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ISSN : 0252-9777(Print)
ISSN : 2287-8432(Online)
The Korean Journal of Crop Science Vol.62 No.2 pp.143-148
DOI : https://doi.org/10.7740/kjcs.2017.62.2.143

Agronomic Traits of Soybean Breeding Lines with Low Stachyose and Raffinose Contents

Do Su Ha1, Jin Young Moon1, Sang Woo Choi2, Sang In Shim2, Min Chul Kim2, Jong Il Chung2
1)Gyengsangnam-do Agricultural Research & Extension Services, Jinju 52733, Korea
2)Department of Agronomy, Research Institute of Life Sci., Gyeongsang National University, Jinju 52828, Korea
Corresponding author: Jong Il Chung; +82-55-772-1872; jongil@gnu.ac.kr
20170428 20170528 20170529

Abstract

Soybean [Glycine max (L.) Merr.] seed is an important dietary source of protein, oil, carbohydrates, isoflavones, and other nutrients for humans and animals. Raffinose and stachyose are the main antinutritional factors in soybean seed. They are carbohydrates belonging to the raffinose family of oligosaccharides, which are not readily digested in humans and cause flatulence or diarrhea. The genetic reduction of the raffinose and stachyose contents in mature soybean seeds will improve the nutritional value of soybean. The objective of this research was to evaluate agronomic traits with 10 F6 strains selected from breeding populations derived from a cross among seven parents. The contents of raffinose and stachyose in mature seeds were detected by high-performance liquid chromatography. Agronomic traits such as flower color, flowering date, harvesting date, lodging, plant height, seed coat color, hilum color, 100 seed weight, and yield were evaluated. Ten intermediate parents showed low raffinose and stachyose contents. The intermediate parent 883-1 had a small seed size, six intermediate parents (15A1, 15D1, RS-5, RS-33, RS-64, and RS-70) had a medium seed size, and two intermediate parents (14G20 and RS-21) had a large seed size. The intermediate parent RS-21 had a black seed coat and a green cotyledon. Four intermediate parents (883-1, 14G20, RS-5, and RS-21) had elite agronomic traits. The new intermediate parents developed through this study will be used to develop improved soybean cultivars with low contents of raffinose and stachyose.


Stachyose 및 Raffinose 저함량 콩 선발계통의 농업적 형질

하 두수1, 문 진영1, 최 상우2, 심 상인2, 김 민철2, 정 종일2
1)경상남도 농업기술원
2)경상대학교 농학과・생명과학연구원

초록


    © The Korean Society of Crop Science. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs
    115074-2

    [Glycine max (L.) Merr.]은 우리나라를 중심으로 한 동 북아시아가 원산지로 알려져 있으며 오래 전부터 재배되어 져 온 주요 두과작물이다. 성숙 콩 종실에는 단백질 31.7~ 57.9%, 지방 6.5~25.6%, 탄수화물 30%, 단백질 분해효소 저해제, 사포닌, 피토스테롤, 피트산, 루테인, 아이소플라본 및 안토시아닌 등이 함유되어져 있다. 콩 종실의 탄수화물 에는 식이섬유가 25%, 올리고당이 10% 정도이며, 올리고 당은 2~10개의 단당이 결합되어 있는 상태이고 대표적인 올리고당으로는 sucrose, raffinose, stachyose 등이 존재하 고 있다. Raffinose와 stachyose는 대두에서 각각 1%와 4% 정도 함유되어져 있다(Hymowitz et al., 1972). Raffinose와 stachyose는 sucrose에 galactose가 α-1, 6결합으로 1개 또 는 2개 결합되어 있는 형태로 장내에는 α-galactosidase 효 소가 결핍되어 있어 sucrose와 galactose로 분해시키지 못 하기 때문에 난소화성인 것으로 밝혀져 있다(Suarez et al., 1999). 난소화성당은 분해되지 않은 상태로 대장에 도달하 게 되고, 대장 내의 혐기성 미생물에 의해 분해되면서 가스 가 발생하면서 장을 불편하게 하고 체외로 배출시켜 불쾌 감을 주는 것으로 알려져 있다(Murphy et al., 1972). Suarez et al. (1997)은 일반적인 콩보다 raffinose와 stachyose의 함량이 떨어진 콩 생산물을 섭취하였을 경우 인체에서 가 스발생이 감소하였음을 보고하였다.

    성숙 콩 종실에 raffinose 및 stachyose의 함량이 낮은 유 전자원이 밝혀져 있으며(Kerr & Sebastian, 2000), Dierking 와 Bilyeu (2008)는 유전자원 PI200508로부터 RS2라는 raffinose synthase의 새로운 allele를 발견하였으며 rs2 gene은 raffinose 함량을 낮게 한다고 하였다. Hou et al. (2009)은 유전자형, 성숙군, 원산지에 따른 raffinose 및 stachyose의 함량 변이 를 보고하였고, Kumar et al. (2010)은 재배환경에 따른 함 량의 변이를 보고한 바 있다. Neus et al. (2005)은 정상계 통과 raffinose 및 stachyose의 함량이 낮은 계통간 농업적 형질의 차이를 보고하였다.

    우리나라에서 콩의 품종 개발은 1906년 대한제국 권업모 범장의 설립과 동시에 시작된 이래로 1990년대부터는 콩의 육종목표가 용도별 다양화와 품질의 고급화에 목적을 두고 있다. 콩의 이용 용도는 장류용, 두부·두유용, 나물용, 검정 콩 중심의 밥밑용콩으로 크게 분류되어지는데 현재의 콩 품종 육성은 용도별로 목표를 두고 진행되고 있다. 장류용 콩은 단백질 함량이 높고 대립이며, 발효와 관련된 가공 적 성이 높은 것, 가공 제품의 맛, 냄새, 색깔 및 수율등을 고 려한 형질의 개량에 목적을 두고 있다. 두부·두유용 콩 품 종은 두부의 수율, 조직감, 향미, 외관 품질, 단백질 고함량, 아미노산 조성등에 육종 목표를 두고 있다. 나물용콩은 단 시일 내에 빨리 자랄 수 있는 소질을 가진 품종이 유리한데 일반적으로 소립종이면서 콩나물 생산수율을 가장 큰 육종 목표로 진행되고 있다. 밥밑용콩은 주로 검정색, 갈색, 녹색 및 이들의 혼합색등 다양한 종피색과 대립이면서 단맛, 녹 색 자엽등에 육종 목표를 두고 있다(Park et al., 2000). 콩의 품질, 기능성, 가공적성을 저하시키는 stachyose와 raffinose 의 성분 함량이 낮은 용도별 다양한 콩 품종 육성을 위해서 는 성숙기, 백립중, 종피색, 자엽색등 농업적 형질이 다양하 면서 난소화성당의 함량이 낮은 다양한 자원이 필요하다. 따라서, 본 연구의 목적은 농업적 형질이 상이한 모본을 이 용하여 stachyose 및 raffinose의 함량이 낮은 육종계통들의 농업적 형질을 평가하여 용도별 난소화성당의 함량이 낮은 콩 품종 육성을 위한 자료를 얻기 위하여 수행되었다.

    재료 및 방법

    Raffinose 및 stachyose 저함량 계통의 선발

    콩의 품질 및 기능성을 저하시키는 raffinose 및 stachyose 의 함량이 낮은 다양한 콩 품종 육성을 위해 1개의 장려품 종, 1개의 재래종, 5개의 유전자원등 전체 7개의 모본을 이 용하였다. 이용된 7개의 모본에 대한 형질은 Table 1과 같다.

    이용된 7개의 모본중 raffinose 및 stachyose의 함량이 낮 은 모본은 “진양”이며(Chung, 2014), PI583835는 미국에서 소립콩으로 등록된 Mercury 품종이다(Specht et al., 1995). 검정콩으로 이용된 모본은 “Seoritae”로 성숙 자엽색이 푸 른색으로 오랫동안 우리나라에서 밥밑콩으로 이용되어져 온 주요 재래종이다. PI548625 모본은 중립종으로 미국에 서 육성된 Vinton81 품종이다(Iowa Agr. et al., 1984). 이 용된 7개의 모본은 백립중, 종피색, 제색, 성숙시기, 경장 등 농업적 형질에서 다양한 차이를 보인다. 모본을 2011년 온실에 파종하여 “진양” x PI583835, “진양” x PI506903, “진양” x PI424459, “진양” x PI427227, “진양” x PI548625, “진양” x “Seoritae”의 조합으로 교배를 통하여 F1 종자를 얻었다. 얻어진 F1 종자를 조합별로 2012년 온실에 파종하 여 F1 식물체로 양성하면서 잡종성을 확인 한 후 성숙기에 F2 종자를 얻었다. 얻어진 F2 종자를 조합별로 2012년 포장 에 파종하여 F2 집단으로 전개시켰다. 발아부터 수확기까지 초형, 도복, 경장, 성숙기 등을 관찰하면서 조합별로 우수한 개체를 선발하였다. 선발된 개체의 종자상태, 종피색, 제색, 백립중, 수량등을 점검하여 우수 F2 계통을 조합별로 선발 하였다. 조합별로 선발된 F2 계통의 F3 종자중에서 random 으로 종자를 골라 raffinose 및 stachyose의 성분 함량을 측 정하였다. 저함량 계통을 선발하여 2013년–2015년 동안 온 실 및 포장을 이용하여 세대진전, 계통 선발을 계속하여 6 개의 조합에서 10개의 F6 계통을 최종적으로 선발하였다. 교배부터 선발까지를 단계는 Fig. 1과 같다.

    Raffinose 및 stachyose 함량 분석

    선발계통의 포장 평가에 이용된 2개의 장려품종 (“진품 콩 2” 및 “풍산나물콩”) 및 조합별로 선발된 F2 계통의 F3 종자를 random으로 선발하여 raffinose 및 stachyose의 함 량을 분석하기 위한 시료로 사용하였다. 선발된 성숙 종자 를 막자와 사발을 이용하여 파쇄 한 후 분말 200 mg을 취 해 3 ml의 acetone 처리를 하고 60℃의 water bath에 두어 2시간 동안 반응시킨 후, 이를 2,000 rpm으로 5분간 원심 분리하여 침전물을 취함으로서 지방질을 제거하였다. 침전 물을 약 60℃의 heating block에서 열처리하여 남은 유기용 매를 완전히 제거하였고, 삼차 증류수 1.9 ml을 가하여 6 0℃의 water bath에 2시간 동안 둔 후 0.1 ml의 1 M 5-SSA (5-sulfosalicylic acid)를 첨가하여 4℃에 두고 overnight 시 켰다. 이를 3,000 rpm으로 5분간 원심분리하여 침전물은 버리고 상등액을 취하여 시료에 포함된 단백질을 비롯한 방해물질을 제거한 후 상등액 0.8 ml에 동량의 삼차 증류 수를 넣고 4℃에서 12,000 rpm으로 10분간 원심분리하여 상등액을 취하였다. 0.2 ㎛ membrane filter에 상등액을 여 과시킨 후 4℃에 보관하여 HPLC (High performance liquid chromatograhpy)로 raffinose 및 stachyose 함량을 분석하였 다. 사용된 HPLC는 Agilent 1100 series (Agilent Technologies, USA)이며, RI (reflective index) detector를 사용하였다. 분 석 column은 Supelcogel 610-H column (300×7.8 mm i.d., 9 μm, Supelco, USA)을 사용하였으며, elution solvent는 0.1% H3PO3 수용액을 사용하였고, 이동상의 flow rate는 0.6 ml/min, 시료의 주입량은 10 μl이었다. 각각의 표준용 액은 100 mg/ml을 삼차 증류수에 용해하여 stock solution 으로 갈색 유리병에 냉장보관한 후, 희석하여 1, 0.5, 0.25, 0.125, 0.0625 mg/ml로 하여 각각의 chromatogram을 얻었 으며 peak의 면적당 표준용액 농도의 관계로 검량선을 작 성하여 시료의 raffinose 및 stachyose 함량 정량분석에 적 용하였다(Sung et al., 2014).

    선발계통의 농업형질 평가

    전체 7개의 모본을 이용하여 6개의 조합으로부터 최종적 으로 선발된 10개의 F6 계통과 장류용 및 두부·두유용으로 이용되고 있는 장려품종인 “진품콩 2” (Kim et al., 1997) 와 나물용콩으로 널리 이용되고 있는 장려품종인 “풍산나 물콩”(Suh et al., 1997)등 12개의 공시재료를 경상남도 진 주시 소재 경남농업기술원 작물연구과 전작포장에 2016년 6월 17일 인력 노지직파 방법으로 파종하였다. 재식거리는 60×15 cm으로 1주 2본으로 유지하였고 시비량은 N-P2O5- K2O=3-3–3.4 kg/10a으로 전량기비 하였다. 재배방법은 표 준 재배법에 준하였고 시험구 배치는 난괴법 3반복으로 하 였다. 화색, 개화기, 성숙기, 도복, 종피색, 제색, 경장, 백립 중, 수량등 농업형질을 조사하였고 조사방법은 농촌진흥청 농사시험연구조사기준에 준하였다. 조사된 농업형질에 대 한 data는 SAS 프로그램을 이용하여 분산분석과 덩컨의 다 중검증을 실시하였다.

    결과 및 고찰

    콩의 품질, 기능성, 가공적성을 저하시키는 stachyose와 raffinose의 성분 함량이 낮은 선발된 10개의 공시계통들에 대한 선발계통명, 이용된 모본 및 주요 질적형질은 Table 2 와 같다.

    선발된 10개의 계통은 모두 자색꽃과 유한신육형이었고, RS-21 계통을 제외한 모두 노란 종피와 성숙 자엽색 및 제 색이었으며 RS-21 계통은 특수콩의 이용 용도에 적합한 검 정종피 및 녹색자엽을 보였다.

    현재 농가에서 재배되고 있는 2개의 장려품종과 선발된 10개의 계통에 대한 개화일, 수확일, 도복, 초장, 백립중, 수 량 및 난소화성당의 함량에 대한 3반복 data의 평균값, 덩 컨의 다중검증 및 분산분석 결과는 Table 3과 Table 4와 같 다. 공시된 10개의 계통들은 포장에서 발아 및 재배에서 특 이한 문제점은 관찰되지 않았다. 이는 raffinose와 stachyose 의 함량이 차이 나는 계통에 대한 포장 실험결과 수량 등 대부분의 농업적 형질에서 차이가 없었다는 이전의 연구 결과와 일치하였다(Jason et al., 2005).

    Table 3과 같이 장려품종인 “진품콩 2”와 “풍산나물콩” 의 개화기는 7월말-8월초를 보였지만 선발계통은 모두 이 보다 빨랐다. 특히, 883-1 계통은 개화기가 7월 24일로 가 장 빨랐으며 수확기도 9월 21일로 조숙이었다. 14G20 계통 은 수확기가 10월 23일로 만생종의 특성을 나타내었다. 도 복성에서 903-14, RS-64, RS-70의 3개 계통은 높은 지수를 나타내어 비록 난소화성당의 함량은 일반품종에 비하여 낮 았지만 모본으로서 이용될 경우 주의가 필요할 것으로 보 였다. 초장, 백립중, 수량은 Table 4와 같이 공시된 계통간 에 유의한 차이를 보였고 반복간에는 유의성이 없었다. 장 려품종의 초장은 42~49 cm의 범위였으며 선발계통은 31~ 94 cm의 범위를 보였고 계통간에도 다양한 차이를 나타내 었다. 본 연구에서 초장은 반복간에 유의성이 인정되지 않 아 콩에서 초장은 비교적 높은 유전력을 보이며 환경의 영 향을 적게 받는 것으로 보고한 이전의 결과와 유사하였다 (Anand & Torrie, 1963). 특히 14G20 선발계통은 초장이 94 cm로 가장 높았지만 도복에 강하여 모본으로서 이용 가 능성이 높았다. 콩의 이용성에서 중요한 형질인 백립중은 Table 4에서처럼 분산분석 결과 공시계통간에 유의한 차이 를 보였고 반복간에는 보이지 않아 백립중은 환경보다는 유전자의 영향이 훨씬 높은 것으로 알려져 보고한 이전의 결과와 일치하였다(Hanson & Weber, 1962; Kwon & Torrie, 1964; Mansur et al., 1993). 선발계통간 백립중은 14 g 내 외로 소립종에 가까운 것이 2계통(903-14. 883-1), 20–26 g 범위의 중립종과 유사한 것이 5계통(15A1, 15D1, RS-5, RS- 64, RS-70), 27–29 g의 대립종과 유사한 것이 3계통(14G20, RS-33, RS-21)으로 이용 용도별 난소화성당 저함량 콩 품 종 육성을 위한 다양한 중간모본으로 이용 가능성이 높을 것으로 보였다. 선발계통 RS-21은 검정종피와 녹색 성숙자 엽을 가져 난소화성당 저함량 특수용콩 품종 육성을 위한 모본으로 이용성이 높을 것으로 보였다. 콩의 재배에서 가 장 중요한 형질중의 하나인 수량성은 Table 4에 나타난것 처럼 반복간에는 유의성을 보이지 않았고 공시재료간 차이 를 보여, 일반적으로 수량은 다수의 유전자와 환경의 영향을 많이 받는 형질에 속하며 유전력은 3~58%로 대체로 낮은 편이라고 보고한 이전의 결과와 다소 일치하였다(Hanson & Weber, 1962; Weber & Moorthy, 1952). Table 3에서처럼 난소화성당 저함량 선발 계통간에도 수량성에서 다양한 차 이를 보여 수량성이 높은 난소화성당 저함량 콩 품종 육성 이 가능함을 보였다. 두 개의 선발계통(14G20, RS-21)은 공시된 장려품종과 수량성이 유사하거나 다소 높은 경향을 보였다.

    공시된 2개 품종 및 10계통에 대한 난소화성당 성분인 stachyose와 raffinose의 함량은 Table 4와 같이 유전자형에 따라 많은 차이를 보였고, 반복간에 유의성을 보여 타조사형 질(초장, 백립중, 수량)과는 다르게 환경에 민감하게 반응하 는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 stachyose 및 raffinose의 함량은 유전자형과 재배환경에 따라 변이를 보인다는 이전 의 연구결과와 유사한 경향을 보였다(Kumar et al., 2010). 공시된 장려품종에 대한 stachyose 및 raffinose의 함량은 19.5~24.4 g/kg으로 차이가 없었으며, 10개의 선발계통은 3.9~8.0 g/kg의 범위를 보였고 선발계통간에는 유의한 차 이가 없었지만 2개의 장려품종보다는 모두 유의하게 낮았 다. 전체 7개의 모본을 이용하여 난소화성당의 함량이 장려 품종보다 낮은 선발 10계통은 개화기, 수확기, 초장, 백립 중, 수량, 종피색, 도복등 농업적 형질에서 다양한 변이를 보여 용도별 난소화성당 저함량 콩 품종 육성을 위한 중간 모본으로 이용될 수 있을 것으로 보였다.

    적 요

    콩의 성숙 종실에 들어 있는 stachyose 및 raffinose 성분은 난소화성당으로 콩이나 콩 제품의 품질, 영양가치 및 가공적 성을 저하시키는 것으로 알려져 있다. Stachyose 및 raffinose 의 함량이 낮은 육종계통들의 농업적 형질을 평가하여 용 도별 난소화성당의 함량이 낮은 콩 품종 육성을 위한 자료 를 얻기 위하여 본 실험이 진행되었으며 얻어진 결과를 요 약하면 다음과 같다.

    • 1. 전체 7개의 모본을 이용하여 난소화성당의 함량이 낮 은 10개의 F6 선발 계통은 포장 평가에서 초장, 종피 색, 백립중, 성숙기, 수량, 도복등 농업형질에서 다양 한 차이를 보였다.

    • 2. 883-1 선발 계통은 백립중이 14.3 g으로 수확기가 9월 21일로 조숙이며 도복이 강하여 난소화성당 저함량 조생 소립품종 육성을 위한 중간모본으로 적당하였다.

    • 3. 백립중이 20–26 g 범위의 중립인 5개의 계통(15A1, 15D1, RS-5, RS-64, RS-70)중에서 RS-5 계통은 백립 중이 20.1 g 정도이며 종자상태가 매우 우수하고 도복 에 강하여 난소화성당의 함량이 낮은 중립콩 품종 육 성을 위한 중간모본으로 이용성이 높았다.

    • 4. 난소화성당의 함량이 낮아 품질 및 기능성이 우수한 장류용콩 품종 육성을 위한 중간 모본으로 14G20 선 발계통은 도복이 강하며 수량성이 매우 높고 백립중 이 29.7 g 정도의 대립이었다.

    • 5. 검정종피와 녹색자엽을 가진 RS-21 계통은 도복이 강 하며, 수량성이 매우 높고 백립중이 28.7 g 정도의 대 립으로, 난소화성당의 함량이 낮은 특수용콩 품종 육 성을 위한 중간모본으로 이용성이 높았다.

    사 사

    본 연구는 농림축산식품부의 농림수산식품기술기획평가 원의 연구개발과제(과제번호: 115074-2) 지원에 의해 이루 어진 것입니다.

    Figure

    KJCS-62-143_F1.gif

    Scheme for the development of 10 F6 lines with low contents of raffinose and stachyose used in this experiment.

    Table

    Agronomic traits and contents of raffinose (Raf.) and stachyose (Sta.) for the seven parents used in this experiment.

    Qualitative traits of ten F6 lines used in this experiment.

    Quantitative traits of two cultivars and ten F6 lines used in this experiment.

    1)0: not lodged, 9: completely lodged.
    2)Sum of stachyose (Sta.) and raffinose (Raf.) contents.
    3)Means with the same letters are not significantly different at the 5% significant level by Duncan’s multiple range test.

    Mean squares from the analysis of variance for the plant height (cm), seed weight (g/100 seed), yield (kg/10 a), and content (g/kg) of stachyose and raffinose in 2 cultivars and 10 F6 lines.

    **,*Significant at the 1% and 5% probability levels, respectively.
    NS:not significant.

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