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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.282-288
DOI : https://doi.org/10.12719/KSIA.2017.29.3.282

Characteristics on Growth and Amino Acids composition of Quality Protein Maize lines

Hwan-Hee Bae
, Beom-Young Son, Jung-Tae Kim, Jin-Seok Lee, Seong-Bum Baek
Department of Central Area, NICS, RDA, 126th, Suinro, Suwon, 16429, Korea
Corresponding author : +82-31-695-4042miami9@korea.kr
June 12, 2017 September 18, 2017 September 20, 2017

Abstract

To date, many researches have been done for maize QPM lines, there is little maize QPM varieties in Korea. In this reason, to develop maize QPM cultivars, investigation of the growth characteristics and amino acid composition among QPM inbred lines was carried out. For this study, QPM inbred lines were donated from CIMMYT. Analyses of growth characteristics changes for each line were investigated. The range of siliking days were ranged from 60 to 69 days. Silking days for 4 QPM lines such as CML140, CML141, CML152, and CML493 were 60 days among donated QMP lines, CML557 was 69 days. In plant height, CML492 was shortest(152 cm) while CML143 was the longest(295 cm). The ear height of CML492 was 66 cm and 175 cm for CML143. Protein content of each maize QPM grains was from 9.07% to 12.67%. CML556 have the highest proteins content, while CML493 was the lowest among maize QPM grains. Content of fat was from 3.38% to 5.25%, and CML141 was the lowest and CML147 was the highest. The content of ash ranged from 1.22% to 1.78%, CML555 was the least and CML142 was the highest. The content range of carbohydrate was from 71.7% to 75.5%, CML557 was the least and CML493 was the highest. The calories of each inbred line ranged from 346 to 365 Kcal, CML140 was the least and CML492 was the highest. Major amino acid composition in maize QPM grain is glutamic acid (16.34%), proline (9.80%). The mean of lysine composition was 3.64%, and CML140 showed the highest ratio of 4.34%.


Quality Protein Maize 계통의 생육 특성 및 아미노산 조성

배 환희
, 손 범영, 김 정태, 이 진석, 백 성범
농촌진흥청 국립식량과학원

초록


    Rural Development Administration
    PJ0126572017

    서 언

    옥수수는 벼, 밀과 더불어 세계 3대 식량작물중 하나로 우리 나라를 포함하여 전 세계적으로 식품뿐 아니라 전분을 원료로 하는 각종 산업분야에서 중요한 작물로, 다양한 용도로 이용되 고 있다(Ko et al., 2015). 우리나라의 옥수수 생산량은 약 8 만 2천 톤에 불과하며 해마다 1,000만 톤 정도가 수입되고 있 다. 이렇게 수입되는 옥수수는 모두 일반옥수수로, 대부분 사 료용으로 이용되고 있고, 약 200만 톤은 옥분과 전분용으로 소 비되고 있다(MAFRA, 2015). 일반옥수수 종실 단백질은 약 90% 이상이 배유에 함유되어 있으며 이들 단백질의 60~70% 정도가 zein 단백질에 해당한다. Zein 단백질은 glutamin, proline, alanine, leucine은 풍부하지만 단위동물과 인간에게 영 양적으로 중요한 필수 아미노산인 lysine, tryptophan의 함량이 적어서 영양적 제한 요인이 된다(Huang et al., 2004). 일반옥 수수의 lysine 함량은 대략 2%로 FAO(The Food and Agriculture Organization)가 권장하는 수준의 반 밖에 되지 않 는다. 그러므로 사람이나 다른 단위동물의 균형적인 영양 섭취 를 위해서는 다른 출처의 lysine과 tryptophan이 포함되어야 한 다(Prasanna et al., 2001). 1920년대에 미국 옥수수 포장에서 자연적으로 발생한 옥수수 돌연변이는 부드럽고 불투명한 알 곡을 가졌으며 opaque-2로 불려졌다(Sofi et al., 2009). 이 opaque-2 유전자는 zein의 합성을 줄이고 non-zein의 합성을 늘림으로써 옥수수 배유단백질의 아미노산 구성을 바꿨으며 그 결과 일반옥수수보다 lysine과 tryptophan의 양이 거의 두 배에 이르게 되었다(Mertz et al., 1964). 그러나 opaque-2 옥 수수는 수량성이 낮고 알곡이 빈약하여 이삭썩음병과 해충에 취약했으며 맛과 알곡의 외관이 좋지 못하여 옥수수 재배농가 에서 큰 관심을 보이지 않았다(Huang et al., 2004). CIMMYT (국제옥수수밀연구소)는 유전적 선택을 통하여 경질 배유이면서 opaque-2 유전자를 가지고 있는 옥수수를 계속 발 전시켜 나갔는데, 이것이 널리 알려진 Quality protein maize(QPM) 이다(Babu & Pasanna, 2013) 이러한 QPM의 개발은 세계적으로 영양 결핍에 시달리는 문제점을 해결할 수 있을 것으로 기대되어, 최근 중국, 동남아, 남미, 아프리카 등 에서 기아문제 해결과 가축사료로 재배 및 이용이 증대되고 있다(Kim et al., 2006). Graham et al.(1990)은 영양실조 상 태의 어린이들이 오직 QPM만으로 단백질과 지방을 섭취하도 록 하였는데, 젖소 분유를 먹고 자란 어린이처럼 상태가 좋아 졌다고 보고하였으며, Gunaratna et al. (2010)은 일반옥수수 대신에 QPM을 섭취한 어린이의 몸무게가 12%정도 증가 되 었다고 보고하였다. QPM 품종은 세계적으로 23개국 이상이 350만 ha가 넘게 대규모로 재배되고 있으며 멕시코에서만 대 략 250만 ha를 차지하고 있다. QPM 연구와 개발은 멕시코에 서 라틴아메리카를 걸쳐 아프리카, 유럽 그리고 아시아에서 진 행되고 있다(Nedi et al., 2016). 국내의 QPM 연구에는 황옥 002에 opaque-2 유전자를 여교배한 후 분리 집단 내에서 일 반옥수수와 opaque-2 옥수수를 분류하여 흰쥐에다 사양 시험 한 결과 24일 동안 opaque-2 옥수수를 투여한 흰쥐의 체중 증가는 일반옥수수보다 체중이 28% 증가하였다는 보고가 있 다(Choe et al., 1977). 또한 Kim et al. (2006)은 QPM 계 통의 경우에는 lysine 조성비가 1.02%로 non-QPM 계통 0.74%에 비하여 함량이 높았으며 non-QPM 계통 대비 약 38% 정도가 증가되었으며, QPM 계통은 non-QPM 계통에 비 하여 lysine의 조성 비율이 높고 황 함유 아미노산(cystine, methionine)의 비율이 증가되었다고 하였다. 이러한 QPM에 관 한 활발한 연구에도 불구하고 국내에는 아직까지 QPM 품종이 없기 때문에 도입된 QPM 계통의 생육 및 아미노산 조성을 각 각 분석 검토하여 QPM 신품종 육성을 위한 기초 연구 자료로 활용하고자 수행하였다.

    재료 및 방법

    시험 재료

    본 연구는 2016년 수원시 국립식량과학원 중부작물부 온실 포장(수원, N126°58’ E37°15’)에서 실시하였다. 옥수수 시험 재료는 CIMMYT에서 분양받은 계통(inbred lines)으로 CML140 등 13계통이었다(Table 1)

    시비량 및 재식거리

    옥수수의 시비량(N-P2O5-K2O-퇴비)은 14.5-3-6-1,500 kg/10a 로 시용하였으며, 질소(N)는 기비와 7~8엽기의 추비로 50:50 으로 나누어 주었고, 인산(P2O5), 칼리(K2O) 및 퇴비는 전량을 기비로 시용하였다. 재식거리는 60×25 cm(6,600/10a)이었으며 무피복 재배를 하였다.

    일반성분 및 함량 분석

    QPM 계통을 7월 6일 파종하여 10월 말 수확 후 자연 건 조하여 분석 시료로 사용하였다. 단백질 함량은 micro-Kjeldal 법으로 분석하였다. 단백질 함량은 시료 0.2 g을 단백질 분해 관에 넣고 황산 10 ml와 촉매제를 첨가한 후 KjeltecTM 2200 auto distillation unit( Foss Tecator, Huddinge, Sweden)을 이용하여 420°C에서 40분간 분해하고 30분간 상온에서 냉각 시키고 나서 KjeltecTM 2400 auto analyzer를 이용하여 질소함 량을 측정한 후 질소계수 6.25를 곱하여 구하였다. 지방함량 은 Soxtherm automatic system(Gerhardt Soxtherm 2000, Hoffimannstre, Germany)을 이용하여 정량하였다. 분쇄된 옥수 수 시료를 extraction 튜브에 담고 n-hexane 140 ml와 비등석 을 함께 넣고 용매에 잠긴 상태로 180°C에서 30분간 가열하 여 시료의 지방을 용출시킨 후 80분 동안 5회에 걸쳐 추출용 매를 수거하였다. 그 후 용출된 조지방을 담고 있는 수기를 105°C에서 1시간 동안 건조 후 방랭하고 무게를 측정하였다. 회분 함량은 항량이 된 도가니에 분쇄된 시료를 1 g을 취하여 무게를 측정한 후 핫플레이트에서 회화하고, 전기회화로 (DS- 84E, Dasol scientific Co., Ltd, Korea)를 이용하여 600°C에 서 4시간 동안 회화시킨 후 데시케이터에 옮겨 2시간 동안 방 랭한 후 도가니의 무게를 측정하여 구하였다(Kim et al., 2016).

    아미노산 함량

    아미노산의 함량을 분석하기 위하여 시료 0.3 g에 5 ml의 6N HCl을 가하고 N2 gas로 치환시킨 후 110°C에서 24시간 HCl로 가수분해 후 No.2 여지로 여과하여 100 ml volume flask에 옮겨 넣고 Milli-Q water로 정용하였다. 이들 중 분자 량이 큰 화합물을 제거시키기 위하여 0.1% TFA(solution I), methanol(80:20, solution II), methanol(70:30, solution III)으 로 Sep-pak C18을 활성화시킨 후 시료용액을 통과시켜 분석시 료로 사용하였고 아미노산의 정량분석은 Amino acid Autoanalyzer( Hitachi L-8800, Japan)을 이용하였다, 아미노산의 표 준용액은 Ajnomoto-Takara사(Japan) 제품을 사용하였다(Kim et al., 2006).

    통계분석

    통계분석은 SAS 9.2(Statistical analysis systems Inc., Raleigh, NC, USA)을 이용하여 분산분석(ANOVA)을 하였으 며 던컨의 다중범위 검정(Duncan’s multiple range test)으로 5% 유의수준에서 검정하였다.

    결과 및 고찰

    생육특성

    Table 1은 CIMMYT에서 분양받은 계통의 주요 생육 특성 을 나타낸 것이다. 출사일수 범위는 60~69일 이었으며 CML140, CML141, CML152, CML493이 60일로 짧았고, CML557이 69일로 가장 길었다. 출사일수가 짧은 이유는 파 종일이 7월 6일로 중부지역 재배적기인 4월 중순보다 늦었고, 또한 온실에서 재배되었기 때문으로 판단된다. 간장과 착수고 는 CML492가 152 cm, 66 cm로 가장 낮았으며, CML143 이 295 cm, 175 cm로 가장 높았다. 도입 QPM 계통의 평 균 간장과 착수고는 각각 223 cm, 115 cm였다. CIMMYT로 부터 도입된 QPM 계통이 간장과 착수고가 높은 이유는 파종 과 생육이 온실에서 이루어졌기 때문으로 보인다. 100립중은 16.5~26.9 g 범위로 CML152가 16.5 g으로 가장 가벼웠고, CML140이 26.9 g으로 가장 무거웠다. 국내옥수수 계통의 100립중은 25~30 g 내외인데 20 g이하인 계통의 경우에는 배 유의 양분 저장이 충분하지 않아 발아에 문제가 생길 수 있다. Fig. 1은 CIMMYT로부터 분양받은 QPM 계통의 종피색으로 CML493만 황색이었고, 나머지는 흰색이었다. 지금까지 국내 에서 개발된 일반옥수수는 대부분 황색이어서 분양받은 계 통을 이용하여 품종을 개발한다면 수요자 요구에 맞는 다양 한 종피색의 옥수수를 개발할 수 있을 것으로 생각된다. 립 형은 모두 경립종(flint)이었다. Fig. 2는 연질 배유와 경질 배유를 가진 QPM을 비교한 것으로 C0 QPM와 C18 QPM 모두 lysine과 tryptophan의 함량 수준은 비슷하지만 연질배유인 C0 QPM보다 경질 배유를 가진 C18 QPM이 바람직한 알곡 특성이다(Vivek et al., 2008). 화분의 양은 대체로 많았는데 CML140 및 CML142는 다른 계통에 비 해서 적은 편이었다.

    일반성분

    Table 2는 CIMMYT에서 분양받은 계통의 종실수분, 단백질, 지방, 회분, 탄수화물, 열량 등을 나타낸 것이다. 수분 함량은 9.97~10.86% 범위였으며 CML147이 가장 낮았고 CML141이 가장 높았다. 단백질 함량은 9.07%~12.67% 범위로 평균 10.50%이었으며 CML493이 가장 적었고, CML556이 가장 높았다. Park et al. (1990)은 일반옥수수 경립종 평균이 12.7%, 분포범위는 11.2~17.3%로 나타났다고 보고하여 본 연 구보다 높은 경향을 보였는데. 이는 Abise & Ikujenla (2014) 연구에서 QPM 계통이 일반옥수수 계통보다 단백질 함량이 낮았다는 결과와 일치한다. Kim et al. (2006)은 2005년 농촌 진흥청 작물과학원 시험포장에서 육성중인 KS5/QPM계통의 BC1F2 및 KS135/QPM계통의 BC1F2 자식계통을 대상으로 한 시험에서 QPM 계통의 평균 단백질 함량은 10.6±1.02, non- QPM은 10.9±0.89로 보고하여 QPM계통과 non-QPM계통 모 두 본 연구와 비슷한 경향을 보였다. 이는 QPM 계통의 단백 질 함량이 일반계통보다 낮다는 Abise & Ikujenla (2014)의 연구와는 차이를 보였다. 지방 함량은 3.38~5.25% 범위로 평 균 4.03%이었으며 CML141이 가장 적었고, CML147이 가장 높았다. Kim et al. (2006)은 QPM 계통의 지방 함량은 4.2±0.71, non-QPM은 3.3±0.52로 QPM 계통의 지방 함량이 non-QPM에 비하여 높은 것으로 보고하였다. 그러나 그 외 일 반 옥수수의 지방 함량에 대한 연구에서는 4.6%(Kim et al., 2016), 4.5%(Abise & Ikujenla, 2014), 그리고 3.8~5.3%(Son et al., 2012)로 오히려 non-QPM계통이 본 연구의 QPM 계 통의 지방 함량보다 많았다. 칼슘, 인, 마그네슘, 철, 칼리 등 이 들어 있는 회분은 1.22~1.78% 범위로 평균 1.50이었으며 CML555가 가장 적었고, CML142가 가장 많았다. Kim et al. (2006)은 QPM 계통의 회분 함량은 1.6±0.29, non-QPM 은 1.3±0.27로 QPM 계통의 지방 함량이 non-QPM에 비하여 많은 것으로 보고하였다. Jung et al. (2016)은 일반 옥수수 11품종의 회분 함량이 1.3~1.6%로 본 연구와 비슷한 경향을 보였다. 탄수화물 함량은 71.7~75.5% 범위로 CML557이 가 장 적었고, CML493이 가장 많았다. 각 계통의 열량은 346~365 Kcal로 CML140이 가장 낮고, CML492가 가장 많 았다.

    아미노산 조성

    Table 3은 CIMMYT에서 분양받은 계통의 아미노산 조성을 비교한 것이다. 아미노산 조성은 glutamic acid이 16.34%로 가장 높았고 proline은9.80%이며 leucine, aspartic acid, alanine, arginine, serine, valine, phenylalanine, glycine, threonine, lysine, histidine, tyrosine, isoleucine 순이었다. Son et al. (2012)은 국내 육성 옥수수 자식계통의 아미노산의 조성 비교 시험에서 glutamic acid이 전체 아미노산의 15.65% 로 가장 높았고, 그 다음이 leucine(12.53%)이며, alanine, proline, threonine, serine, valine, arginine, aspartic acid, isoleucine, histidine, methionine, tyrosine, phenylalanine, cystine 그리고 lysine(0.30%)이라고 하였다. Kim et al. (2006)은 QPM은 arginine(9.29%), aspartic acid(8.30%), glycine(8.26%)의 순으로 조성비가 높은 것으로 나타났고, non-QPM 옥수수의 아미노산 조성은 glutamic acid(9.90%), aspartic acid(8.83%), alanine(8.72%)의 순으로 조성비가 높다 고 하였다. 같은 QPM에서 조성비가 다른 이유는 옥수수의 품 종과 재배 환경 등에 따라 아미노산 조성이 달라지는 것으로 판단된다. Teklewold et al. (2015)은 배유 단백질에서 lysine 의 함량이 일반옥수수는 1.6~2.6%(mean 2.0), QPM은 2.7~4.5%(mean 4.0)으로 보고하였다. Sopi et al. (2009)는 일 반옥수수의 lysine과 tryptophan의 함량은 각각 2%, 0.4%이며, QPM은 각각 4%, 0.8%라 보고하였으며, QPM과 일반옥수수 의 조성비가 다른 이유는 대체로 zein fraction이 일반옥수수의 47.2%에서 opaque-2 mutants에서는 22.8%로 감소했기 때문이 라고 하였다. 그 외 몇몇의 연구자들도 일반옥수수보다 QPM 이 단백질의 질에서 더 우수하다고 하였다(Paes & Bicudo, 1995; Osei et al., 1999; Onimisi et al., 2009). 본 연구에 서는 CIMMYT에서 분양받은 계통의 평균 lysine 조성비가 3.64%였으며, CML140이 4.34%로 가장 높은 비율을 나타냈 다. 이는 Son et al. (2012)의 국내 자식계통 아미노산 분석에 서의 lysine분석이나 Kim et al. (2006)의 QPM옥수수 분석에 따른 lysine 함량보다 높았으며 Sopi et al. (2009)과 Teklewold et al. (2015)이 보고한 lysine 함량과 비슷하였다. Fig. 3QPM 계통의 leucine과 lysine의 함량을 나타낸 것이 다. 대체적으로 lysine의 함량이 많을수록 leucine의 함량이 적 은 것을 볼 수 있다. Babu & Prasanna (2014)는 leucine의 감소가 leucine-isoleucine 비율을 더 균형이 되게 하고, 이것 은 niacin 합성을 위한 더 많은 tryptophan을 제공하여 pellagra를 방지한다고 하였다. CML525는 leucine이 13.70% 로 평균인 9.29%보다 4.41%가 높았으며, lysine은 2.49%로 평균인 3.64%보다 1.15% 더 낮았다. Sofi et al. (2009)Teklewold et al. (2015)의 일반옥수수와 QPM의 lysine의 함 량 비교에 의하면 CML525는 QPM 계통이라기 보다는 일반 옥수수 계통일 것으로 판단된다.

    적 요

    본 연구는 CIMMYT로부터 분양받은 13 QPM 계통의 생 육 특성, 단백질, 지방 등 일반성분과 아미노산을 분석하여 QPM 신품종 육성을 위한 기초 연구 자료로 활용하고자 수행 하였다.

    • 1. 출사일수는 CML140, CML141, CML152, CML493이 60일로 짧았고, CML557이 69일로 가장 길었으며, 범위는 60~69일이었다. 간장과 착수고는 CML492가 152 cm, 66 cm 로 가장 낮았으며, CML143이 295 cm, 175 cm로 가장 높 았다. 종피색은 CML493만 황색이었고, 나머지는 흰색이었으 며 립형은 모두 경립종(flint)이었다. 화분의 양은 대체로 많았 는데 CML140 및 CML142는 다른 계통에 비해서 적은 편이 었다.

    • 2. 단백질 함량은 9.07%~12.67%로 CML493이 가장 적었 고, CML556이 가장 높았다. 지방 함량은 3.38~5.25%로 CML141이 적었고, CML147이 가장 많았다. 칼슘, 인, 마그네 슘, 철, 칼리 등이 들어 있는 회분은 1.22~1.78% 범위로 CML555가 가장 적었고, CML142가 가장 많았다. 탄수화물 함량은 71.7~75.5% 범위로 CML557이 적었고, CML493이 가장 많았다. 각 계통의 열량은 346~365Kcal로 CML140이 낮고, CML492가 많았다.

    • 3. 아미노산 조성은 glutamic acid이 16.34%로 가장 높았고 proline은 9.80%이며 leucine, aspartic acid, alanine, arginine, serine, valine, phenylalanine, glycine, threonine, lysine, histidine, tyrosine, isoleucine 순이었다. lysine의 평균 조성비 는 3.64%였으며, CML140이 4.34%로 가장 높은 비율을 나 타냈다.

    ACKNOWLEDGMENTS

    본 연구는 농촌진흥청 작물시험연구사업 (과제번호: PJ0126572017)의 지원으로 수행된 결과입니다.

    Figure

    KSIA-29-282_F1.gif

    Grain shape of QPM lines

    KSIA-29-282_F2.gif

    Ears of P00L 25, cycle0, soft endosperm o2 maize (left) and ears of its improved version (cycle 18) (right). Source:(Vivek et al., 2008)

    Note: Both c0 and c18 have high lysine and tryptophan levels. however, c18 is considered QPM because it also has desirable kernel characteristics

    KSIA-29-282_F3.gif

    Lysine and leucine composition of QPM lines

    Table

    Major growth and seed characteristics of QPM lines

    *Numbers with the same letter in a row are not significantly different according to DMR test(p<0.05)

    Variation of chemical composition of QPM lines

    *Numbers with the same letter in a row are not significantly different according to DMR test(p<0.05)

    Amino acid composition of QPM lines

    *Numbers with the same letter in a row are not significantly different according to DMR test(p<0.05)

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