서 언

벼는 생태형에 따라 온대 지역에서 재배되는 자포니카형 (japonica type), 열대지역에서 재배되는 인디카형(indica type) 및 남반구 해안지역(South Sea regions), 유럽 등에서 재배되는 자바니카형(Javanica type)의 세 가지로 분류되고 있다(Lee et al., 2015a). 벼의 생태형 별 쌀의 외관 품질과 밥의 찰기에 대하여 자포니카의 쌀 모양은 단원립으로 밥을 지으면 찰진 성질이 강하고, 인디카는 장립으로 밥의 찰기가 적고, 반면 자 바니카는 약간 둥글고 밥은 중간 정도의 찰기를 가지고 있다 (Hoshikawa, 1989).

쌀의 외관 품질 및 밥맛에 대한 국가별 선호도에 대한 선행 연구는 공간과 시간적 제한으로 인해 직접적인 선호도 평가보 다는 재배 지역을 고려한 벼의 생태형이나, 국가별 주요 재배 품종의 이화학분석을 통해 간접적인 평가가 주로 이루어져 왔 다(Juliano., 1985;1990). 최근 Calingacion et al. (2014)에 의한 전 세계 국가별 주요 재배 품종을 이용한 쌀 품질에 대 한 선호도 분석결과, 한국과 일본은 쌀 모양은 단원립이면서 아밀로스 함량 및 호화 온도가 낮았다. 반면 필리핀과 인도는 쌀 모양은 장립이면서 아밀로스 함량 및 호화 온도가 중간형 이었고, 향미를 선호는 것으로 알려져 있다(Lee et al., 2015a).

전 세계 벼 생산량의 약 90% 정도가 인디카이며 주로 열 대지역에 재배되는 반면, 자포니카는 약 10% 정도로 한국, 일 본, 중국의 동북 3성 등 북부아시아 및 미국의 일부지역 등에 서 제한적으로 재배되고 있다(Lee et al., 2014).

열대지역인 필리핀에서 자포니카 쌀은 인디카 쌀에 비해 고 급 쌀로 인식되며 선호도가 증가하고 있다(RDA., 2010). 열대 지역적응 자포니카 벼 품종 개발을 통해 재배지역 확대 및 열 대지역 현지 농가의 소득증대에 기여하기 위해 IRRI-RDA 공 동으로 GUVA (Germplasm Utilization for Value Added) 프 로젝트를 추진하고 있다(RDA., 2010).

자포니카 벼를 열대지역에 재배하면 온대지역 보다 단일조 건과 고온으로 불시출수하여 벼의 생육기간이 과도하게 짧아 져 쌀 수확량이 현저하게 떨어지게 된다.

농촌진흥청은 최근 기후변화에 따른 주곡인 쌀의 안정적인 공급을 위해 열대지역에서도 재배가 가능한 자포니카 벼 품종 ‘MS11’, ‘Japonica1’, ‘Japonica2’, ‘Japonica3’, ‘Japonica4’를 개발했다.

이들 벼 품종은 열대 지역 적응이 가능한 품종으로 필리핀 국가품종으로 등록되어있고 현지에서 1년에 2회 재배가 가능 하고 또한 우리 국민이 좋아하는 밥맛 좋은 자포니카형으로서 앞으로 한반도 온도가 상승해도 재배가 가능할 뿐만 아니라 쌀을 생산함으로써 불안정한 국제 쌀 가격에 대처할 수 있을 것으로 기대된다(Lee et al., 2015b).

그러나 기존의 GUVA 프로젝트를 통해 육성된 열대기후 적 응 자포니카 품종들은 대부분 진미벼의 후대로서 생태형이 조 생종인 온대 자포니카이고 열대 및 아열대 기후에 적응하지만 유전적 요인은 여전히 온대 기후에 적응하는 자포니카이다. 단 지 열대 및 아열대 기후에서 불시출수 하지 않는 이유는 Hd1 유전자의 그 기능이 상실되었기 때문이다(Kim et al., 2018). 따라서, 열대지역에서 정상적으로 출수하는 다양한 유전자원 이 필요하다.

요컨대, 본 연구는 아열대지역적응 온대 자포니카 벼의 새 로운 생태형(중생종)을 가진 우량계통을 육성했다는 것에 그 의의가 있다. 밀양375의 경우 기존의 진미 유래가 아닌 새로 운 유전적 background를 가지고 있으며, 따라서 농업적 형질 및 미질 특성이 기존 품종보다 우수한 특성을 보였다. 이 계 통을 활용하여 열대 지역에서 적응할 수 있는 우수한 품종을 개발한다면 수량 증대 및 시장가치 향상으로 재배 확대를 기 대할 수 있을 것으로 사료되며, 본 연구결과를 통하여 개발된 계통은 열대적응 온대 자포니카 신품종 개발의 중간모본으로 이용할 수 있다.

재료 및 방법

시험재료

본 시험은 밀양지역(N35°50’)에 있는 국립식량과학원 남부 작물부와 필리핀 국제미작연구소(IRRI) 시험포장에서 수행되 었으며 시험 재료는 현재까지 육성된 열대지역 적응 자포니카 품종인 ‘MS11’와 ‘진미벼’, 인디카 대표 품종인 ‘IR154’와 ‘IR64’, 자포니카 중만생종인 ‘동진’, 통일형 초다수 품종인 ‘한아름2호’와 열대지역 적응 자포니카로 예상되는 우량 계통 밀양375호(밀양265호//밀양244/수원526)이다.

벼 생육 기간 동안 평균기온은 25.8~28.2°C, 최고기온은 29.8~31.9°C, 최저기온은 22.4~23.3°C이었다. 일장은 9.7~17.5 시간이었으며, 강수량은 월별 4.7~45.3 mm 이었다. 시비량은 국제미작연구소의 표준시비방법에 따랐는데, ha당 질소(N) 115 kg, 인산(P₂O₅) 30 kg, 칼리(K₂O) 20 kg, 아연(Zn) 5 kg을 시용하였다. 30일 유묘를 이용하여 재식 거리 30×15 cm로 1 주 1본으로 이앙하였다. 파종일은 11월 27일이었고, 이앙일은 12월 19일 이었다. 시험구는 분할구 배치법 3반복으로 수행하 였다.

농업형질조사

농업적 특성은 농업과학기술 연구조사 분석기준(RDA., 2003) 에 따라 출수기와 간장 등을 조사하였다. 간장과 수장, 수수는 출수 후 30일경에 각 품종별로 20주를 조사하였다. 간 장은 지상에서 최장간 이삭의 이삭목까지의 길이를 조사하였 으며, 수장은 간장 조사주에서 이삭목에서 이삭끝까지의 길이 를 측정하였다. 수당립수와 천립중, 임실률은 3주씩 3반복으로 조사하였다. 수당립수는 이삭수에 총 립수를 나누어 조사하였 다. 임실률(%)은 이삭 당 전체 립수 대비 불임립을 제외한 정 상립수를 백분율로 환산하였다. 천립중은 완전립 1,000립의 무 게를 3반복으로 측정하였다. 쌀 수량은 각 시험구에서 60주를 수확하여 탈곡하고 종자 무게 및 수분 함량을 조사하고 10a 당 수량으로 변환하여 분석하였다(Kim et al., 2012). Fig. 1

품질분석

아밀로스함량 분석은 Juliano(1971)의 비색정량법에 따라 100 mg 의 백미가루에 95% ethanol 1 ml와 1N NaOH 9 ml 를 가해 진탕항온수조에 10분간 호화시킨 후 증류수로 100 ml 을 채 운 다음, 그 중 5ml를 취해 1N CH₃COOH 1ml와 2% I₂-KI (Iodine solution) 2 ml를 가해 증류수로 100 ml까지 채 우고 20분간 발색 반응을 시켜 흡광도 620 nm의 파장에서 UV/Vis 분광광도계(Shimadzu, UV2450)를 이용하여 측정하였 다(Lee et al., 2012). 단백질함량 분석은 근적외선 분광분석기 (Near Infra-red(NIR) spectroscopy, Foss DK-3400)를 이용하 여 종자 50립을 실험실용 현미기로 탈영시킨 후 사미, 피해립 을 제거하여 NIR 측정을 위한 현미립을 준비하였다. 이 후 분쇄기로 약 2분간 분쇄하여 100 Mesh (160 μm)의 체로 쳐 서 균일한 현미가루 상태로 만든 후, NIR 스펙트럼 측정과 단백질함량을 분석하였다. 종자와 준비된 현미시료들은 16°C 저온저장고에 보관하여 수분함량 14% 이하 상태를 유지하였 다(Oh et al., 2017). 윤기치는 백미 33 g을 정량하여 Toyo meter(Model MA98B, Toyo Co)를 이용하여 측정하였다(Lee et al., 2012).

계통수 분석

계통수 분석을 위하여 출수생태형이 다양한 50개의 품종 및 유전자원을 활용하였다. 아열대 지역에 적응성이 높은 인 디카 품종은 IR72 등 12품종, 국내 온대지역에 적응성이 높 은 자포니카 38품종을 공시하였다. 품종간 다형성 분석을 위 해 370종의 KASP(Kompetitive Allele-Specific PCR)마커를 활용하였으며, 이는 Chen et al(2018)에 의해 새누리 등 13 개의 자포니카 품종에서 다형성 빈도가 높은 SNP를 타켓으 로 개발된 분자마커이다. 공시한 품종의 다형성 분석을 위하 여 농업기술실용화재단 종자산업진흥센터(김제)에 시험분석 을 의뢰하였으며, Nexar시스템(LGC Douglas Scientific, Alexandria, USA)을 이용하여 KASP마커 유전자 증폭 및 SNP분석을 수행하였다. 계통수 분석은 Power maker(Power marker version 3.25 software, Liu & Muse, 2005)을 이 용하여 각 유전자형의 genetic distance 0.05로 UPGMA (unweighted pair group method with arithmetic mean) 알 고리즘 방식으로 작성하여 Radial tree 형식으로 그림을 작성 하였다.

통계분석

모든 실험은 3회 이상 반복하여 결과 값을 평균값으로 나타 냈으며, 각 실험결과의 통계 처리는 R 통계프로그램(Version 3.2.2)를 이용하여 분산분석(ANOVA) 후 유의성이 있을 경우 5%의 유의수준에서 Duncan’s multiple range test(DMRT)로 분석하였다.

결과 및 고찰

밀양375호의 출수기 특성 비교

열대지역인 필리핀에 위치한 국제미작연구소에서 밀양375호 는 파종 후 85일에 출수하였다. 이는 필리핀 지역에 적응하는 자포니카 품종으로 개발된 MS11보다 11일정도 늦은 것이며, 아열대지역의 가장 광범위하게 재배되는 품종 중 하나인 IR64 호와 비슷하였다. 반면, 아열대 지역에 적응성이 낮으며 국내 중만생 품종인 동진벼보다 26일 늦었다. 반면, 온대지역인 우 리나라의 보통기 보비재배에서 밀양375호는 파종 후 89일경 에 8월 12일에 출수하였으며, 국내육종 자포니카 중만생종 품 종인 동진보다 약 4일 정도 빠르고, 인디카 품종인 IR64와 3 일 정도 늦은 중생종 계통이었다. 반면, 조생종 품종인 진미와 MS11은 국내환경에서 밀양375호보다 약 11일 정도 빠른 8월 1일경에 출수하였다. 필리핀 등 아열대지역은 위도가 낮아 일 장이 12시간정도로 짧은 단일조건에 해당된다. 따라서 동진벼 와 같이 일장반응에 민감한 감광성 품종은 묘대감응에 의한 불시출수현상이 발생하고, 기본영양생장 기간을 충분히 확보 하지 못하기 때문에 생육량이 부족으로 수량이 낮아진다. 반 면, 국내 육성된 진미벼와 같이 조생종이면서도 기본영양생장 성이 다소 높은 품종은 저위도 지역에서 일장반응에 둔감하 여, 출수기까지 생육량 및 수량을 확보할 수 있다. 최근 국제 미작연구소에서는 GUVA프로젝트를 통하여, 진미벼를 모본으 로 한 아열대 지역 적응 자포니카 품종인 MS11을 육성하였 다. 그러나, 진미벼나 MS11 역시 아열대의 주로 재배되는 품 종인 인디카 품종 IR64보다 출수가 1주일정도 빠른 특성을 가 지고 있고, IR64와 비슷한 출수생태형을 가진 자포니카 품종 또는 유전자원은 부족한 실정이다.

국제미작연구소(IRRI)에서 밀양375의 주요 농업적 특성 및 수량성을 분석한 결과는 Table 1와 같다. 간장은 74.9 cm로 자포니카 품종인 MS11보다 약 5.2 cm 정도 큰 편이였고, 인디카 품종인 IR64 73.8 cm와 비슷하였다. 쌀 수량은 346 kg/10a로 자포니카 품종인 MS11의 수량 262 kg/10 a보 다 32% 증수되었고, 인디카 표준품종인 IR64의 수량 337 kg /10a와 비슷하였다. 반면, 국제미작연구소에서 최근 육성된 장려품종인 인디카 품종 IR154는 455 kg/10a보다 약 109 kg 적었다.

밀양375의 수량성 구성요소를 분석해 보면, 수수는 11개로 MS11보다 2개 적고 IR64보다 4개 적었다. 수당립수는 149개 로 MS11 및 IR64보다 많은 특성을 가지고 있었다. 등숙률은 75%로 진미벼 90%보다 약 15%은 낮은 특성을 보였다. 즉 밀양375는 수수는 적고 수당립수는 많은 소얼 수중형 품종에 속하는 것으로 판단된다. 이는 밀양375호의 교배모본에 사용 된 사료용 벼 육성계통인 수원526호의 소얼 수중형 특성과 유 사하다.

아열대 지역인 국제미작연구소(IRRI)에서 밀양375의 주요 품질관련 특성을 분석한 결과는 Table 2와 같다. 밀양375의 립장, 립폭 및 립폭이 각각 5.32 mm, 2.99 mm 및 2.13 mm 이며 장폭비 1.78로 단원립이였다. 이는 자포니카 품종인 동 진, MS11 및 진미와 유사하였으며, 인디카 품종인 IR64 및 IR154보다 립장과 장폭비가 작았다.

품질관련 형질인 단백질, 아밀로스 및 윤기치는 각각 7.80%, 18.6% 및 71.5이였다. 단백질 합량은 7.8%로 공시된 자포니카 및 인디카 품종보다 낮은 경향이었으며, 아밀로스 함 량은 18.6%로 MS11과 유사하였으며, 인디카 품종인 IR64 및 IR154보다 낮았다. 또한 밥의 윤기치는 71.5로 공시된 품종 중에서 가장 높았으며, 아열대 지역 적응 자포니카 품종인 MS11과 진미보다 유의하게 높았다. 따라서 밀양375는 장폭비 1.78정도의 단원립이면서, 단백질 함량이 낮고, 아밀로스 함량 이 낮아 찰기가 양호하며, 밥의 윤기가 높은 계통인 것으로 판단된다. Table 3

출수기 및 수량구성요소가 수량에 미치는 영향을 분석한 결 과는 Table 4과 같다. 아열대 지역 재배환경에서 벼의 쌀 수 량과 출수기(0.899). 수당립수(0.851), 간장(0.832) 및 수장 (0.685) 순으로 정의 상관관계를 나타내었다, 반면, 수수와 천 립중은 부의 상관관계를 나타내었고, 등숙율은 0.143으로 유 의성이 낮았다. 아열대지역 환경조건에서 수당립수는 생육일 수, 누적평균온도 및 누적일사량이 높은 정의 상관관계를 나 타냈다. 열대지역에 적응하는 온대 자포니카 벼 품종을 개발 하기 위해서는 고온과 단일 조건에서도 적정 생육일수를 확보 하는 것이 중요하고, 수량구성요소인 이삭특성은 2차 지경에 착립수를 높여 수당립수를 확보하는 것이 선발하는 것이 효율 적이라고 하였다(Park et al 2011). 이는 본 연구에서 출수기 와 수당립수가 수량에 가장 상관이 높았던 것 동일한 결과로 판단된다. 따라서, 아열대 지역 쌀 수량 향상을 위해서는 출수 기는 늦고, 수당립수가 많으면서 간장과 수장이 큰 초형이 유 리한 것으로 판단된다.

국제미작연구소(IRRI)는 수량성의 한계를 극복하기 위하여 새로운 이상형 초형(Ideotype)를 제시하였다(Khush., 1995). 생 육량 확보를 위해 생육기간은 100~130일정도, 간장은 90~100 cm정도 되어야 하며, 수량구성요소는 분얼수는 8~10 개로 적고, 수당립수는 200~250개로 많은 소얼수중형 초형을 New plant type(NPT)으로 제안하였다. 인디카 품종에 초형개 량을 위해 수많은 연구가 수행되었으나, 등숙율 부족으로 수 량성 향상에는 성공적으로 활용되지 못하였다. 반면, 최근 국 제미작연구소에서 육성된 IR154는 표준품종인 IR64와 수수는 비슷하고 수당립수를 증가시켰으며, 생육량 확보를 위해 출수 기가 약 7일정도 늦어졌다. 밀양375는 소얼 수중형 NPT 초형 을 특성을 가지고 있으나, 자포니카 생태형인 MS11보다 출수 기가 길어지고, 수당립수가 증가되었음을 알 수 있다. 이는 IR154가 IR64보다 수량구성요소가 증가되는 것과 동일한 경 향인 것으로 판단된다.

372개의 KASP marker를 이용하여 밀양375의 phylogenetic tree를 분석한 결과는 Fig. 2와 같이 크게 4가지 그룹으로 분 류되었다. 자포니카와 인디카/통일형으로 나뉘어졌고, 자포니 카 내에서는 조생종과 중만생종 I, 중만생종 II로 3개의 그룹 으로 분류되었다.

밀양375호는 새일미, 일미, 새누리 및 남평벼와 동일한 중 만생종 I그룹에 포함되어 있으며, 아열대 지역 적응 자포니카 품종인 MS11과 다른 그룹으로 분류되었다. 이는 밀양375의 교배모본에 사용된 품종이 밀양244와 밀양265가 자포니카 중 만생 품종이기 때문인 것으로 판단된다. 반면, 밀양375의 아 열대지역 출수특성이 국내 육성 중만생 자포니카 품종과 달리 불시출수를 하지 않고, 아열대지역 대비품종인 IR64와 비슷한 출수를 하였다는 점에서 새로운 육종소재로서 활용가능성이 높은 것으로 판단된다.

벼의 출수기는 수많은 유전자에 좌우되며, 그중에서 Heading date 1(Hd1)과 Early heading date 1(Ehd1)가 출수 에 영향력이 큰 영향을 미치는 주동유전자이며(Tamaki et al., 2007, Komiya et al., 2009). 아열대 지역의 단일조건에서는 자포나카 품종의 출수기는 Hd1의 유전자 기능의 결실에 의해 서 출수기가 늦어지는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2018). 반면, 밀양375호는 아열대 지역 적응 품종의 자포니카 품종인 MS11 등 조생종 품종과 다른 그룹으로 분류됨에 따라, 이에 대한 출수조절에 관한 분자생물학적 연구가 지속적으로 필요 한 것으로 판단된다.

적 요

아열대 지역 적응 자포니카 중간모본 밀양375의 주요 농업 적 특성 및 품질관련 특성을 분석한 결과는 아래와 같다.