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• 재료 및 방법
• 시험재료 및 기초생육조사
• 분자마커를 이용한 프로파일링
• 결과 및 고찰
• 유전자원 증식 및 형태적 특성 조사
• 분자생물학적 특성조사
• 사 사

강낭콩[Phaseolus vulgaris L.]은 강낭콩(Phaseolus L.)속에 속하는 4종의 주요 재배종 중 하나로 일년생과 다년생 모두 존재한다. 강낭콩의 원산지는 중앙멕시코와 과테말라로 보는 견해가 유력하며, 대립종은 남미, 소립종은 중미지역으로 각각 원산지를 달리하고 있다는 견해와 중미를 일차 원산지로 보고 남미지역을 2차 분화지역으로 보기도 한다. 우리나라에 강낭콩이 도입된 시기는 분명하지 않으나 19세기 초의 문헌인 재물보물명고에 처음으로 기록되어 있다(NICS 온라인정보센터). 강낭콩은 영양적으로 중요한 두과작물로서 전세계 개발도상국에서 칼로리와 단백질 원천으로(Phillip et al., 2011) 팥과 비슷한 용도로 쓰이고 있지만, 품질이 팥보다 떨어지고 습해에 약한 특성을 지니고 있다. 그러나 생육적온이 콩이나 팥에 비해 낮아 저온에 잘 견디고 생육기간도 비교적 짧아 3월 하순에 육묘상에 파종하여 4월 상·중순에 포장에 이식하면 6~7월에 풋협을 수확할 수 있는 단기성 작물이고, 후작으로 가을채소를 재배할 수 있어 작부체계상으로도 유리한 작물이다(Shin et al., 2008a, Cheung et al., 2002).

강낭콩은 세계각지에 고루 분포되고 있으며, 두과작물 중 콩 다음으로 많이 재배, 생산되고 있으며 재배면적은 다소 증가하고 있는 추세이나, 우리나라의 종실용 강낭콩 재배면적은 2000년 3,722 ha에서 2002년에는 재배면적이 약간 증가하여 4,055 ha, 2004년에는 3,856 ha로 해에 따라 약간의 차이는 있으나 큰 변동은 없는 추세이다(NICS, 온라인정보센터, 농림부, 2004). 

우리나라에서는 조숙이고 단경 직립성이며 양질 다수성인 강낭콩 품종육성을 목표로 1984년 일본도입종인 Elbon을 1986년부터 90년까지 5년간 생산력검정과 특성조사를 실시한 후 수원1호로 계통명을 부여하였으며 다시 2년간 지역적응시험을 실시하여 1993년 우량품종으로 결정하고 “강낭콩 1호” 로 명명하였다. 또한 최근에는 세계화에 의한 양식산업의 발달과 식문화의 변화로 풋콩에 대한 수요량이 지속적으로 증가하고 있어 협채용 강낭콩인 황협1호가 개발되기도 하였다(Shin et al., 2008a). 2005년에는 황협1호보다 수량성이 우수한 협채 용 강낭콩인 황협2호가 개발되었으며, 개화일수는 43일, 성숙일수는 49일, 풋협의 조단백과 조지방은 각각 19.0%, 0.5%이며 100립중은 20.4 g 이다(Shin et al., 2008b). 이 등(2001)은 강낭콩 유전자원 40계통을 선발하여 100립중과 조단백질을 조사하였는데 100립중은 12.8~45.5 g, 조단백질은 12.2~16.5%사이로 조사되었으며 13.1~14.0% 범위에 있는 자원이 32.5%로 가장 많았다. 

농업유전자원센터에서는 전세계 28개국으로부터 수집, 도입 된 3,000여점(2011. 12 기준)의 강낭콩 유전자원을 보존하고 있으며 이중 32%가 재래종자원이고, 특히 우리나라 원산자원은 약 880여점, 불가리아 원산자원은 87점을 보유하고 있다. 불가리아 원산자원은 수적으로는 미약하나 모두 재래종 자원으로 협채로 많이 이용되고 있어 현대인들의 서구화된 입맛에 맞춘 신채소 개발의 좋은 소재로 활용될 수 있을 것으로 보이며, 또한 불가리아의 평균기온이 북쪽 도나우 지역이 10°C, 남부의 트라키아 평야는 13~14°C로 우리나라 연평균 기온인 10~16°C와 유사하고 위도도 41~44°로서 우리나라보다 다소 높으나 큰 차이가 없어 다른 나라에서 도입된 자원보다 활용면에서 유리할 것으로 판단되어 재료로 선정하게 되었다(Lee et al., 2010). 본 연구는 우리나라와 불가리아 강낭콩 재래종 유전자원의 주요 양적, 질적 형질의 특성과 Simple Sequence Repeat(SSR) 분자마커를 이용하여 유전적 다양성을 비교 평가하고자 수행하였다.

재료 및 방법

시험재료 및 기초생육조사

농업유전자원센터에 보존하고 있는 강낭콩 유전자원 중에서 우리나라 재래종자원은 880점, 불가리아 재래종은 87점이다. 이들 자원중 130점을 수집지 분포와 보존자원수를 고려하여 비례적으로 임의 선발하였으며, 공시자원의 지리적분포는 Table 1과 같다. 생육기간 중의 형태적 특성을 조사, 비교하기 위하여 한국과 불가리아 재래종 강낭콩을 2011년 4월 5일 육묘폿트에 파종하여 4월 26일 15개체씩 수원시 화서동 소재 비가림하우스에 재식거리 100 × 25 cm, 1주 1개체로 정식하여 재배하였다. 형태적 형질에 대한 특성조사는 식물유전자원평 가기준(농촌진흥청, 1986)에 준하였다(Table 2).

Table 1. The geographical distribution of germplasm used in this study.

Table 2. Morphological traits evaluated and their descriptors.

분자마커를 이용한 프로파일링

분자마커를 이용한 DNA 프로파일링은 Gaitan-Solis et al. (2002)에 의해 개발된 SSR 마커 10개(Table 3)를 이용하여 한국재래종 130점과 불가리아 재래종 25점이 포함된 155점에 대해 수행하였다. 파종 후 20일에 자원별 한 개체로부터 어린잎을 채취하여 Dneasy Plant Mini Kits(Quiagen #69106)를 이용하여 DNA를 추출하였다. 각각의 SSR 마커를 FAM, HEX, NED로 형광 표지한 후 20 ng의 강낭콩 genomic DNA, 0.2 mM의 dNTP, 50 mM의 KCl을 포함하는 1X PCR Buffer, 10 pmole의 형광표지 primer 그리고 1 unit의 Taq DNA polymerase를 혼합하여 PCR을 수행하였다. 증폭반응은 PTC-100 thermocycler(MJ Research, Inc., Watertown, MA)를 이용하여 95˚C에서 35초간 denaturation, 50~62˚C에서 35초간 annealing 그리고 68˚C에서 35초간 extension을 30~35회 수행하였다. 증폭산물은 ABI3130xl Genetic Analyzer(AB-PEC, Foster City, CA)를 이용하여 Cho et al. (2008)의 방법으로 분석하였다. 분석된 결과는 Genemapper 4.0(Applied Biosystems, CA, USA)과 powermarker 3.0(Liu and Muse 2005) 프로그램을 이용하여 유전적 다양성지수와 heterozygosity를 산출하였다. 

Table 3. SSR markers, sequences of primers, and annealing temperatures(Tm) used for DNA profiling of common bean germplasm.

결과 및 고찰

유전자원 증식 및 형태적 특성 조사

한국과 불가리아 재래종 강낭콩 자원을 각각 105점과 25점 파종한 결과 평균 출현율은 88%로 비교적 높았다.

숙기관련 형질에 대한 조사결과 강낭콩 자원들의 개화일수는 최단 50일에서 최장 79일 사이에 분포하였고, 최단 및 최장 개화일수를 보이는 자원은 모두 한국 재래종 자원으로서 개화일수 최단자원은 IT103204, IT103290, IT104359, IT104456, IT113251, IT162806, IT168081, IT180803, 905787, K151304, K151311, K151318, K163686이고, 개화 최장일수를 보이는 자원은 K055750 및 K151289이며 한국재래종자원들의 평균 개화일수는 53.9일이었으며, 74.2%의 자원이 개화일수 60일 이내에 개화하였다. 불가리아 자원의 개화일수는 52~72일 사이였으며 평균 57일(Table 4, Fig. 1)로 한국과 불가리아 자원간 평균 개화일수는 약 3일 정도 차이가 있었는데 이는 한국 자원의 생육습성이 87.6%가 직립형인데 비해 불가리아 자원은 60%가 덩굴형이기 때문일 수 있을 것으로 보인다(Fig. 2).

Table 4. Days to flowering and maturing variation of 130 accessions of common bean landraces used in this study.

Fig. 1. Frequency distributions of days to flowering, days to maturing and days from sowing to maturing in 130 common bean landraces. (left : days to flowering, middle: days to maturing, right: days from sowing to maturing).

Fig. 2. Frequency distribution of qualitative traits including growth habit, colors of flower, and matured pod and seed coat color in common bean germplasms.

성숙일수는 최단 25일(K162609)에서, 최장 64일(IT188488)까지 분포하였고 평균 38.9일이었다. 개화일수와 마찬가지로 한국 재래종자원이 최단 성숙일수(25일)와 최장 성숙일수(64일)을 보였으며 평균 38.2일이었다. 불가리아 재래종자원의 성숙일수는 35일에서 57일로서 평균 41.8일이었다(Table 4, Fig. 1). 한국 자원의 성숙일수가 불가리아 자원의 성숙일수보다 평균 3.6일 정도 빨랐는데 이는 앞서 개화일수의 차이에서 언급하였듯이 생육습성의 차이일 것으로 추정된다. 

생육일수는 최소 83일(IT104456), 최대 123일(IT105200, IT180488) 사이로 평균 93.4일이었다. 한국 자원의 생육일수는 83~123일로, 평균 92.1일, 불가리아 자원의 생육일수는 90~114일이였고, 평균 98.8일로 한국원산자원보다 평균 6.7일정도 늦은 것으로 조사되었다. 생육기간이 조생종은 90일 내외이고 만생종은 130일 정도라고 한 기준(NICS, 온라인작물정보센터)과 비교하여 볼 때, 본 시험에 사용된 자원의 생육일수가 83~123일(평균 93.4일)로서 대체로 생육일수가 빠른 편이 었던 것은 안전한 종자 채종을 위하여 비가림 하우스내에 재배함으로써 생육일수를 앞당겼을 것으로 추측되나 추후 대비품종을 공시하여 조사가 이루어져야 할 것으로 보인다. 한국자원의 생육일수가 불가리아 자원에 비해 짧았던 것은 우리나라의 경우 강낭콩은 단기성작물로 후작으로 가을채소를 심는 등 작부체계상 유리하여 활용하는 측면이 크기 때문에(Shin, 2008b) 생육일수가 적은 자원이 선발되어 왔을 가능성이 높다.

양적형질 중 두과작물의 100립중은 품종간 편차가 매우 커서 품종을 구분하는 중요한 특성이 되기도 한다. 콩의 경우 100립중이 큰 것은 주로 장류용, 작은 것은 콩나물용으로 사용이 된다. Lee et al. (2001)에 따르면 강낭콩 종실이 크면 단백질 함량이 적으며 백색종이 적색종보다 소화율이 높다고 하였다. 본 시험에서는 100립중의 범위가 19 g(IT208907, 한국)에서 71g(K146785, 불가리아) 사이였으며 강낭콩은 품종이 많고 종피색이 다양하며 100립중이 20~60 g 내외라고 한 Lee et al.(2001)의 보고보다 100립중의 범위가 큰 것으로 조사되어 불가리아로부터 강낭콩 자원의 도입이 유전적 다양성 증대에 기여한 것으로 생각된다. 100립중 평균은 41.2 g 이었고, 100립중이 45 g 미만의 자원이 70%를 차지하였다(Table 5). 한국 자원은 19.1~56.1 g, 평균 40.9 g, 불가리아 자원은 27~71 g, 평균 42.4g으로 100립중의 국가별 차이는 크지 않았으나 불가리아 자원의 100립중 편차가 우리나라 재래종자원보다 큰 것은 강낭콩의 용도가 샐러드, 수프, 볶음요리 외 가공용 등으로 더 다양하게 활용되기 때문일 것으로 보인다. 

Table 5. Distribution of 100 seed weight of common bean landraces used in this study.

본 시험에 사용된 강낭콩 자원의 질적형질 분포(Fig. 2)를 살펴보면 다음과 같다. 생육습성은 그 작물의 재배에 있어서 파종기와 재배적기를 선택하는데 매우 중요한 형질로 본 시험에서는 직립형이 약 78.5%, 덩굴성이 20.0%로 조사되었는데 한국 재래종자원은 직립형이 87.6%인 반면 불가리아 재래종 자원은 60%가 덩굴성인 것으로 조사되어 국가간 선호하는 생육습성이 다른 것을 알 수 있었다. 우리나라의 강낭콩은 주로 밥밑용으로 이용하며 농가에서 가을채소를 심기전에 단작으로 재배하는 경우가 많기 때문에 생육기가 짧은 직립형을 선호하는 반면 불가리아에서는 협채로 이용하는 경우가 많기 때문에 덩굴성이 많은 것으로 생각된다. 불가리아 자원중에서도 직립형으로 일시수확이 가능한 자원은 수량 및 내병충성 등의 특성을 평가하여 강낭콩 육종소재로서의 이용 가능성 검토가 필요하며, 덩굴성 자원은 최근 식생활의 서구화에 따른 협채의 개발에 이용될 경우 유용할 것으로 보인다. 화색은 보라색 줄무늬가 있는 백색이 70%, 백색이 16.1%, 자주색이 10.8%였으며, 한국 자원에서는 보라색줄무늬가 있는 백색 자원이 90%로 대부분을 차지하였고, 불가리아 자원에서는 화색이 백색인 자원이 52.0%로서 과반을 차지하였다. 성숙협색은 황색 및 분홍색이 약 95.2%를 차지하였고 한국 재래종과 불가리아 재래종이 모두 비슷한 분포경향을 보였다. 종피색은 전체적으로 적색자원이 49.2%로 가장 많았고 백색자원 18.5%, 황색자원 13.8% 그 밖에 흑색, 황색, 갈색, 회색, 보라색 등 다양한 종피색이 조사되었다. 불가리아 자원은 백색종피를 가진 자원이 48%를 차지하였으나 한국 자원은 적색 종피를 가진 자원이 61%를 차지하여 우리나라에서 그 간의 강낭콩의 주용도가 고물 또는 잡곡용이었음을 짐작할 수 있었으며, 또한 강낭콩의 종피색 분포가 다른 것은 국가간의 선호도와 사용 용도에 따른 차이일 것으로 생각된다.

분자생물학적 특성조사

한국 원산자원 130점과 불가리아 원산 강낭콩 재래종 25점에 대해 10개의 SSR 마커를 이용하여 프로파일링을 수행한 결과 총 97개의 allele이 확인되었으며 마커에 따라 allele 수는 5개(BM161, BM181, BM211)에서 18개(BM156), 평균 9.7개를 보였다(Table 6). Phillip et al. (2011)에 의하면 181점의 멕시코 및 중남미 지역에서 수집된 강낭콩 재래종 자원을 58개의 SSR 마커를 이용하여 분석한 결과 유전자좌당 allele의 수는 2개에서 8개 사이라고 한 결과보다 많았으며, 또한 Gaitan-Solis et al. (2002)이 보고한 유전자좌당 allele의 수는 1~14개, 평균 6개라고 한 결과보다 많은 것으로 조사되었는데 객관적인 비교를 위하여 더 많은 마커와 재료를 이용한 분석이 이루어져야 할 것으로 보인다. 마커별 PIC는 BM161마커가 0.2963으로 가장 낮았고, BM143마커가 0.863으로 가장 높게 나타났으며 평균 0.6181이었다. Li et al. (2011)이 중앙아메리카와 아시아 등 6개 국가에서 수집한 66점의 녹두를 15개 SSR 마커를 이용하여 분석한 PIC 0.11~0.60, 평균 0.31보다 높은 것으로 나타나 양국에서 녹두보다 강낭콩이 폭넓은 용도로 이용되어 그에 맞게 분화된 것으로 보인다. 분석에 이용된 10개 마커 중에 BM154, BM160, BM161, BM170, BM181, BM201, BM211 등 7개의 마커에서 heterozygosity를 보이지 않았으며 3개의 마커는 약 0.6~1.9%의 heterozygosity를 보였다.

Table 6. SSR markers used in this study, their associated linkage groups, major allele frequency, allele size range, the number of alleles per locus, gene diversity, heterozygosity, and polymorphism information content (PIC).

각 원산지별로 분석한 결과, 한국자원의 평균 allele 수는 8.8개, 불가리아는 평균 5.7개로 한국원산의 allele 수가 조금 많은 것으로 나타났다. 또한 한국자원의 heterozygosity는 0.1%를 보였으나 불가리아 자원은 약 1.2%로 불가리아 자원들의 heterozygosity가 더 높은 것을 알 수 있었다. 유전적다 양성지수와 PIC를 보면 불가리아 자원이 각각 67.9%와 63.3%로 한국 자원(61.1%, 58.1%)보다 다양성이 높은 것으로 보아(Table 7), 한국에서의 강낭콩의 용도는 밥밑 또는 고물용으로 비교적 제한적인 반면, 불가리아에서의 용도는 다양하여 그에 맞게 분화된 품종의 분포때문인 것으로 생각된다. 특히 한국 강낭콩의 PIC 0.5814는 Lee et al. (2009) 등이 불가리아 남서부지역 수집 재래종과 우리 재래종 강낭콩의 유전적다양성을 분석하여 우리원산자원의 PIC가 0.5639이었던 결과와 크게 다르지 않았다. 이는 Blair et al. (2002)이 강낭콩 원산지인 중남미 자원 42점을 대상으로 분석한 결과 얻은 PIC 0.594와 비교해보면 한국 재래종 강낭콩의 다양성이 크게 낮지 않다고 생각되나 우리가 사용한 마커의 discriminating power가 높음을 감안할 때 더 많은 재료와 마커를 적용한 객관적인 실험이 필요할 것으로 보인다. 

Table 7. Major allele frequency, the number of alleles, gene diversity, heterozygosity, polymorphism information content (PIC) based on the origin of common bean germplasms.

사 사

본 연구는 농촌진흥청 농업과학기술연구 개발사업(과제번호: PJ9071692011)의 지원에 의해 이루어졌습니다.