서 론
재료 및 방법
시험재료
농업형질 특성 조사
찰옥수수 종실의 조단백질과 총 전분 함량 분석
통계분석
결과 및 고찰
찰옥수수 자식계통의 농업형질 특성
찰옥수수 자식계통과 농업형질 특성 간의 상관관계와 주성분 분석
적 요
서 론
찰옥수수(Zea mays L., Waxy corn)는 waxy1 (wx1) 유전자의 돌연변이 열성 동형 대립유전자를 가지고 있는 옥수수로 쫄깃함, 부드러움, 향미를 가지고 있기 때문에 동아시아와 동남아시아에서 간식용으로 널리 소비되고 있다(Gong & Chen, 2013; Simla et al., 2010). 일반 옥수수에서 wx1 유전자는 Granule-Bound Starch Synthase I (GBSS I)을 발현하여 amylose를 합성하는데, 단일 열성 유전자 wx1을 가지는 찰옥수수는 GBSS I 단백질이 불활성 되어 옥수수 종실 전분의 대부분이 amylopectin으로 구성된다(Nelson & Pan, 1995; Yu & Moon, 2021). 지금까지 waxy 유전자 돌연변이는 50가지 이상 발견되었으며 이는 찰옥수수에 유전적 다양성이 있음을 보여준다(Wu et al., 2022).
우리나라에서 찰옥수수는 쌀이나 보리의 재배가 어려운 산간 지역에서 식량 대용으로 재래종이 재배되어 왔다. 1975년에 수집된 유전자원으로 옥수수 육종 연구가 시작되었으나 당시에는 종실용 옥수수가 주된 수요였기 때문에 연구가 집중적으로 이루어지지 않았다(Baek et al., 2020). 본격적인 찰옥수수 품종 연구는 1989년에 국립식량과학원에서 ‘찰옥1호’를 개발하며 보급하면서 시작되었다(Park et al., 1992). 그 후 ‘연농1호’, ‘찰옥2호’, ‘두메찰’, ‘찰옥4호’, ‘일미찰’, ‘미백2호’ 등 흰색 찰옥수수 품종이 개발되었고, 2000년대 이후 건강 및 기능성 식품에 대한 대중들의 관심이 높아져 안토시아닌이 함유된 유색 찰옥수수 ‘얼룩찰1호’, ‘흑진주찰’, ‘미흑찰’, ‘흑점2호’, ‘장수흑찰’, ‘청춘찰’ 등이 개발되었다(Baek et al., 2020). 2010년대에는 수요자가 직접 육종에 참여하여 지역특화용으로 육성된 카로티노이드 함량이 높은 노랑찰옥수수 ‘황금맛찰’이 개발되었다(Lee et al., 2020). 최근 대중들의 건강과 기능성 식품에 대한 관심의 증가로 고품질, 기능성 품종의 개발이 요구되고 있다.
고품질, 기능성 품종 개발에 있어 다양한 육종 소재의 수집과 농업 특성 조사, 유전적 다양성 평가는 작물의 유전자원 보전과 유지를 위해 중요하며 육종 프로그램에 유용하게 이용할 수 있다(Almeida et al., 2022). 간식용 찰옥수수 품종은 일반적으로 출사기, 쓰러짐, 병해충 피해, 착수고율 등의 생육 특성과 이삭길이, 끝달림률, 상품이삭수 등의 이삭 특성과 같은 농업형질을 기준으로 선발이 이루어진다. 이러한 농업적 특성을 평가하는 방법 중 다변량 분석법(multivariate analysis)은 초기 육종 프로그램에서 작물의 다양한 농업적 형질을 평가하고 분석하는 데 유용한 방법이다(Barth et al., 2022). 특히 주성분 분석(principal components analysis)이나 계층 군집 분석(hierarchical clusters analysis)은 서로 다른 농업적 특성 정보를 단일 값으로 또는 그래픽으로 표현하여 많은 농업적 형질을 비교하고 분류하는 데 이용된다(Barth et al., 2020). 옥수수는 타식성 작물로 현재 등록된 품종 대부분이 단교잡종이다. 잡종강세를 이용하는 육종 프로그램에서 육종 효율을 높이기 위해서는 자식계통의 특성 평가가 선행되어야 한다.
따라서 본 연구에서는 국립식량과학원에서 육성한 흰찰옥수수, 노랑찰옥수수, 검정찰옥수수 자식계통의 농업형질 특성을 평가하여 우수 계통 선발 및 고품질 품종 개발을 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.
재료 및 방법
시험재료
본 연구에 이용된 찰옥수수 자식계통은 흰찰옥수수 84계통, 노랑찰옥수수 47계통, 검정찰옥수수 46계통으로 국립식량과학원에서 찰옥수수 품종 개발을 위해 육성한 계통이다(Table 1).
Table 1.
List of the Korean waxy corn inbred lines evaluated for agronomic characteristics.
농업형질 특성 조사
본 연구는 국립식량과학원 중부작물부 시험연구포장(경기도 수원시, N126°58′E37°15)에서 수행되었다. 2021년 4월 29일에 파종하여 농촌진흥청 농업과학기술 연구조사 분석 기준(RDA, 2012)에 따라 재배 관리를 하였다. 재식 거리는 60×25 cm로 하였고, 비료는 15-3-6-2,000 kg/10a (N-P2O5-K2O-퇴비)을 시용하였다. 16개 농업형질에 대한 정보는 Table 2에 나타내었으며, 농업형질 특성 조사는 농촌진흥청 농업과학기술 연구조사 분석 기준에 따라 생육 시기별로 3개체씩 조사하였다(RDA, 2012).
Table 2.
Agronomic characteristics analyzed in this study.
찰옥수수 종실의 조단백질과 총 전분 함량 분석
수확 후 건조한 찰옥수수 종실을 분쇄기로 갈아 분석시료로 사용하였으며 모든 실험은 3 반복으로 수행하였다. 조단백질 함량은 TruMac N Analyzers (Leco, Michigan, USA)를 이용하여 시료 0.5 g을 칭량하여 듀마스법(combustion method)로 정량하였다(Etheridge et al., 1998). 총 전분 함량은 시료 100 mg을 칭량하여 total starch assay kit (Megazyme, Wicklow, Ireland)로 전처리 후 UV/Vis spectrometer (U-3900, Hitach, Japan)로 510 nm에서 측정하여 정량하였다.
통계분석
모든 조사 값은 평균±표준편차로 나타내었으며, 조사된 각 계통의 농업적 형질 특성은 R 기반 통계 패키지인 JAMOVI v1.2.27 (jamovi.org)로 기초 통계량, 분산분석(ANOVA), 상관관계분석을 수행하였다. 주성분 분석은 Varimax 방법을 적용하여 분석하였다. 계층 군집분석, Scores plot, loadings plot은 웹 데이터 베이스 기반 통계분석 프로그램인 MetaboAnalyst5.0 (http://www.metaboanalyst.ca)을 이용하여 나타내었다(Pang et al., 2022).
결과 및 고찰
찰옥수수 자식계통의 농업형질 특성
조사한 177개 찰옥수수 자식계통의 16개 농업형질별 조사결과는 Fig. 1에 나타내었다. 흰찰옥수수 집단의 출웅일수는 56~97일에 걸쳐 있었으며 평균 77±7일로 노랑찰옥수수 집단과 검정찰옥수수 집단보다 1~2일 정도 출웅일수가 빨랐다(Fig. 1A). 출사일수는 흰찰옥수수 집단에서 60~99일에 걸쳐 있었으며 평균 80±8일로 출웅일수와 마찬가지로 노랑찰옥수수와 검정찰옥수수 집단 보다 1~3일 빠르게 나타났다(Fig. 1B). 평균 초장은 흰찰, 노랑찰, 검정찰옥수수 집단에서 163.8±23.1 cm, 168.6±22.6 cm, 163.1±21.7 cm로 세 집단에서 유의미한 차이를 나타내지 않았다(Fig. 1C). 평균 간장은 흰찰옥수수 집단 123.8±25.2 cm, 노랑찰옥수수 집단 127.4±23.9 cm, 검정찰옥수수 집단 123.3±24.3 cm로 초장과 마찬가지로 집단 간에 통계적으로 유의미한 차이를 나타내지는 않았다(Fig. 1D). 평균 착수고율은 검정찰옥수수 집단이 54.0±9.3%로 흰찰 47.8±8.7%, 노랑찰 47.5±7.8% 보다 다소 높게 나타났다(Fig. 1E). 착수고율은 옥수수 도복에 관여하는 중요한 형질로 내도복성이 강한 계통들은 착수고율이 50% 내외인 것으로 알려져 있다(Ryu et al., 2001). 평균 엽폭은 흰찰옥수수 7.3±1.5 cm, 노랑찰옥수수 7.7±1.4 cm, 검정찰옥수수 7.7±1.3 cm였으며 최소 3.7 cm에서 최대 12.3 cm로 넓은 분포 범위를 보였다(Fig. 1F). 엽폭은 식물체의 광합성과 연관되어 이삭 수량에 영향을 미칠 수 있으므로 옥수수 육종 프로그램에서 고려해야 할 주요 형질 중 하나이다(Baute et al., 2015).
Fig. 1.
Boxplots for 16 quantitative traits in inbred Korean white waxy corn (WWC), yellow waxy corn (YWC), and purple waxy corn (PWC) lines. Significant differences are identified between samples as *p < 0.01, **p < 0.005, and ***p < 0.001. Plots show: (A) days to tasseling; (B) days to silking; (C) plant length; (D) stem length; (E) percentage of ear setting height; (F) leaf width; (G) ear length; (H) ear width; (I) number of rows per ear; (J) grain length; (K) grain width; (L) grain thickness; (M) filled ear length; (N) number of kernels per row; (O) crude protein; and (P) total starch.
찰옥수수 계통 선발 시 이삭특성은 중요한 농업형질이다. 이삭길이는 5.0~18.4 cm로 분포하였고 평균 이삭길이는 흰찰옥수수 11.4±2.5 cm, 노랑찰옥수수 12.3±2.7 cm, 검정찰옥수수 11.7±2.3 cm였다(Fig. 1G). 이삭폭은 1.4~4.5 cm의 범위였고, 이삭 열수는 7~32열의 분포를 보였다(Fig. 1H, 1I). 종자의 평균 길이는 노랑찰옥수수가 8.1±1.1 cm로 흰찰옥수수 7.5±1.1 cm, 노랑찰옥수수 7.8±1.0 cm 보다 길이가 길게 나타났다(Fig. 1J). 종자의 평균 너비 역시 노랑찰옥수수가 7.7±0.8 cm로 흰찰옥수수 7.3±0.8 cm, 검정찰옥수수 7.4±0.9 cm 보다 길게 나타났다(Fig. 1K). 종자의 평균 두께는 흰찰옥수수 5.2±0.6 mm, 노랑찰옥수수 5.1±0.7 mm, 검정찰옥수수 4.7±0.7 mm였다(Fig. 1L). 이삭 평균 열당 종자수는 검정찰옥수수가 25.9±3.4개로 흰찰옥수수 23.0±4.2개, 노랑찰옥수수 25.0±4.2개로 검정찰옥수수의 평균 열당 종자수가 가장 많았다(Fig. 1N). 옥수수 종실의 조단백질 함량은 8.9~21.8%의 분포를 보였고, 평균 조단백질 함량은 흰찰옥수수 12.2±1.3%, 노랑찰옥수수 12.0±1.9%, 검정찰옥수수 11.7±1.4%였다(Fig. 1O). 총 전분 함량은 49.5~83.9%의 분포였고, 평균 총 전분 함량은 검정찰옥수수가 71.2±6.1%로 흰찰옥수수 69.0±4.8%, 노랑찰옥수수 67.8±6.4% 보다 다소 높은 경향을 나타내었다(Fig. 1P).
찰옥수수 자식계통과 농업형질 특성 간의 상관관계와 주성분 분석
흰찰옥수수 84계통, 노랑찰옥수수 47계통, 검정찰옥수수 46계통과 16개의 양적형질간의 상관관계 분석을 수행하였다(Table 3). 출웅일수와 출사일수 간의 상관관계가 0.896으로 가장 높게 나타났으며, 초장과 간장 간의 상관관계가 0.740으로 다음으로 높게 나타났다. 이삭착립장과 이삭 열당 종자수도 0.675로 상관관계가 비교적 높게 나타났다. 조단백질 함량과 총 전분은 종실의 중요한 특성 중 하나인데 조사된 16개 양적형질 대부분과 낮은 부의상관관계를 나타내었다. 이전 연구에서 옥수수 양적형질 중 수량과 높은 정의 상관관계를 나타내는 것은 간장, 착수고, 이삭, 종실 관련 형질로 알려져 있다(Alvi et al., 2003; Bocanski et al., 2009).
Table 3.
Correlation analysis among 16 agronomic traits of the Korean waxy corn inbred lines.
주성분 분석에서 고유값(Eigenvalue)이 1보다 큰 성분이 변수 한 개 이상의 분산을 설명하기 때문에 일반적으로 고유값이 1보다 큰 성분을 추출하여 분석을 수행하게 된다(Lee & Park, 2003). 본 연구에서는 1~6성분이 1보다 큰 값을 가져 이 6개 성분을 추출하여 분석을 수행하였다. 주성분 기여율에서 1~6성분이 전체 변이의 74.78%를 나타내었다(Table 4). 제1성분은 16개의 양적형질 중 이삭폭, 종자길이, 이삭길이가 양의 방향으로 0.818, 0.787, 0.605로 작용한 것으로 보아 이삭크기와 관련된 성분이었고, 제2성분은 출웅일수, 출사일수, 착수고율이 0.929, 0.918, 0.671로 양의 방향으로 크게 기여한 것으로 보아 개화일수와 관련된 성분이었다(Table 5). 반면 총 전분은 제1성분에서 -0.478로 음의 방향으로 크게 기여하는 것으로 나타났다. 분석에 이용한 16개의 농업형질 중에서 이삭폭, 종자길이, 이삭길이, 출웅일수, 출사일수, 착수고율, 총 전분이 177개의 계통을 식별하는데 유용한 형질들인 것으로 보인다.
Table 4.
The eigenvalue estimated from principal component analysis.
Table 5.
The eigenvector by the first to six principal components.
주성분 분석 결과를 바탕으로 score plot과 loading plot을 그렸고 이를 Fig. 2에 나타내었다. 16개의 농업형질 중에서 조단백질, 총 전분, 종자두께는 loading plot의 좌측 하단에 위치하였으며, 이삭열수, 이삭폭, 종자길이, 착수고율, 이삭길이는 우측 상단에 위치하였다. 우측 하단에는 이삭착립장, 종자너비, 열당 종자수, 초장, 간장이 위치하였다. 제2성분에서 양의 방향으로 크게 기여하였던 출웅일수와 출사일수는 loading plot 우측 상하 경계에 위치하였다(Fig. 2B).
16개 농업형질과 자식계통간의 계층 군집분석에서 시험계통들은 크게 두개 그룹으로 나누어 졌다(Fig. 3). KW100, KW103, KBW17, KY11 등을 포함하는 32개 자식계통은 초장, 간장과 연관성이 높았으며, KW56, KW88, KY44 등을 포함하는 42개 자식계통은 조단백 함량, 종실 두께와 연관성이 높게 나타났다. 출웅일수, 출사일수와 연관이 높은 계통은 KW2, KW92, KBW28 등 55개 계통이었으며, group Ⅱ에 포함된 자식계통들이 주성분 분석에서 계통을 식별하는데 유용한 양적형질인 이삭길이, 이삭폭, 출웅일수, 출사일수 등과 연관성이 높게 나타났다. 일반적으로 수량성과 정의 상관을 나타내는 초장이 크고 동시에 출사일수가 짧은 흰찰 자식계통 7개(KW34, KW37, KW83, KW84, KW85, KW100, KW103), 검정찰 자식계통 1개(KBW33), 노랑찰 자식계통 4개(KY11, KY23, KY26, KY34)는 조생종이면서 수량이 높은 품종을 개발하는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
간식용 찰옥수수 품종 육성에서 가장 중요한 형질은 찰옥수수의 찰진 식감과 맛이지만 이는 개인의 기호가 많이 반영되는 영역이기 때문에 많은 집단을 대상으로 식미평가가 이루어져야 한다는 어려움이 있다. 맛이 우수하더라도 수량성이 떨어지고 생육특성이 나쁘면 좋은 품종을 생산할 수 없다. 그러므로 본 연구가 우수계통육성과 신규교배조합 구성에 유용한 정보를 제공하여 고품질 찰옥수수 품종 개발을 위한 기초자료로 유용하게 사용될 수 있다.
적 요
본 연구는 국립식량과학원에서 고품질 내재해성 찰옥수수 품종 개발을 위해 육성한 177개의 흰찰옥수수, 노랑찰옥수수, 검정찰옥수수 자식계통을 이용하여 16개 농업형질에 대해 평가하여 우수 계통 선발 및 품종 개방을 위한 기초 자료로 이용하고자 수행하였다.
1. 흰찰옥수수, 노랑찰옥수수, 검정찰옥수수 자식계통의 16개 농업형질을 조사한 결과 전체 계통의 평균 출웅일수는 77.69±2.22일, 출사일수 81.12±7.56일, 초장 164.88±22.67 cm, 간장 124.61±24.62 cm, 착수고율 49.34±9.08%, 옆폭 7.53±1.45 cm, 이삭길이 11.75±2.52 cm, 이삭폭 2.94±0.68 cm, 이삭열수 12.22±2.22열, 종자길이 7.75±1.08 mm, 종자너비 7.42±0.68 mm, 종자두께 5.06±0.68 mm, 이삭착립장 11.79±2.13 cm, 열당 종자수 24.30±4.22립, 조단백질 12.05±1.53%, 총 전분 69.27±5.74%로 조사되었다.
2. 16개 농업형질 간의 상관관계 분석결과 출웅일수와 출사일수 간의 상관관계가 0.896으로 가장 높게 나타났다. 초장과 간장 간의 상관관계가 0.740로, 이삭착립장과 이삭 열당 종자수도 0.675로 상관관계가 다음으로 높았다.
3. 주성분 분석 결과 16개의 농업형질 중에서 이삭폭, 종자길이, 이삭길이, 출웅일수, 출사일수, 착수고율, 총 전분이 177개 옥수수 자식계통을 식별하는데 유용한 형질들인 것으로 나타났다.
4. 계층 군집분석을 통해 초장이 크고 동시에 출사일수가 짧은 흰찰 자식계통 7개(KW34, KW37, KW83, KW84, KW100, KW103), 검정찰 자식계통 1개(KBW33), 노랑찰 자식계통 4개(KY11, KY23, KY26, KY34)를 선발하였다. 이 계통들은 수량성이 높은 조생종 찰옥수수 품종을 개발하는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
