Original Research Article

The Korean Journal of Crop Science. 1 December 2021. 350-357
https://doi.org/10.7740/kjcs.2021.66.4.350

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 재료 및 방법

  •   실험 재료

  •   이미지 촬영

  •   이미지분석

  • 결과 및 고찰

  • 적 요

서 론

최근 작물 유전체의 정보를 획득하는 기술이 비약적으로 발전하고, 이를 전통적인 표현형지표와 연결시켜 작물육종에 활용하는 표현체학의 중요성이 대두되고 있다(Kim et al., 2015). 표현체학은 유전체의 정보화 표현형을 시스템적으로 분석하는데, 이를 위해서는 작물 표현형 정보의 수집과 디지털화가 요구된다.

이 연구에는 다양한 종피 색깔을 나타내는 것으로 알려진 작물인 강낭콩(Phaseolus vulgaris L.)의 이미지 데이터를 이용하여 종피색을 분석하고자 한다. 강낭콩은 콩과에 속하는 1년생 덩굴식물로, 세계 각지에 분포하고 있는 작물이다. 강낭콩은 영양적으로 매우 중요한 두과작물로 칼로리와 단백질의 원천이며 전 세계적으로도 중요한 작물이다(McClean et al., 2012). 우리나라에서도 재배 규모가 크지는 않으나, 전국적으로 폭넓게 재배되고있으며, 종피색이 매우 다양한 작물로 알려져 있다(Lee et al., 2012; Park, 1986).

강낭콩의 경우, 종피색에 따라 다양한 특징을 지닌다는 사실이 선행 연구를 통해 잘 알려져 있다. 각 강낭콩 유전자원의 종피 내 폴리페놀 함량이 다르며 이에 따른 항산화 활성이 다르다는 것은 이미 보고된 바 있고(Kan et al., 2016; Park et al., 2014), 종피색에 따라 흑색종과 백색종은 단백질 함량이 높고, 적색종은 단백질 함량이 낮은 것으로 보고한 연구도 있다(Park & Jo, 1995). 또한 종피색에 따른 Isoflavone 함량이 달라 이를 나누어 용도별로 사용할 것을 제안한 연구도 존재한다(Cho et al., 2007). Anthocyanin 은 종피 색깔에 관여하며(Hu et al., 2015), cyanidin 3,5-diglucoside, delphinidin 3-glucoside, cyanidin 3-glucoside, petunidin 3-glucoside, 과 pelargonidin 3-glucoside를 포함한 5개 주요 anthocyanin이 강낭콩의 종피에 함유되어 있다고 보고되어 있다(Choung et al., 2003). 위 5 개 주요 anthocyanin 들은 pH에 따라 색이 변하지만 대표적으로는 cyanidin 3,5-diglucoside은 파란색에서 초록색, delphinidin 3-glucoside은 푸른빛이 도는 붉은색, cyanidin 3-glucoside은 붉은색에서 푸른색, petunidin 3-glucoside은 붉은색, 그리고 pelargonidin 3-glucoside은 붉은색에서 보라색 색상을 나타낸다고 알려져 있다.

지금까지 알려진 정보들을 정리하고, 강낭콩의 이미지 데이터를 응용하여 HTML 색도표에 일치시킨다면, 각 강낭콩 종피에 들어있는 색소를 직접 분석하지 않고도 높은 정확성으로 예측하는 것이 가능할 것이다. 강낭콩이 사용되는 국가나 산업에 따라 선호하는 색깔이 다르다(Lee et al., 2012; Lee et al., 2013; Seo et al., 2016). 이 색에 영향을 미치는 요소 중 하나가 anthocyanin이며, 선호도에 따른 육종을 실시할 경우, 수많은 육종 대상에 대해 HPLC를 이용하여 색소를 검증해 보는 것보다, 강낭콩 이미지 데이터를 운용하여 선호하는 색을 찾아내고, 육종에 이용하는 것이 빠르고 직관적이라는 장점을 가지고 있다. 하지만 강낭콩의 종피색 정보를 디지털화하여 연구하고 기존 데이터와 융합하거나, 이를 응용하려는 시도는 현재까지는 제한적인 상황이다.

따라서 본 연구는 수집한 200 자원의 강낭콩 유전자원의 종피 색깔을 분석하여 HTML색 도표에 위치시켜 강낭콩 종피색의 특징을 세분화하고, 종피 내 성분을 예측하는 한편, 종피색의 분류에 따른 응용 방법을 모색하려고 한다.

재료 및 방법

실험 재료

농촌진흥청 국립농업과학원 농업유전자원센터의 씨앗은행 홈페이지에서 제공하는원산지 및 종자 사진 정보를 비교하여 다양한 강낭콩 유전자원(200자원)을 분양받아 실험에 사용하였다.

이미지 촬영

강낭콩 200 자원을 촬영하기 위해서 카메라(SONY α6000), 카메라 렌즈(SONY SEL30M35 E 30 mm F3.5 Macro)를 이용하여 장치를 제작하였고 F.와 같이 촬영된 이미지에서 RGB/CMYK 색상표는 이미지을 분석할 때 바뀌는 조명 등 환경요소와 비교하여 오차를 줄이기 위해서 사용되었다.

이미지분석

촬영된 이미지을 분석하기 위해 ImageJ (ver. 1.53j, USA) 프로그램을 이용하여 강낭콩 종피 이미지의 RGB 스펙트럼 디지털 결과를 확보하여 강낭콩 종피의 색분포를 확인하기 위하여 기존 웹상에서 많이 활용되고 있는 HTML과 비교하기 위하셔 HTML 색도표로 변환하였다.

결과 및 고찰

이 연구에서는 200 자원의 강낭콩 유전자원의 종피색을 분석하였다(Table 1). Fig. 1에는 이 200자원의 강낭콩 유전자원의 종피색의 분포가 나타나 있다. 강낭콩 종피색은 총 7가지 색 계열에 분포하며, 각 색깔별 농도에 대해서도 각기 다른 분포를 보이고 있다(Fig. 1). 각각 연두색, 노란색, 갈색, 빨간색, 흰색, 회색, 남색의 분포를 보이는데, 빨간색에서 농도별로 가장 많은 분포를 보이며, 회색과 연두색은 농도별 분포를 보이지 않고 한가지 색에 몰리는 것을 확인할 수 있다(Fig. 2 and Table 2). 강낭콩 종피 색에 따른 색소의 분포는 연두색 강낭콩은 클로로필, 노란색 강낭콩은 카로티노이드 색소가 많이 포함된 것으로 알려져 있다(Monma et al., 1994). 또한 갈색, 빨간색, 흰색, 회색 그리고 남색은 안토시아닌 색소가 주로 포함된 것으로 보고되었다(Choung et al., 2003; Mojica et al., 2017). 같은 종피색 내에서 색 농도의 차이는 색이 짙어질수록 많은 색소를 포함할 것이라고 예측할 수 있다.

Table 1.

Common bean (Phaseolus vulgaris L.) genetic resources.

Origin BGR CHN KOR GEO UKR SLV Sum
53 41 34 38 29 5 200

/media/sites/kjcs/2021-066-04/N0840660409/images/kjcs_66_04_09_F1.jpg
Fig. 1.

Images of common beans (Phaseolus vulgaris L.) provided on the Homepage (genebank.rda.go.kr) of the National Agrobiodiversity Center. BGR = Bulgaria; CHN = China; KOR = Korea; GEO = Geogia; UKR = Ukraina; SLV = El Salvador.

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Fig. 2.

Photographing device and the obtained image. The color chart beside the sample is used as the control for color to minimize environmental changes.

Table 2.

Distribution of common bean seeds by color.

Color Light green Yellow Brown White Gray Indigo
8a 24 36 8 54 29

aThe number of bean seed categrilized by the color.

강낭콩 유전자원의 종피색을 HTML 색 도표를 이용하여 Fig. 3과 같이 객관적인 지표를 이용하여 나타내면, 주관적인 기준으로 색을 나타낸 것에서 벗어나 종피색을 객관적인 기준으로 표현하는 것이 가능하다. 이렇게 종피의 색을 나타내면 크게 두가지 이점이 생긴다. 첫째는, 유전자원의 관리와 육종, 재배에 응용이 가능하다는 것이다. 수집한 유전자원의 색을 객관적인 기준으로 표현하는 것이 가능하기때문에 세밀한 관리가 가능하다. 두번째로는 마케팅적인 측면에서 소비자에게 상품에 대한 정보를 객관적으로 전달하는 것이 가능하다. 소비자에게 본인이 소비하는 콩이 정확히 어떤 색이며, 무슨 색소가 포함하는지에 대한 정보를 제공하는 것이 가능하며, 이를 통해 다양한 기호를 파악하여 시장에서 우위를 점할 수 있다. 연구 결과에 의하면, 국가별 강낭콩 종피색의 분포가 다른데, 이는 국가간 선호도와 사용 용도에 따른 차이라는 것이 알려져 있으며(Lee et al., 2012), 콩으로 앙금을 만들 때, 적앙금과 백앙금으로 나뉘는데 이는 원료콩의 색깔에 영향을 받는다고 한다(Seo et al., 2016). 또한 두부를 만들 때에도 마찬가지로 원료콩의 안토시아닌 성분에 의해 두부 색의 뚜렷한 변화가 나타난다(Lee et al., 2013). 국가별로 선호하는 색이 다르기도 하고, 만들고자 하는 제품마다 선호하는 색이 다르므로 강낭콩 종피색에 선호도를 조건에 따라 정밀하게 파악하고 육종이나 판매전략에 응용할 수 있을 것이다.

/media/sites/kjcs/2021-066-04/N0840660409/images/kjcs_66_04_09_F3.jpg
Fig. 3.

HTML color chart corresponding to the highest peak value of the RGB spectrum. The seed image is analyzed for RGB digital results and transferred to the HTML color code.

또한 강낭콩을 이용한 연구는 다른 종피에 색깔을 가진 종자 식물에도 쉽게 적용될 수 있다. 예를 들어, 재래종 팥에서도 종피색을 조사 해 본 결과 다양한 색을 나타내는 것이 알려져있으며(Rho et al., 2003), 이 연구 방법과 마찬가지로 HTML 색도표를 이용하여 종자 색의 분포를 확인(Fig. 4)하고 이를 응용하여 유전자원 관리 및 마케팅에 응용하는 것이 가능하다.

/media/sites/kjcs/2021-066-04/N0840660409/images/kjcs_66_04_09_F4.jpg
Fig. 4.

HTML color chart matched to the bean seed color. The color change in the chart matches the color change of the bean seeds from the lightest to the darkest. The largest variable is shown at red by 10 levels; accordingly, the other colors also represent 10 levels of color changes.

강낭콩의 이미지 데이터를 HTML 색도표에 적용하여 분석한 결과 종피색을 객관적으로 표현할 수 있었고, 이에 따라 종피 내 색소를 예측해 볼 수 있다. 추가 연구를 통해 이 예측이 실제와 일치하는지 확인해보아야 할 것이다. 또한, 색도표에 적용한 강낭콩 이미지 데이터의 효율적인 이용 방법에 대해서도 더욱 심도있게 모색해 봄은 물론 다른 유색 종피작물에도 이 방법을 응용한다면 효율적인 유전자원 이용에 도움이 될 것이다.

적 요

본 연구의 목적은 수집한 200 자원의 강낭콩 유전자원의 종피 색깔을 분석하여 HTML색 도표에 위치시켜 강낭콩 종피색의 특징을 세분화하고, 종피 내 성분을 예측하는 한편, 종피색의 분류에 따른 응용 방법을 모색하는 것이다. 다양한 종피색을 나타내는 것으로 알려진 강낭콩 이미지 데이터를 HTML 색도표를 이용해 객관화시켰다. 이를 통해 강낭콩 유전자원의 종피색은 크게 연두색, 노란색, 갈색, 빨간색, 흰색, 회색, 그리고 남색 총 7개 색상에 분포한다는 것을 확인했다. 또한 종피색이 각 색상별 농도에 따른 분포를 보인다는 것도 확인할 수 있었다. 강낭콩 종피는 붉은색에서 농도별 분포가 가장 많았고, 회색과 연두색은 농도별로 분포를 보이지 않고 한가지 색에만 분포했다. 이와 같이 색깔별로 분포하는 것을 기준으로 하여 우점하고 있는 색소를 예측하자면, 연두색 강낭콩은 클로로필, 노란색 강낭콩은 카로티노이드, 갈색, 빨간색, 흰색, 회색 그리고 남색은 안토시아닌 색소가 종피 색깔에 영향을 많이 주고 있는 색소임을 예측할 수 있었다. 이렇게 색상을 객관적으로 나타내면, 종피색에 따른 체계적인 유전자원의 관리와 육종, 재배에 응용이 가능하며, 정밀한 색 분별을 통한 기호 분석을 통해 마케팅에 응용하거나 원하는 색의 제품 생산에 이용할 수 있다. 이러한 방법은 팥과 같은 다양한 종피색을 가진 타 작물에서도 적용될 수 있다.

Supplementary Material

Acknowledgements

본 논문은 농촌진흥청 연구사업(세부과제명 : 국가유전자원의 종자 영상 측정 표준 및 표현형 분석 프로토콜 개발, 세부 과제번호 : PJ01419902)의 지원에 의해 이루어진 것임.

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