체 정보를 구축했다. 각각 2.9 Gb 길이의 유전체 서열을 완성했으며 약 35,000개의 단백질 암호화 유전자들을 예측했다. 새롭게 구축한 유전체 서열들과 기존에 보고된 고추 유전체 서열들의 유전자 비교 분석을 통해 공유되거나 특이적인 유전자 구성의 차이를 확인했다. 특히, 병저항성에 관여하는 nucleotide-binding leucine-rich repeat receptor(NLR) 유전자군의 유전자 재예측(re-annotation)과 신테니(synteny) 분석을 이용한 포괄적인 분석은 종내의 작은 변이에 의해 매개되는 유전자 수 변이(copy number variation, CNV)를 설명했다. 정리하면, 양파와 고추에서 전사체 정보 구축과 범 유전체 분석을 위한 두 개의 고추 유전체 정보 구축을 통한 NLR의 유전자 수 변이에 대한 비교 분석들은 양파와 고추의 분자 육종과 유전적 다양성 연구들을 위한 유용한 자원으로 제공될 것이다.

유전체 공진 발진기 설계 및 제작

최민 홍익대학교 대학원 2001 국내석사

본 논문은 Ku-band(12.4-18GHz) 위성통신 시스템 및 이동통신 중계기의 마이크로파 송수신부에 사용되는 고안정도 위상고정 유전체 공진 발진기(Phase Locked Dielectric Resonator Oscillator)의 설계와 구현에 관한 것이다. High-2의 유전체 공진기(Dielectric Resonator)를 이용하여 구현된 유전체 공진 발진기(Dielectric Resonator Oscillator)는 13GHz 대역의 FLDRC를 구현하기 위해 Varactor Diode를 이용하여 전압가변 유전체 공 진 발진기(Voltage controlled Dielectric Resonator Oscillator)로 동작하며, VCDR0의 출력신호를 Sampling Phase Detector를 이용하여 lOMHz 크리스탈 발진기 신호에 위상 고정시켜 높은 주파수 안정도와 우수한 위상잡음 특성을 나타내게 한다. 본 논문에서는 13.4GHz DR0를 구현하여 Oscillator의 위상잡음 개선효과를 측정을 통해 확인하였다. In this thesis, a dielectric resonator oscillator (DRO) has been designed and fabricated for Ku-band (12.4-18 GHz) microwave system of satellite communication system. The employed dielectric resonator has a dielectric constant of 38 and a quality factor (Q) of 42,000. A voltage controlled dielectric resonator oscillator (VCDRO) has been designed with DRO and varactor diode to realize a phase locked dielectric resonator oscillator (PLDRO). A sampling phase detector and 10MHz crystal oscillator will be utilized in a PLDRO. The fabricated DRO has a center frequency of 13.64 GHz and an output power of -2.72dBm. It also has a good frequency stability. Therefore, it is expected that the DRO designed in this thesis will be successfully utilized in the design of a PLDRO in a near future.

핵 내 및 세포질 유전체 정보를 이용한 감자 야생종의 특이적 분자마커 개발

손서연 대구대학교 대학원 2024 국내석사

멕시코에서 자생하는 Solanum pinnatisectum과 아르헨티나 북서부에서 자생하는 S. kurtzianum, S. vernei는 다양한 병해충과 환경 스트레스에 대한 저항성을 가지고 있어 감자의 신품종 육성을 위한 중요한 재료로 활용되고 있다. 하지만 재배종 감자와 서로 다른 배수성과 EBN으로 인해, 이들 야생종과 직접적인 교배로 신품종을 육성하기가 어려운 실정이다. 이러한 생리적 장벽을 극복하기 위해 체세포 융합이 하나의 방법이 될 수 있으며, 체세포 융합 이후 분자마커를 이용하여 육종에 활용할 수 있는 적절한 체세포 융합체 선발이 필요하다. 본 연구에서는 NGS 기술을 이용하여 S. pinnatisectum, S. kurtzianum, S. vernei의 엽록체 전장 유전체를 완성하고, 이를 다른 Solanum 종들과 비교해 각각의 특이적인 분자마커를 개발하였다. 또한, NCBI에 등록된 Solanum 종들의 핵 내 및 미토콘드리아 유전체 정보를 활용하여 재배종 감자 S. tuberosum과 구별되는 분자마커를 개발하였다. 완성된 엽록체 전장 유전체는 3개의 야생종 모두 다른 Solanum 종들과 비교하였을 때 유전체 길이와 구조, 유전자의 개수와 순서 등이 유사하게 나타났으며, 계통수 분석에서도 그 유연관계가 근접한 것을 확인하였다. 핵 내 및 엽록체, 미토콘드리아의 유전체 정보를 이용한 다중정렬의 결과로 각각 다수의 특이적인 InDel과 SNP 영역을 구명하였다. 최종적으로 엽록체 유전체 정보를 이용하여 각각의 야생종에 대해 PCR 기반의 S. pinnatisectum 특이적인 분자마커 6개, S. kurtzianum 특이적인 분자마커 5개, S. vernei 특이적인 분자마커 5개를 개발하였고, 미토콘드리아 유전체 정보를 이용하여 각각의 야생종들과 S. tuberosum을 구별할 수 있는 5개의 PCR 기반의 분자마커를 개발하였다. 또한 핵 내 유전체 정보를 이용하여 야생종들과 S. tuberosum을 구별할 수 있는 10개의 PCR 기반의 분자마커를 개발하였다. 본 연구의 결과는 Solanum 종을 대상으로 한 진화적 측면과 3개의 야생종을 이용한 감자 신품종 육성 연구에 기여할 수 있을 것이다. Solanum pinnatisectum originates from Mexico, and S. kurtzianum and S. vernei originate from the northwestern Argentina. These three wild Solanum species are important genetic resources for developing new potato cultivars due to their resistance to diverse biotic and abiotic stresses such as drought, late blight, potato leafroll virus, Colorado potato beetle, blackleg, potato cyst nematodo, potato virus X and potato virus Y. However, there are sexual reproduction barriers between these wild species and cultivated potatoes due to differences in their ploidy levels and Endosperm Balanced Number (EBN) values. To overcome this problem and to introgress the novel traits from these three wild species into cultivated potatoes, cell fusion can be used. After that, it is necessary to select suitable somatic fusion hybrids using molecular marker. In this study, the chloroplast genome sequences of S. pinnatisectum, S. kurtzianum, and S. vernei obtained by using NGS sequencing technology were compared with those of other Solanum species and three wild species-specific marker based on the chloroplast genome sequences were developed. Comparing the chloroplast genomes of these three wild species with those of other Solanum species revealed their similar structure, length, gene number, and composition. These results are also identified by phylogenetic analysis where they are closely related. Sequence alignments of nucleic and cytoplasmic genomes identified many specific InDel and SNP regions. Finally six, five and five PCR markers specific to S. pinnatisectum, S. kurtzianum, S. vernei, respectively were developed based on the chloroplast genome sequences. We also developed markers that distinguish S. tuberosum from these three wild species using nucleic and mitochondrial genome sequences of Solanum species available in NCBI. Five and ten PCR markers based on the mitochondrial and nucleic genome sequences that distinguish S. tuberosum from these three wild species were developed, respectively. The results obtained in this study will aid in exploring evolutionary aspects of Solanum species and accelerating potato breeding using these three wild species.