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ISSN : 1225-8504(Print)
ISSN : 2287-8165(Online)
Journal of the Korean Society of International Agricultue Vol.29 No.3 pp.296-302
DOI : https://doi.org/10.12719/KSIA.2017.29.3.296

Evaluation and Multivariate Analysis in Garlic (Allium sativum L.) Germplasms

Mockhee Lee
*, Seong Cheol Kim**, Yong-Bum Kwack*, Hong Lim Kim*, Seong-Hun Jeong***, Mok-Jong Kim*
*Namhae Branch, National Institute of Horticultural & Herbal Sceince, Namhae 52430, Korea
**Herbal Crop Research Division, Department of Herbal Crop Research, National Institute of Horticultural & Herbal Sceince, Eumseong 27709, Korea
***Namhae Garlic Research Institute, Namhae 52430, Korea
Corresponding author : +82-55-864-1506mockey92@korea.kr
March 15, 2017 August 24, 2017 September 12, 2017

Abstract

In Korea, 1,212 accessions of garlic are conserved in Namhae, Jeonju, Danyang and Muan with IT (Identity) number. This study was carried out to evaluate characteristics of 163 garlic cultivars conserved in Namhae branch, NIHHS, RDA and search valuable genetic resources for breeding. In horticultural characteristics, there was wide variation for bulb weight, clove weight and clove number per bulb with large coefficient of variation (CV) 40.04%, 43.98% and 39.64% respectively. Alliin content analyzed by HPLC was 16.75±6.22mg·g-1 DW (Dry weight) and had 37.16% CV. The highest alliin content was 32.27mg·g-1 in Local5. In correlation analysis, there were a strong positive correlation between bulb weight and bulb diameter and a non-correlation between clove number per bulb and bulb weight, height and diameter. Major characters included in the principal components were bulb weight, bulb height, bulb diameter, plant height, clove number per bulb, leaf sheath diameter and alliin content. According to characteristics of garlic, 163 germplasms were clustered into 10 groups. In total 10 clusters, the average bulb weight is the heaviest at 5th cluster and average alliin content is the highest at 4th cluster. These clusters will be used for selection breeding program to cultivate garlic that has heavier weight and high alliin content.


다변량 분석을 통한 마늘 유전자원의 특성평가

이 목희
*, 김 성철**, 곽 용범*, 김 홍림*, 정 성훈***, 김 목종*
**국립원예특작과학원 남해출장소
**국립원예특작과학원 인삼특작부 약용작물과
***남해마늘연구소

초록


    Rural Development Administration
    PJ008573

    서 언

    마늘(Allium sativum L.)은 백합과 파속에 속하는 인 경채소로 조미채소, 향신료 그리고 의약품으로도 이용되는 중 요한 작물이다(Baghalian et al., 2005, Ahn et al., 2010, Jabbes et al., 2012). 마늘 재배의 역사는 B.C. 3000년 이집 트에서부터 시작되며 중앙아시아에서 기원된 것으로 여겨진다 (Vavilov, 1951, Figliuolo et al., 2001). FAO 통계에 의하면 2013년 마늘 세계 생산량은 24,286,502톤으로 아시아가 주 생 산지이며 우리나라는 1.7%의 점유율로 중국, 인도에 이은 3위 생산국이다(FAO stat 2013, Wang et al., 2014).

    정력증강, 동맥경화 개선, 고혈압 개선, 당뇨 개선 그리고 항암 작용 등의 다양한 효능은 알리신(allicin)에서 비롯되는 데 알리신은 마늘의 주성분인 알리인(alliin)이 알리네이즈 (alliinase)라는 효소에 의해 활성화된다(Baghalian et al., 2005, Lee et al., 2008, Oh et al., 2012, Kim et al., 2015).

    기능성 식품 원료로 사용되며 국내에선 동결건조 분말에서 원료 함량의 기준이 정해진다. 2014년에 식품의약품안전처에 서 마늘의 동결건조 분말을 기능성 원료로 고시하였으며 그 함량이 10.0mg·g-1 DW (Dry weight) 이상이어야 한다 (MFDS, 2014).

    영양번식을 하는 작물로 형태적, 생화학적 특성이 다양하고 생태형, 재배 지역 그리고 기후에 따라 다양한 변이를 가지고 있다(Ma et al., 2009, Jabbes et al., 2012, Wang et al., 2014). 형태적 특성에 의한 유전자원의 평가(Avato et al., 1998, Figliuolo et al., 2001, Panthee et al., 2006, Salar et al., 2014)가 국가, 지역별로 연구되었고 이와 더불어 생화 학적 특성을 함께 평가(Baghalian et al., 2005, 2006, Jabbes et al., 2012, Wang et al., 2014)하기도 하며 나 아가 분자 마커를 활용한 평가(Pooler & Simon, 1993, Etoh et al., 2001, Lampasona et al., 2003, Ma et al., 2009, Zhao et al., 2011, Sandra et al., 2012)도 수행되 었다. 이러한 유전자원의 평가는 교잡육종보다 선발육종이 많은 마늘의 육종프로그램을 위해 여러 유전자원의 특성을 제시하고 자원 선발에 효율성을 가져다 줄 것이다.

    국내에서 IT번호가 부여된 자원은 1,212점으로 많은 양의 유전자원이 있다. 국내의 마늘 유전자원과 관련된 연구는 polymorphic microsatellite loci를 활용한 연구와 RAPD 분석 에 의한 마늘 유전자원 분류가 있다(Song et al., 2000, Ma et al., 2009). 하지만 형태적, 생화학적 특성에 관한 연구는 많지 않다(Hwang, 1993). 본 연구는 국내 마늘 유전자원의 형태적 특성과 생화학적 특성을 토대로 다양성을 평가하여 육 종프로그램의 기초 자료를 구축하고 계통 선발에 있어 효율성 을 증진시키고자 수행되었다.

    재료 및 방법

    시험 재료는 국립원예특작과학원 남해출장소에서 보존 중 인 난지형 마늘 유전자원 163점을 사용하였고 국립농업과 학원 유전자원센터에서 IT번호를 부여 받았다. 2014년 10월 상순에 종구를 베노밀 티람 수화제 500배액과 디메토에이 트 유제 1000배액에 1시간 침지시켜 소독한 후 음건하여 자원 당 84개를 10×20 cm의 재식거리로 파종하였다. 파종 후 0.03 mm 투명비닐로 멀칭하였으며 기타 재배관리는 난 지형 마늘 표준 재배법(RDA, 2001)에 준하여 실시하였다. 2015년 4월 상순부터 추대기를 조사하였으며 잎이 마르는 시기를 기점으로 초장, 엽수, 엽초경을 조사하였다. 5월 하 순에 수확하여 4주 건조 후 구중, 구고, 구경, 구피색, 인편 중, 인편수, 인편피색을 조사하였다. 10주씩 조사하였으며 농업과학기술 연구조사분석기준 (제5판, RDA, 2012)을 참 고하였다. 알리인(Alliin) 함량 분석은 식품의약품안전처에서 고시된 건강기능식품 시험법을 기준으로 하였다. 비가식 부 위를 제거한 후 동결건조하고 분말화하였다. 알리인이 반응 하지 않도록 pH 3.0 이하의 80% 메탄올 용액으로 초음파 추출하고 0.45 μm 멤브레인 필터로 여과하여 HPLC 분석하 였다. 분석 조건은 Table 1에 나타내었다. 자료의 통계처리 는 SAS Enterprise Guide 4.3을 사용하였다.

    결과 및 고찰

    원예적 특성

    시험에 사용한 마늘 163개 유전자원에 대해 11개 양적 형 질을 조사하여 평균과 표준편차, 최댓값, 최솟값 그리고 변이 계수를 나타내었다(Table 2). 구중이 70g 이상인 자원은 13자 원으로 우리나라에서 주로 재배되는 난지형 마늘인 남도(약 40 g)와 대서(약 60 g)의 평균 구중보다 무거웠다. 인편수가 5~8개이면서 구중이 40 g 이상인 자원은 6자원으로 재배품종 과 비슷하거나 우수하여 육종소재 활용이 유망한 것으로 보인 다. 인편수가 15개 이상인 자원은 46자원으로 이 자원들은 육 종소재로의 활용성이 떨어지는 것으로 판단되었다. 수량은 181.4~1816.6 kg/10a의 범위를 나타내었다.

    구중과 인편중, 인편수는 각각 40.04%, 43.98%, 39.64%의 큰 변이를 보였는데 이 형질은 자원선발에 좋은 지표가 될 것 이다. 구중은 Wang et al. (2014)의 연구에서도 47.57%의 변 이계수를 보여 구의 수량성을 고려해 선발할 때 좋은 지표가 될 것이라고 언급되었다. 그 연구에서는 특히 화경의 변이가 65.84%로 가장 컸으며 화경(마늘종)이 마늘 재배에 또 다른 소득이 되기 때문에 중요한 지표가 될 것이라고 언급하였다 (Wang et al., 2014). 본 연구에서는 화경에 대한 조사가 없었 고 화경을 포함한 다른 형질에 대한 추가 연구가 필요할 것으 로 생각된다.

    알리인의 평균 함량은 16.75 mg·g-1이었으며 변이계수는 37.16%이었다(Table 2). 163개 유전자원의 알리인 함량은 Table 3에 나타내었는데 32.27 mg·g-1을 가진 Local5가 함 량이 가장 높았고 서천(Seocheon)은 함량이 0.68 mg·g-1로 가장 낮았다(Table 3). 식품의약품안전처의 기능성식품 원료 기준 함량(10.0 mg·g-1)을 초과하는 자원은 141점이었다. Baghalian et al. (2005)의 연구에서는 이란 내 지역적인 차이에 의한 알리신 함량의 변이보다는 유전적 요인이 더 많은 영향을 미치고 있다고 언급되었다. 본 연구는 남해지 역에서만 실시되었기 때문에 알리인 함량의 지역적 차이를 알 수 없었다. 변이의 원인이 유전적 요인인지 환경의 영향 인지의 연구가 필요하다.

    구피색, 인편피색에서 회백색 자원은 보이지 않았다(Table 4). 불완전추대 자원은 없었으며 가장 빠른 추대기를 보인 자 원은 올캐(Alkae)였다. Choi et al. (2011)의 연구에서 추대기 는 3월 말로 조사되었지만 본 시험에서는 4월 상순에 추대되 었다. 남해지역의 수확기에 맞추어 추대조사를 종료하였기 때 문에 수확기 후에 추대가 되더라도 조사되지 못한 자원도 있 을 것으로 생각된다.

    상관분석

    마늘 유전자원 형질 간의 상관분석 결과(Table 5), 구중은 구경과 r=0.89의 가장 높은 상관관계를 나타냈는데 Wang et al. (2014)의 연구에서도 r=0.71의 높은 상관관계를 보였고 수 량과의 상관관계에서도 구고보다 구경이 더욱 높은 상관성을 가진다는 결과도 있었다. 본 연구의 구중과의 상관계수를 보 아도 구경이 구고(r=0.71)보다 높았으며 이는 마늘의 수량, 즉 구중은 구고보다 구경과 더욱 큰 관계가 있는 것으로 생각된 다. 인편수는 다른 형태적 특성과 상관관계를 보이지 않았는 데 이 또한 구중과 구경은 인편수와 상관관계가 없다는 Jabbes et al. (2012)의 연구와도 일치했다. Wang et al. (2014)의 연구에서도 구경이 크다고 인편수가 많아지는 것은 아니라고 언급하며 구경과 인편수에는 큰 상관관계(r=0.45)가 없다고 하였다. 인편수는 인편중과는 낮은 음의 상관관계를 나 타내었는데 인편수가 많을수록 그 무게는 감소하였다. 알리인 함량은 다른 형질과 낮은 상관 혹은 무상관 관계였다. 알리인 은 어떠한 형질과도 상관관계를 보여주지 않았다는 Jabbes et al., (2012)의 연구결과와도 일치하는 것으로 보아 형태적 특성 으로는 알리인 함량을 예측할 수 없는 것으로 판단된다. 대부 분의 형질에서 정의 상관관계를 보였는데 특히, 지상부(초장, 엽수, 엽초경)와 구 특성(구중, 구고, 구경)간 상관관계가 유의 하여 유전자원 선발에 있어 시간과 노동력을 줄일 것으로 기 대된다.

    주성분분석

    Kim et al. (2009)의 주성분분석 방법을 참고하여 9개 양적 형질을 주성분분석한 결과 획득한 고유값(eigenvalue)과 그 비 율은 Table 6과 같다. 분석에 이용된 9개의 양적형질 중 제1 주성분은 4개, 제2주성분은 2개 그리고 제3주성분은 1개의 형 질을 대표하였고 설명비율은 각각 46.22%, 18.62% 그리고 10.20%였다. 제4주성분부터는 1개 이상의 형질을 대표할 수 없었다.

    제1주성분은 구중, 구경, 초장, 구고 및 엽수의 순서대로 높은 상관관계를 나타내어 구 특성 및 생육 관계가 깊었다. 제2주성분은 인편수와 엽초경 순으로 높은 정의 상관관계를 보였다. 제3주성분은 알리인 함량과 가장 높은 정의 상관관 계를 보였다(Table 7). 이러한 결과는 Phantee et al. (2006)의 연구에서 나타난 제1주성분(구중, 엽수, 수량)은 유 사하였지만 Wang et al. (2014)의 연구에서 나타난 제1주 성분(전반적인 지상부 생육)과 제2주성분(전반적인 구 특성) 과는 차이가 있었다. 위의 결과는 구 특성과 초장 등 지상부 생육, 인편수, 알리인 함량 등의 형질이 마늘 유전자원을 분 류하는데 필요한 변수(변량)를 압축시켜주어 효율을 높일 것 으로 보인다.

    군집분석

    주성분에 기초해, 163개의 마늘 유전자원은 10개의 군집으 로 나누어 졌다(Table 8). 유전자원의 원산지에 따라 군집이 나뉘지는 않았다. Baghalian et al. (2005)의 연구에서도 유전 자원의 분류는 지리적 요인과 부합하지 않다고 언급되었고 Jabbes et al. (2012)의 연구에서도 군집이 지리적 기원과 부 합하지 않았다고 하였다. 1 자원만 있는 제5군집을 제외한 군 집 중 평균구중이 높은 군집은 제3군집이었고 평균 알리인 함 량이 높은 군집은 제1군집과 제7군집이었다. 평균 인편수가 적 은 군집은 제4군집과 제6군집이었다.

    유전자원에서의 군집분석은 육종가에게 큰 규모의 자원에서 잠재적인 자원을 효율적으로 선택하게 한다. Wang et al. (2014)의 연구에서는 수량과 여러 주요 형질을 목표로 하였고 Baghalian et al. (2005)의 연구에서는 알리신 함량을 목표로 하였다. Jabbes et al. (2012)의 연구에서는 형태적 형질과 유 기 황화합물을 기초로 하였다. 본 연구에서는 주요 형태적 형 질과 마늘의 대표 기능성분인 알리인을 목표로 하였다. 육종 가들이 깐마늘에 적합한 적은 인편수에 관심이 있다면 제4, 5, 6군집을 살펴볼 것이고 기능성이 관심이 있다면 알리인 함량 이 높은 제1, 4, 7군집을 선택하게 될 것이다.

    적 요

    농촌진흥청 국립원예특작과학원에서 보존중인 163개의 난지 형 마늘 유전자원의 특성을 평가하기 위해 수행되었다.

    • 1. 구중, 인편중, 인편수에서 각각 변이계수 40.04%, 43.98%, 39.64%의 높은 변이를 보였다.

    • 2. 알리인 함량의 평균은 16.75 mg·g-1이었고 Local5가 32.27 mg·g-1의 가장 높은 알리인 함량을 보였으며 기능성식품 원료 조건에 부합하는 자원은 141자원이었다.

    • 3. 상관분석 결과, 구중과 구경사이에 높은 정의 상관이 있 었고 인편수와 구중은 상관관계가 없었다.

    • 4. 주성분에는 구중, 구고, 구경, 초장, 인편수, 알리인 함량 등이 포함되었는데 제1주성분은 구 특성 및 생육이었고 제2주 성분은 인편수와 엽초경이었으며 제3주성분은 알리인 함량이 었다.

    • 5. 군집분석을 통해 163개의 자원은 10개의 군집으로 나뉘 었으며 평균구중이 가장 높은 군집은 제5군집이며 제4군집은 알리인 함량이 가장 높았다.

    ACKNOWLEDGMENTS

    본 논문은 농촌진흥청 연구사업(과제번호: PJ008573)의 지 원에 의해 이루어진 것입니다.

    Figure

    Table

    Chromatographic conditions

    Basic statistic information for 11 quantitative traits.

    Average alliin(mg·g-1) contents of 163 accessions.

    *Mean±SD (standard deviation)

    Basic statistic information for three qualitative traits.

    Correlation coefficients among traits.

    **Significant at 0.01 probability level
    *Significant at 0.05 probability level

    Eigenvalues and proportions of principle component.

    Three principle components among traits.

    zUnderlined loading was the trait that had higher correlation with principle component

    Accessions and means of main traits in clusters.

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