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ABSTRACT

Contents

List of Abbreviations 11

1. INTRODUCTION 12

1.1. Ginseng cultivation in different environments 13

1.2. Genetic studies on ginseng 14

2. PART I. Isolation of total RNA from Panax ginseng C.A. Meyer 16

2.1. Materials and Methods 17

2.1.1. Plant materials 17

2.1.2. RNA preparation 20

2.2. Results and Discussion 22

3. PART II. De novo RNA sequencing and assembly 29

3.1. Materials and Methods 30

3.1.1. RNA sequencing 30

3.1.2. De novo assembly and clustering 31

3.1.3. Analysis of homogeny and gene function 34

3.2. Results and Discussion 35

3.2.1. De novo assembly and validation of Illumina paired-end sequences 35

3.2.2. Gene cluster analysis and identification of novel transcripts from the ginseng RNA-Seq sequences 40

4. PART III. Analysis of differentially expressed genes 43

4.1. Materials and Methods 44

4.1.1. Functional annotation of P. ginseng unigenes 44

4.1.2. Expression profiling 45

4.1.3. Pathway assignment with KEGG 46

4.2. Results and Discussion 47

4.2.1. Functional annotation and classification 47

4.2.2. Gene expression profiling 49

4.2.3. Pathway assignment by KEGG 54

5. CONCLUSION 57

References 61

APPENDIX. The list of differentially expressed genes 70

국문초록 120

List of Tables

Table 1. Yield and purity of RNA extracted from roots of Panax ginseng by different protocols. 26

Table 2. Summary statistics of the FCG and MCG sequencing by Illumina... 37

Table 3. Trinity assembler unigene assembly statistics. 38

Table 4. Identified genes putatively related to the starch and sucrose metabolism pathway. 56

List of Figures

Figure 1. Panax ginseng C.A. Meyer cultivated in different environments. 18

Figure 2. The collected location of Panax ginseng samples. 19

Figure 3. Ethidium bromide-stained 1.0% agarose gel analysis of total... 24

Figure 4. Trimmed reads and assembled unigene length distributions. 39

Figure 5. Consensus between the Blastx and InterProScan search results. 42

Figure 6. Functional classification of P. ginsengunigenes based on Gene Ontology (GO) annotation. 48

Figure 7a. Functional distribution of the 100 most highly expressed transcripts from FCG and MCG in the... 51

Figure 7b. Functional distribution of the 100 most highly expressed transcripts from FCG and MCG in the... 52

Figure 7c. Functional distribution of the 100 most highly expressed transcripts from FCG and MCG in the... 53

Figure 8. Pathway assignments based on the Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG). 55

초록보기

인삼은 다양한 질병의 예방 목적으로 아주 널리 사용되어온 한방 약용식물이다. 이러한 인삼은 그 재배방법에 따라 밭에서 재배한 인삼을 재배삼이라하고 산에서 재배한 인삼을 산양삼이라고 한다. 그러나 이렇게 다른 재배환경에 따라 발현되는 인삼의 유전자에 대한 연구는 아직 미미한 실정이다. 본 연구에서는 최근 차세대 염기서열분석(NGS; next generation sequencing) 분야에서 활발히 사용되고 있는 Illumina HiSeqTM2500 장비를 이용하여 재배환경이 다른 재배삼과 산양삼으로부터 다량의 염기서열을 생성하여 재배환경에 따른 유전자 발현의 차이를 분석하였다. 재배삼으로부터 약 770만개, 산양삼으로부터 약 870만개의 리드를 얻었다. De novo assembly방법을 이용하여 평균 길이가 1,171 bp인 256,032개의 조립된 유니진(unigenes)을 생성하였다. 이렇게 만들어진 유니진은 the non-redundant nucleotide database, the InterPro domains database, the Gene Ontology Consortium database 및 the Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes pathway database의 서열유사도와 비교하여 기능적 분류 등을 분석하였다. 재배삼과 산양삼에서 생성된 총 4,207개의 유전자가 유니진과 비교하여 각각의 발현정도의 차이를 보였으며 특히 Starch and sucrose 대사경로와의 관련성이 높았다. 본 결과로 재배환경이 다른 재배삼과 산양삼의 유전자 발현의 차이점이 Starch and sucrose 대사경로에서 나타났고 alpha-glucan phosphorylase 1, putative pectinesterase inhibitor 17, beta-amylase, 그리고 alpha-glucan phosphorylase isozyme H가 연관된 유전자였다.

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