• 재료 및 방법
• 결과 및 고찰
• 주요형질의 변이
• 주요형질간의 상관

최근 원유가격의 상승과 화석연료의 사용증가에 따른 이산화탄소 농도 증가로 인한 지구온난화 문제와 함께 환경파괴가 심화되어 환경친화적인 바이오에너지의 필요성이 대두되었고당, 전분, 셀룰로오스 등을 원료로 한 휘발유 대체 바이오에탄올이 주목받고 있다. 바이오에탄올은 옥수수, 사탕수수, 단수수, 고구마, 볏짚, 억새 등으로부터 만들 수 있으며 다양한 바이오에탄올 원료작물 가운데 최근 국내외적으로 관심을 받고 있는 작물 중 하나가 단수수다.

단수수(Sorghum bicolor (L.) Moench)는 화본과에 속하는 1년생 C₄작물로서 광합성 효율이 매우 높다(Liu & Wang, 2008). 단수수는 내건성과 지역적응성이 높고, 사탕수수가 브라질 등 열대지방에서 1년 내내 재배되는 데 비해 단수수는 우리나라와 같은 온대지방에서도 재배가 가능하며 생육기간이 4개월로 짧아 2기작 또는 동계작물과 이모작이 가능한 점, 종자로 번식하여 파종이 쉬우며 리그닌 함량이 낮은 줄기는 물론 곡실도 에탄올 생산에 활용되어 유리한 점 등 재배 장점이 많은 작물이다(Gibson, 2009). 단수수는 초장이 4 m 정도 자라며 용도가 다양하다(Gnasounou et al., 2005). 즉 낟알은 사람의 식량과 가축사료로 쓰이며 줄기는 즙액을 짜서 발효시키면 고품질의 바이오에탄올이 되고 부산물은 동물먹이로 활용된다(Dar, 2004). 단수수는 당질계 작물로서 전처리나 당화 공정이 필요없고 착즙한 후 바로 발효하여 에탄올을 생산할 수 있어 전분질계나 셀룰로오스계 바이오에탄올 생산에 비해 생산비가 저렴하다. 단수수는 당 함량과 생체수량이 높고(Liu et al., 2008; Bian et al., 2006; Carpita & McCann, 2008; Cundiff & Vaughan, 1987) 곡물가격에 미치는 영향이 적어 에탄올 생산원료로서 유망작물로 각광받고 있다.

우리나라는 과거 부족한 당분을 해결하기 위해 1965년부터 수년간 당원료 작물로 단수수 육종 및 재배 연구를 했으나 그 이후 장기간 중단되었다가 최근 바이오에탄올 원료작물로 단수수의 중요성이 부각되면서 2008년부터 정부에서 추진하고 있는 녹색성장을 위한 기술 개발을 목적으로 농촌진흥청 국립식량과학원 바이오에너지작물센터를 중심으로 적극적인 연구를 추진하고 있다(방 등, 2009b). 

따라서 본 연구는 외국에서 수집한 단수수 유전자원의 주요 형질을 탐색하여 우리나라에 도입하기 알맞은 품종을 선정하고 육종에 필요한 기초 자료를 제공하고자 수행하였다.

재료 및 방법

시험재료는 강원대 식물자원응용공학과로부터 분양받은 국외 수집 100품종을 사용하였다. 재배법은 2009년 4월 23일 파종 및 육묘하여 5월 13일에 농촌진흥청 바이오에너지작물센터 포장(N 34°58'06'' E 126°27'23'' )에 정식하였다. 육묘는 72공 트레이 육묘상자를 이용했고 재식밀도는 휴폭 60 cm, 주간 20 cm였다. 시비량은 10a 당 퇴비 1,500 kg, 요소 26 kg(N12 kg), 용성인비 40(P₂O₅ 8 kg), 염화칼리 20kg(K₂O 12 kg)를 전량 기비로 주었다. 당도는 출수 후 45일에, 간장, 수장, 절수, 경태, ha당 생체수량, ha당 건물수량 등은 성숙기에 조사했다. 출수소요일수는 파종 후 시험구의 절반 이상이 출수하는 데 걸리는 일수를 조사하였다. Brix 당도계는 KEM사 RA-250을 사용하였다

시험구는 난괴법 3반복으로 배치하였으며 통계처리는 SAS 프로그램을 이용하여 분석하였다.

결과 및 고찰

주요형질의 변이

단수수의 유전적 특성을 보기 위하여 주요형질의 변이를 탐색한 결과는 Table 1과 같다. 간장은 52 cm부터 364 cm까지 변이 폭이 넓었으며 평균은 217 cm이었다. 수장은 0-59.3 cm(미출수 품종 포함), 평균 23 cm이었으며 11품종은 출수하지 않았다. 이 품종들은 모두 열대 원산이었고 그 중 10품종이 아프리카 원산이었으며 우리나라와의 기후 차이로 인해 출수하지 않은 것으로 보인다. Kowal & Knabe(1972)는 북위 8도의 사바나 기후인 남부 기니에서는 수수의 생육기간이 200일을 초과한다고 하였고 이 고도에서 생육기간 동안 일평균기온이 27-29°C라고 하였다. 절수는 3-27개였고 평균은 10.5개였다. 경태는 7.0-28.5mm 범위였고 평균은 17mm를 보였다. 당도는 3.8-20.8 Brix였고 평균은 12.5 Brix를 보였다. 출수소요일수는 50-108일, 평균 71일이었다. 이삭을 제외한 생체수량은 2-204 t ha^-1이며 평균은 36 t ha−1이었다. 건물수량은 1-44 t ha^-1이며 평균은 10 t ha^-1이었다. Lu et al(1994)은 절수는 17-27매, 평균 21매라고 하여 본 결과보다 2배 많았다. 또한 경태는 15.5-28.0mm, 평균 19.8mm이고, 당도는 9-21 Brix, 평균 16.6 Brix라고 보고하여 본 연구결과보다 높은 경향이었으며, 박과 이(1991)는 단 수수 당도는 6-14 Brix라고 보고하여 본 결과보다는 낮았다. 방 등(2009)은 절수는 6-13개, 평균 10개, 당도는 4.5-19.0 Brix, 평균 12 Brix라고 보고하여 본 결과와 유사하였으며, 경태는 8.9-18.6 mm, 평균 13 mm라고 보고하여 본 결과보다는 낮았고, 수장은 16.7-43.7 cm, 평균 30 cm라고 보고하여 본 결과보다는 높았다. 연구자에 따라 이러한 차이가 나는 원인은 시험 품종(유전자원) 및 재배환경의 차이인 것으로 생각된다.

Table 1. Mean value and range of growth characters of 100 sweet sorghum germplasms.

단수수 유전자원의 간장은 Fig. 1과 같이 31품종이 301-330 cm에 분포하였다. 360 cm 이상인 장간종이 8품종으로 나타났다. 수장의 분포는 20-30 cm 그룹에 48품종이 속해 가장 많았으며(Fig. 2), 당도를 2 Brix 단위로 그룹을 지을 때 16.1-18.0 Brix에 18품종, 이어서 18.1-20.0 Brix에 8품종이 분포되었으며 20 Brix를 초과하는 2품종이 분포하였다(Fig. 3). 선발된 두 품종은 “Early Folger”와 “Georgia Blue Ribbon”이며 당도가 각각 20.8, 20.6 Brix였다. 이들은 당질계 바이오에탄올 생산에 유망한 고당도 단수수 품종육성에 활용될 것으로 기대된다. 4 t ha^-1 단위로 그룹을 지어 분류한 건물수량은 2-6 t ha^-1이 35품종이었고, 30 t ha^-1을 초과하는 3품종이 분포하였다(Fig. 5). 선발된 세 품종은 “Sweet open burku head”, “Tinkish”, “MN 2162”이며 건물수량이 각각 43.8, 36.8, 30.5 t ha^-1이었다. 그러나 이들의 당도는 7.4, 5.8, 7.7 Brix로 낮게 나타났으며 모두 출수하지 않은 아프리카 원산 품종이었다. 이들은 셀룰로오스계 바이오에탄올 생산에 유망한 단수수품종으로 육성할 필요가 있는 것으로 생각된다. 앞으로 당도와 건물수량이 모두 높은 품종을 육성하기 위해서는 고당도 품종과 다수성 품종의 교배조합을 통한 계통선발, 생산력 검정, 지역적응시험 등의 체계적인 단수수 육종 시스템을 구축할 필요가 있다.

Fig. 1. Histogram of culm length of 100 sweet sorghum germplasms.

Fig. 2. Histogram of ear length of 100 sweet sorghum germplasms.

Fig. 3. Histogram of sugar content of 100 sweet sorghum germplasms.

Fig. 4. Histogram of fresh weight of 100 sweet sorghum germplasms.

Fig. 5. Histogram of dry weight of 100 sweet sorghum germplasms.

주요형질간의 상관

단수수의 주요형질간의 상관관계를 보면 Table 2와 같다. 간장은 절수, 경태, 생체수량, 건물수량, 출수소요일수와 고도의 유의성이 인정되는 정의 상관을 보였다. 그러나 수장은 간장, 절수, 경태, 생체수량, 건물수량과 고도의 부의 상관을 나타내었다. 절수는 간장, 경태, 생체수량, 건물수량 및 출수소요일수간에, 그리고 당도는 출수소요일수와 고도의 정의 상관을 보였으며 간장 및 수장과 약간의 정의 상관을 나타내었다. 따라서 단수수의 출수가 늦을수록, 즉 영양생장기간이 길수록 당도가 높아진다는 것을 알 수 있었다.

Table 2. Correlation coefficient among characters of 100 sweet sorghum germplasms.

생체수량과 건물수량은 간장, 절수, 경태 및 출수소요일수와 정의 상관을 보였으나 당도와는 유의적인 상관관계를 보이지 않았다. 강(2002)과 방 등(2009)은 단수수의 생경중과 경태 간에 고도의 정의 상관이 인정된다고 하여 본 결과와 일치되는 경향이었다. 김과 손(1991)은 생경중과 당도 간에 정의 상관이 나타남을 보고하였고, Reddy et al(2007)도 생경중과 당도간 유의성이 인정되는 고도의 정상관이 있음을 보고하여 본 연구와 다른 결과를 보였다. 그러나 초장과 당도 간에는 정의상관을 보임을 보고한 바 본 연구결과에서 나타난 간장 및 수장과 당도 간 정의 상관과는 동일하였다. 반면 방 등(2009)은 초장 및 수장과 당도 간에는 부의 상관을 있음을 보고하여 본 연구와 다른 결과를 보였다. 연구자에 따라 이러한 차이가 나는 원인은 앞에서 언급한 바와 같이 시험 품종(유전자원)의 고유 유전형질 및 재배환경의 차이인 것으로 생각된다. 출수소요일수는 수장을 제외한 다른 모든 특성들과 고도의 정의 상관을 나타내었다.

바이오에탄올 생산에 적합한 단수수 품종을 육성하기 위해서는 지속적으로 유전자원을 수집하고 유전형질의 특성을 평가함으로써 단수수 육종목표를 수립하고 그에 맞는 육종 시스템을 구축해야 할 것이다.