벼는 세계에서 가장 오래되었으며 중요한 작물 중 하나로 다양한 종으로 분화되고 재배화되었다(Khush 1997). 아시아 재배종인 O. sativa L.는 크게 indica와 japonica의 두 가지 주요 아종으로 구분되어 오다 세분화되어 indica (이하 인디카), aus, temperate japonica (온대 자포니카), tropical japonica (열대 자포니카), aromatic 등 5가지 생태종으로 분류되고 있다(Glaszmann 1987, Garris et al. 2005). 이들 생태종을 형태학적, 유전적으로 구분 할 때 인디카와 aus 생태종이 진화적으로 유연관계에 있으며, 온대 자포니카, 열대 자포니카 그리고 aromatic 생태종이 유전적으로 관련되어 있는 것으로 알려져 있다(Liakat et al. 2011). 온대 자포니카 벼는 온대지역의 기후에 적합하게 적응하여 우리나라를 비롯하여 일본, 중국 동북지역 등에서 주로 재배되고 있으며, 인디카 벼는 열대와 아열대 지역의 기후에 적합하게 적응하여 중국 남부, 베트남, 태국, 인도 등에서 주로 재배되고 있고 유전적으로 다양한 특성을 나타낸다(Chang 1976, Mackill & Lei 1997). 온대 자포니카 벼는 낟알의 길이가 짧고 형태가 둥근 단립종의 단원형 입형 특성을 가지는 것이 많으며 아밀로스 함량이 낮고 밥을 지었을 때 찰성이 있고 끈기가 있는 반면, 인디카 벼는 낟알의 길이가 길고 너비가 얇은 장립종의 세장형 입형 특성을 나타내는 것이 많고 아밀로스 함량이 높고 밥의 찰기가 상대적으로 떨어지며 푸석푸석한 느낌을 가지는 경우가 많다(Juliano 1979, Calingacion et al. 2014). 국내 소비자들은 밥이 차지며 끈기가 있는 것을 좋아하는데, 생태종에 따른 입형과 식미의 차이로 인하여 우리나라에서는 온대 자포니카 벼 위주의 품종 개발과 쌀 산업 구조가 발달되었다(Choi 2002, Park et al. 2018).

미국에서 벼 재배는 아칸소, 캘리포니아, 루이지애나, 미시시피, 미주리, 텍사스 지역에서 주로 재배되며 이곳에서 생산되는 쌀은 미국 내 소비 뿐만 아니라 국외로 수출된다(McBride et al. 2018). 미국에서는 단립종, 중립종, 장립종의 다양한 입형 특성의 쌀을 생산한다(Snyder & Slaton 2001). 미국의 장립종 쌀은 남부 지역인 아칸소, 루이지애나, 미시시피, 미주리, 텍사스 등지에서 생산되고 중립종 및 단립종 쌀은 캘리포니아에서 주로 생산되는데, 전체 쌀 생산량에서 장립종, 중립종, 단립종이 차지하는 비율은 각각 약 75, 24, 1%이다(USDA 2021). 미국 벼 품종 115개에 대해서 SSR 분자표지를 이용하여 집단구조분석(population structure)을 수행한 결과 미국 품종들은 주로 중단립종의 온대 자포니카, 중립종의 열대 자포니카, 장립종의 열대 자포니카로 분류되는 것으로 나타났다(Lu et al. 2005). 미국 내 쌀 생산이 장립종과 중립종 위주로 이루어지고 있어 미국 내 재배되는 벼 품종들은 주로 열대 자포니카인 것으로 판단된다. 열대 자포니카 벼는 인디카에 비해서 유전자 다양성은 적지만, 같은 자포니카인 온대 자포니카 벼에 비해서는 다양성이 높은 것으로 알려져 있다(Izawa et al. 2009, Cordero-Lara 2020).

입형 특성은 수량과 품질에 중요한 역할을 하는 형질로 육종가에게 중요한 목표 형질이다. 입형을 구분하는 국제적인 기준은 정해져 있지 않고 각기 다른 기준을 사용하고 있다. 우리나라에서는 현미 길이를 기준으로 5.00 mm 이하 단립종(S; short), 5.01-5.5 mm 중단립종(MS; medium-short), 5.51-6.00 mm 중립종(M; medium), 6.01-7.00 mm 장립종(L; long), 7.01 mm 이상 초장립종(EL; extra long)으로 구분 하며, UPOV 기준을 따라 현미의 형태를 장폭비 1.5 이하 원형(round), 1.50-1.99 단원형(semi-round), 2.00-2.49 중원형(half spindle-shaped), 2.50-2.99 장원형(spindle- shaped), 3.00 이상 세장형(long spindle-shaped)으로 구분한다(KSVS 2005, RDA 2012). 우리나라에서 재배되는 밥쌀용 품종은 대부분 온대 자포니카로 이들 품종들의 입형 특성은 중단립종에 단원형의 협소한 유전적 배경을 가지고 있다(Park et al. 2017, Lee et al. 2020). 협소한 유전적 배경으로 인하여 새롭게 개발되는 육성 계통이나 품종들의 입형은 중단립종에 단원형 위주로 고착화되었다(Park et al. 2018). 우리나라 자포니카 벼의 정체되어 있는 수량성 장벽과 기후변화에 따른 품질저하 극복을 위한 기반연구와 더불어 새로운 품질에 대한 소비자의 요구 충족과 쌀 산업 발전을 위한 사회적 변화를 견인하기 위해서는 우리나라 자포니카 벼 품종의 입형 특성을 다양화 할 필요가 있다(Park et al. 2017).

벼 입형과 관련된 형질들은 양적유전자에 의해서 조절 되는 것으로 보고되어 있으며, 지난 20년 동안 입형과 관련되어 있는 400개 이상의 양적유전자좌(Quantitative trait locus, QTL)가 탐지 되었고, 이들 중 일부는 유전자 수준에서 기능도 구명 되었다(Huang et al. 2013). Zhang et al. 2020은 Nipponbare/Z1392의 을 통해 파생된 근동질유전자계통(Near Isogenic Lines, NIL) 를 사용하여 1, 5, 6번 염색체에서 입형과 관련된 7개의 QTLs를 탐색하였다. GW2는 클로닝되어 기능이 밝혀진 QTL 이며, Ring- type의 E3 유비퀴틴 라이게이즈를 암호화 한다(Song et al. 2007). GW2의 염기서열 결실로 인해 기능이 상실되면 낟알의 너비와 무게가 증가로 인해 수량이 증가된다(Achary & Reddy 2021). 또한 GS3은 염색체 3번에 위치하면서 낟알 길이와 종자 무게에 주동적인 영향의 미친다고 보고 되어 있으며, GS3의 기관크기조절 도메인의 결실, 염기서열 돌연변이로 인한 기능 상실은 낟알 길이가 길어지게 한다(Wang et al. 2011). 현재 OsLG3, GW2, GS3, TGW2, qLGY3, GL4, GS5, GW8, TGW6가 입형과 관련된 QTLs로 보고 되어 있다. 이들 중 GS3 (Wang et al. 2011), TGW6 (Hanif et al. 2016)의 기능 상실은 낟알 길이가 길어진다고 보고 되어 있으며, OsLG3 (Yu et al. 2017), qLGY3 (Li et al. 2021), GL4 (Li et al. 2018)는 낟알 길이를 길어지게 조절한다. 그리고 GW2, TGW2의 기능 상실은 낟알의 폭이 두꺼워 지게 하며, 이와 대조적으로 GS5, GW8은 낟알의 두께를 두껍게 해준다.

본 연구는 우리나라 온대 자포니카 벼 품종의 입형 특성을 다양화하기 위한 유용자원을 탐색하고자 입형 특성이 다양한 것으로 알려진 미국 품종을 대상으로 우리나라 환경조건에서 입형 관련 형질 특성을 분석하였다. 입형에 대한 특성 분석과 함께 품질에 관여하는 호화점도와 밥의 식감 특성을 분석함으로써 우리나라 품종과 미국 품종이 입형과 호화점도 및 식감 관련 형질 특성에 있어서 어떠한 차이가 나는지 살펴보고 그 과정에서 분석된 결과를 우리나라 자포니카 벼의 입형 다양화를 위한 육종연구에 이용하고자 수행하였다.

공시 품종 및 재배 방법

미국 육성 벼 품종 ‘Rico1’ (IT259444), ‘Pecos’ (IT259443), ‘Saturn’ (IT219310), ‘Mars’ (IT219309), ‘Saber’ (IT259445), ‘Shortlabelle’ (IT219164), ‘A008’ (IT219299), ‘Bluebelle’ (IT000390), ‘Rajbonnet’ (IT219280), ‘Cypress’ (IT259441), ‘Cocodrie’ (IT259440), ‘Lacassine’ (K126117), ‘Jefferson’ (IT259442), ‘A020’ (IT260535) 등 14품종을 농촌진흥청 농업유전자원센터에서 분양 받았고, 비교품종으로 국내 육성 품종인 ‘보람찬’을 추가하여 총 15품종을 시험에 이용하였다. 시험 재료를 농촌진흥청 국립식량과학원 벼 시험 포장(35º50’26.8’’N 127º02’42.8’’E, 해발 20 m)에서 2019년 보통기 재배방법으로 4월 30일 파종하여 5월 30일에 재식 거리 30×15 cm로 주당 1본씩 1줄당 26주를 3반복으로 이앙하였다. 시비량은 N-P₂O₅-K₂O를 90-45-57 kg/ha으로 질소는 기비 : 분얼비 : 수비를 50 : 20 : 30 비율로 분시 하였고, 인산은 전량 기비로, 칼륨은 기비 : 수비를 70 : 30 비율로 분시 하였다. 기타 재배 관리는 농촌진흥청 표준 재배법에 준하여 실시하였다(RDA 2012).

농업 관련 형질 조사

시험 재료의 출수기를 조사하고, 성숙기에 평균이 되는 5개체에 대해서 간장, 수장, 수수를 측정하였다. 출수기와 등숙기 사이에 소수와 종실 관련 형질인 외영과 내영의 색, 영의 모용성, 부선, 주두, 호영의 색, 까락의 유무를 조사하였다. 성숙기에 3주를 예취하여 등숙률 및 수당립수를 조사하였고 15주를 예취하여 간이 정조중을 측정하였다. 수확한 정조를 시험용 제현기(SY88-TH, Ssangyong, Incheon, Korea)를 이용하여 제현 하였고, 현미를 시험용 정미기(VP-32T, Kett, Yamagata, Japan)를 이용하여 도정하였다.

입형 관련 표현형 조사 및 유전자형 분석

미국 품종의 입형 특성을 조사하기 위하여 제현된 현미 중 등숙이 충실이 이루어진 현미를 선별하여 길이, 너비, 두께를 캘리퍼스(Caliper CD-15CP, Mitutoyo Corp., Japan)를 이용하여 5립씩 조사하고 너비에 대한 길이의 비율로 장폭비를 계산하였다. 선별된 현미 100립에 대한 무게를 3반복으로 측정하여 평균 값을 천립중으로 환산하였다.

미국 품종의 입형 관련 유전자형 분석을 위하여 9개의 입형 관련 유전자 GW2, GS3, qGL3, qLGY3, qSW5, GS5, TGW6, GW7, GW8를 탐지하는 분자표지를 이용하여 유전자형을 분석하였다. Genomic DNA 추출은 BioSprint 96 (Qiagen Co., Düren, Germany)을 이용하였다. 샘플을 TissueLyserⅡ (Qiagen Co., Düren, Germany)를 이용하여 마쇄한 후 BioSprint 96 DNA Plant Kit (Qiagen Co., Düren, Germany)를 이용하여 DNA를 추출하였다. 입형 관련 유전자형 분석은 기존의 연구결과에서 적용되었던 분자표지 GW2-HpaⅠ (GW2 대상), GS3-PstⅠ(GS3), Xj24 (qGL3), OsMADS1-INDEL (qLGY3/OsMADS1), N1212del (qSW5), GS5-03SNP (GS5), TGW6-1d (TGW6), GW7-INDEL (GW7), GW8-INDEL (GW8)를 이용하였다(Kim et al. 2016, Park et al. 2018, Wu et al. 2018). PCR 반응 및 전기영동 등 분자표지를 입형 관련 유전자형 분석은 기존의 연구결과에 준하여 수행하였다(Lee et al. 2020).

호화점도 특성 조사

쌀가루의 호화점도 특성을 신속점도측정기 RVA4500 (Perten Instruments, New South Wales, Australia)를 이용하여 측정하였다(Park et al. 2021). 용기에 쌀가루 시료 3 g과 25 mL의 증류수를 넣어 분산시키고 온도를 50-95℃까지 상승 및 유지시킨 후 다시 50℃까지 냉각, 유지하면서 점도를 측정하였다. 호화점도 특성은 호화개시온도(pasting temperature), 최고점도(peak viscosity), 최저점도(trough viscosity), 최종점도(final viscosity)를 구하고, 이것을 이용하여 강하점도(break down; 최고점도-최저점도)와 치반점도(setback; 최종점도-최고점도)를 계산하였다. 점도단위는 RVU (rapid viscosity unit)로 표시하였다.

식감 특성 조사

식감 특성은 사람이 밥을 먹을 때 관능적으로 느끼는 저작감을 기계적으로 간편하게 측정할 수 있는 방법으로 일본에서 개발된 텐시프레서(My Boy Ⅱ System, Taketomo Electric Inc., Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였다(Kim et al. 2018). 백미 시료 30 g을 스테인레스 컵(높이 8 cm, 직경 4 cm)에 넣고 가볍게 저어주면서 물로 2회 수세한 후 4시간 동안 침지하였다. 침지된 시료를 자체적으로 제작한 다점취반기에 넣고 강한 불로 10분 동안 열을 가한 다음 중간 불로 10분, 약한 불로 10분 동안 취반하였다. 용기 내 물을 제거한 후 약한 불로 10분 정도 더 뜸을 들인 다음 상온이 될 때까지 방치한 시료를 사용하였다. 취반한 밥을 10 g씩 무작위로 칭량하여 시료컵에 압축성형하고, 2분 동안 정치시킨 다음 puncture 프로브(접촉 면적 25 mm²)가 설치된 텐시프레서에 장착하여 20 Kgw의 하중으로 first bite 25%, second bite 90%의 압력으로 5회 반복 측정하였다. 조사항목은 밥의 경도(hardness), 부착성(adhesiveness), 탄력성(toughness), 찰기(stickness)를 측정하였다(Takahashi et al. 2000).

통계 분석

통계 분석은 R (Version 4.0.2, The R Foundation for Statistical Computing Platform)을 이용하였다. 각 형질의 평균 등 기술 통계, Duncan’s Multiple Range Test (DMRT)를 이용한 평균간 비교 분석을 agricolae 패키지를 이용하여 수행하였다. 입형과 호화점도 및 식감 관련 형질들의 주성분분석을 ggfortify, K-means 군집분석을 factoextra 패키지를 이용하여 수행하였고, 해당 형질들의 상관관계를 corrplot 패키지를 이용하여 분석하였다.

농업관련 형질 특성 분석

우리나라 환경조건에서 ‘Pecos’, ‘Cypress’, ‘A020’ 등 14개 미국 벼 품종들의 출수기, 간장, 등숙률 등 농업관련 형질 특성을 조사하였다(Table 1). 미국 품종들의 출수일수는 평균 103 DAS (범위 97-109 DAS)로 ‘Lacassine’ (109 DAS)을 제외한 대부분의 품종들이 우리나라 중만생 품종인 ‘보람찬’(109 DAS)에 비해 출수가 빠른 준조생-중만생종에 속하였다. 미국 품종들의 간장은 평균 74 cm (범위 65-86 cm)로 ‘Cypress’ (65 cm)를 제외한 대부분의 품종들이 ‘보람찬’(65 cm) 보다 컸고, 수장은 평균 22 cm (18-28 cm)로 ‘Pecos’ (18 cm), ‘A020’ (19 cm), ‘Shortlabelle’ (20 cm), ‘Jefferson’ (20 cm)을 제외한 10개 품종들이 ‘보람찬’ (20 cm) 보다 수장이 길었다. 주요 수량 구성요소 중 수수는 평균 9개(범위 8-10개)로 모든 품종들이 ‘보람찬’(11개)보다 적었으며, 수당립수는 평균 130개(범위 99-158)로 ‘A020’ (78개), ‘Pecos’ (99개), ‘Jefferson’ (100개)을 제외한 11개 품종들이 ‘보람찬’(114개)보다 많았다. 등숙률은 평균 92.8% (범위 90.0- 95.8%)로 ‘Saber’ (95.8%), ‘A020’ (95.1%), ‘Pecos’ (94.4%), ‘Jefferson’ (94.3%), ‘Lacassine’ (94.1%)을 제외한 9개 품종들이 ‘보람찬’(94.1%)보다 낮았고, 간이 수량은 평균 418 g (333- 595 g)로 ‘Rico1’ (595 g)을 제외한 대부분의 품종들이 ‘보람찬’(583 g)보다 낮았다. 우리나라 환경조건에서 미국 품종들은 중만생종인 ‘보람찬’에 비해 출수가 빠른 준조생-중만생종의 출수 생태형을 나타냈으며, 간장과 수장이 길었으며 수수는 적은 편이었다. ‘보람찬’에 비해 수당립수는 많은 편이며 등숙률과 간이 수량이 낮은 편이었다.

Table 1

Yield-related traits of U.S. rice varieties

Variety	HDz (DAS)	CL (cm)	PL (cm)	PN	NS	RRG (%)	Yield (g)
Boramchan	109ay	65c	20efgh	11a	114fg	94.1abc	583a
Rico1	102cd	72bc	22cdefg	10ab	144abcd	91.0cd	595a
Pecos	97f	73bc	18h	9c	99g	94.4abc	408cd
Saturn	98ef	83a	22cd	8c	131cde	90.2d	333f
Mars	102cd	79ab	22defg	8c	158a	90.0d	409cd
Saber	105b	71bc	24c	8c	147abc	95.8a	395cdef
Shortlabelle	100cd	71bc	20gh	9abc	121ef	91.5bcd	390cdef
A008	106b	86a	28a	8c	158a	91.4bcd	393cdef
Bluebelle	105b	84a	26b	9c	142abcd	94.0abc	420bcd
Rajbonnet	106b	80ab	23cd	9bc	139bcd	93.3abcd	476b
Cypress	106b	65c	22cde	9c	117ef	92.4abcd	404cde
Cocodrie	102c	72bc	23cd	8c	153ab	91.5bcd	477b
Lacassine	109a	70bc	22cdef	8c	130def	94.1abc	444bc
Jefferson	101cd	67c	20fgh	8c	100g	94.3abc	370def
A020	100de	67c	19h	9bc	78h	95.1ab	342ef
Totalx	103	74	22	9	130	92.8	418
Range	97-109	65-86	18-28	8-10	99-158	90.0-95.8	333-595

^zHD: heading date, DAS: days after seeding, CL: culm length, PL: panicle length, PN: number of panicles per hill, NS: number of spikelets per panicle, RRG: ratio of ripened grain

^yMeans with same letters in a column are not significantly different at p<0.05 (ANOVA followed by DMRT)

^xThe value of total is calculated for U.S. rice varieties (n=14)

미국 품종의 소수와 종실의 형태학적 특성을 조사하였다(Table 2). ‘보람찬’을 비롯하여 우리나라 대부분의 자포니카 벼 품종들의 외영과 내영에는 강모가 있고 짚색을 나타내는 반면, 공시된 14개 미국 품종 모두 강모가 없는 매끄러운 영을 가지고 있고 ‘Pecos’와 ‘Bluebelle’ 품종은 영색이 황금색이었다. 부선색은 ‘Saturn’, ‘Mars’, ‘A008’, ‘Jefferson’은 ‘보람찬’과 같은 짚색을 나타낸 반면, ‘Pecos’는 자주색을 나타냈고, ‘Rico1’, ‘Saber’, ‘Shortlabelle’, ‘Bluebelle’, ‘Rajbonnet’, ‘Cypress’, ‘Cocodrie’, ‘A020’ 등 8품종은 갈색을 나타냈다. 주두색은 자주색을 나타낸 ‘Pecos’와 ‘Bluebelle’을 제외하고 모두 흰색을 나타냈으며, 호영과 까락의 유무는 ‘보람찬’과 같이 짚색에 까락이 없는 특징을 나타냈다. 미국 품종들은 모두 강모가 없는 매끄러운 종실을 가지고 있었는데, 매끄러운 종실 특성은 잎의 강모와도 연관되어 있어 잎도 강모가 약한 특성을 나타냈다(Hu et al. 2013). 종실에 있는 강모는 약 60%가 규소결정체로 구성되어 있는데, 매끄러운 영의 경우 농작업 시 농기계의 마모경감, 작업자의 가려움 방지와 먼지감소로 작업 위생 향상, 종실의 부피를 적게 하기 때문에 저장과 운반에서의 경제성 증대 등 많은 이점이 있는 형질 특성으로 보고되고 있다(Li et al. 2012, Hu et al. 2013). 우리나라에서 매끄러운 영을 가진 벼 품종은 가축의 소화율을 증가시키고 기호성을 증대할 목적으로 개발된 사료용 벼 ‘중모1038호’ 1품종이 개발되어 있을 뿐 아직까지 밥쌀용 벼 품종에서 매끄러운 영을 가진 벼 품종은 개발된 바 없다(Ahn et al. 2016). 매끄러운 영을 가진 미국 벼 품종은 우리나라 밥쌀용 품종의 수확후 이용성 증대를 위한 교배모본으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Table 2

Morphological characteristics of spikelet and grain of U.S. rice varieties

Variety	Lemma and palea		Apiculus color	Stigma color	Sterile lemma color	Awning
	pubesence	color
Boramchan	short hair	straw	straw	white	straw	absent
Rico1	glabrous	straw	brown	white	straw	absent
Pecos	glabrous	gold	purple	purple	straw	absent
Saturn	glabrous	straw	straw	white	straw	absent
Mars	glabrous	straw	straw	white	straw	absent
Saber	glabrous	straw	brown	white	straw	absent
Shortlabelle	glabrous	straw	brown	white	straw	absent
A008	glabrous	straw	straw	white	straw	absent
Bluebelle	glabrous	gold	brown	purple	straw	absent
Rajbonnet	glabrous	straw	brown	white	straw	absent
Cypress	glabrous	straw	brown	white	straw	absent
Cocodrie	glabrous	straw	brown	white	straw	absent
Lacassine	glabrous	straw	brown	white	straw	absent
Jefferson	glabrous	straw	straw	white	straw	absent
A020	glabrous	straw	brown	white	straw	absent

입형 관련 표현형 분석

미국 벼 품종의 입형 관련 표현형 특성을 조사하였다(Table 3). 미국 품종은 현미 길이 6.88 mm (범위 5.69-8.12 mm), 너비 2.31 mm (2.05-2.73 mm), 두께 1.76 mm (1.64-1.86 mm)로 우리나라 품종 ‘보람찬’(길이 5.04 mm, 너비 3.08 mm, 두께 2.05 mm)에 비해 길이가 길고 너비는 좁으며 두께가 얇았다. 우리나라 입형 분류의 길이 기준으로 보면, ‘보람찬’은 현미 길이 5.04 mm의 중단립종인 반면, 미국 품종은 모두 현미 길이 5.51 mm이상의 중립종(5.51-6.00 mm), 장립종(6.01-7.00 mm), 초장립종(7.01 mm 이상) 길이를 가지고 있었다. 미국 14개 품종 중 ‘A020’ (현미 길이 8.12 mm), ‘Jefferson’ (7.56 mm) 등 절반이 넘는 8개 품종(범위 7.04-8.12 mm)이 초장립종 길이를 가질 정도로 길이가 긴 특성을 나타냈으며, 현미 너비(2.05-2.73 mm)가 ‘보람찬’(3.08 mm)에 비해 통계적으로 유의하게 좁은 특성을 나타냈다. 이러한 특성으로 인해 현미 장폭비를 통한 입형 분류에서 ‘보람찬’은 현미 장폭비 1.64의 단원형을 나타낸 반면, 미국 품종은 ‘Pecos’ (2.09), ‘Rico1’ (2.11), ‘Saturn’ (2.22), ‘Mars’ (2.30) 등 4품종이 중원형에 속하였고 ‘A020’ (3.68), ‘Rajbonnet’ (3.59) 등 나머지 10품종은 세장형(범위 3.12-3.68)으로 우리나라 품종들에 비해 길이가 길고 폭이 얇은 입형 특성을 가지고 있어 육안으로도 구분이 되었다(Fig. 1A). 현미 천립중은 ‘A020’ (24.9 g), ‘Jefferson’ (23.9 g) 2품종을 제외한 12개 품종(범위 16.6-20.9 g)들이 ‘보람찬’(22.9 g)에 비해 가벼운 특성을 나타냈다. 주성분분석을 통해 입형 관련 형질과 공시품종들의 구조적 관계를 파악하였다(Fig. 2A). 주성분 1과 주성분 2를 통해 전체 형질 변이의 98.6%를 설명할 수 있었다. 현미 길이와 장폭비가 밀접하여 분포하고 있었으며, 주성분 1을 기준으로 현미 길이와 장폭비와 현미 너비 및 두께가 다른 방향성을 나타냈다. K-means 군집분석을 수행하여 입형 관련 형질에 따라 공시품종들의 그룹을 분류하였다(Fig. 2B). 군집이 2, 3, 4개일 때 전체 형질 변이를 설명하는 정도가 61.6, 80.2, 89.9%로 품종들의 입형 관련 형질 특성을 세분화하기 위하여 군집의 수를 4개로 정하여 분석을 수행하였다. 군집분석 결과 중단립종에 단원형 입형 특성을 가진 ‘보람찬’은 단독으로 군집 G_UV1에 분류되어 미국 품종들과 입형 특성이 확연히 다름을 알 수 있었다. 미국 품종은 ‘Rico1’, ‘Pecos’, ‘Saturn’, ‘Mars’ 4품종이 군집 G_UV2로 분류되었고, ‘Saber’, ‘Cypress’, ‘Lacassine’ 등 가장 많은 8개 품종이 G_UV3, ‘Jefferson’, ‘A020’ 2품종이 G_UV4로 분류되었다(Table 4). G_UV2로 분류된 품종들은 모두 중원형 입형 특성을 가졌으며, 장립종의 ‘Mars’를 제외한 3품종이 중립종의 길이를 나타냈다. G_UV3과 G_UV4에 속하는 품종 모두 장립종 이상의 현미 길이를 가지고 있으며 장폭비가 세장형인 특성을 나타냈다. G_UV4는 G_UV3에 비해 현미 길이가 길고 너비가 넓으며 두께가 두꺼워 현미 천립중이 무거운 특성을 나타냈다. 국내 자포니카 벼 225품종은 평균 현미 길이 5.20 mm의 중단립종에 너비 2.90 mm를 나타내며 장폭비 1.79의 단원형 입형의 매우 협소한 유전배경을 가지고 있다(Lee et al. 2020). 미국 품종은 중립종, 장립종, 초장립종의 다양한 길이를 가지고 있으며, 중원형과 세장형과 같이 우리나라 자포니카 벼 품종이 가지고 있지 않는 입형 특성을 가지고 있어 우리나라 벼 품종의 입형 다양화를 위한 교배모본으로 활용될 것으로 기대된다.

Table 3

Grain-related traits of U.S. rice varieties

Variety	GLz (mm)	GW (mm)	GT (mm)	RLW	TGW	Clustery	Allele combinationx
Boramchan	5.04hw	3.08a	2.05a	1.64h	22.9c	G_UV1	CU1
Rico1	5.69g	2.70b	1.84b	2.11g	20.9d	G_UV2	CU2
Pecos	5.71g	2.73b	1.81b	2.09g	20.4de	G_UV2	CU2
Saturn	5.93fg	2.67b	1.86b	2.22g	20.7d	G_UV2	CU3
Mars	6.08f	2.65b	1.82b	2.30g	19.6ef	G_UV2	CU3
Saber	6.59e	2.09ef	1.66d	3.15ef	16.6i	G_UV3	CU4
Shortlabelle	6.71de	2.16def	1.72c	3.12f	18.1gh	G_UV3	CU5
A008	7.04cd	2.08f	1.64d	3.38bcde	17.6h	G_UV3	CU5
Bluebelle	7.35bc	2.14def	1.73c	3.43bcd	18.8fg	G_UV3	CU5
Rajbonnet	7.37bc	2.05f	1.65d	3.59ab	17.6h	G_UV3	CU5
Cypress	7.26bc	2.20de	1.74c	3.31cdef	19.4f	G_UV3	CU5
Cocodrie	7.40bc	2.20d	1.75c	3.37bcde	20.5de	G_UV3	CU5
Lacassine	7.57b	2.14def	1.74c	3.55abc	20.8d	G_UV3	CU5
Jefferson	7.56b	2.34c	1.81b	3.25def	23.9b	G_UV4	CU5
A020	8.12a	2.22d	1.85b	3.68a	24.9a	G_UV4	CU6
Totalu	6.88	2.31	1.76	3.04	20.0
Range	5.69-8.12	2.05-2.73	1.64-1.86	2.09-3.68	16.6-24.9

^zGL: grain length, GW: grain width, GT: grain thickness, RLW: ratio of length to width, TGW: 1,000-grain weight

^yG_UV1-4: clusters classified by K-means clustering

^xCU1: GW2-GS3_C-qGL3-qLGY3-qsw5_N-gs5-TGW6-GW7-GW8CU2: GW2-GS3_C-qGL3-qLGY3-qSW5-gs5-TGW6-GW7-GW8CU3: GW2-GS3_C-qGL3-qlgy3-qSW5-gs5-TGW6-GW7-GW8CU4: GW2-GS3_B-qgl3-qlgy3-qSW5-gs5-TGW6-GW7-GW8CU5: GW2-gs3-qGL3-qlgy3-qSW5-gs5-TGW6-GW7-GW8CU6: GW2-gs3-qGL3-qlgy3-qSW5-gs5-TGW6-GW7-gw8

^wMeans with same letters in a column are not significantly different at p<0.05 (ANOVA followed by DMRT)

^uThe value of total is calculated for U.S. rice varieties (n=14)

Table 4

Characterization of grain-related traits of U.S. rice varieties classified by K-means clustering analysis

Cluster	n	Varietyz	Brown rice
			GLy	GW	GT	RLW	TGW
G_UV1	1	BRC	5.04cx	3.08a	2.05a	1.64c	22.9ab
G_UV2	4	RC1, PCS, ST, MS	5.85b	2.69b	1.83b	2.18b	20.4bc
G_UV3	8	SB, SLBL, A008, BLBL, RJBN, CPRS, CCDR, LCS,	7.16a	2.13d	1.70c	3.36a	18.7c
G_UV4	2	JFS, A020	7.84a	2.28c	1.83b	3.46a	24.4a
Total	15		6.76	2.36	1.78	2.95	20.19
C.V. (%)			4.70	2.20	2.20	5.80	6.10

^zBRC: Boramchan, RC1: Rico1, PCS: Pecos, ST: Saturn, MS: Mars, SB: Saber, SLBL: Shortlabelle, BLBL: Bluebelle, RJBN: Rajbonnet, CPRS: Cypress, CCDR: Cocodrie, LCS: Lacassine, JFS: Jefferson

^yGL: grain length, GW: grain width, GT: grain thickness, RLW: ratio of length to width, TGW: 1,000-grain weight

^xMeans with same letters in a column are not significantly different at p<0.05 (ANOVA followed by DMRT)

Fig. 1. Phenotype (A) and genotype (B) of grains of U.S. rice varieties. The number of grains in the petridish is 100. PCR analysis was conducted to confirm the allele types of nine grain-related genes, GW2, GS3, qGL3, qLGY3, qSW5, GS5, TGW6, GW7, and GW8. M: DNA size marker, 1: Boramchan (BRC), 2: Rico1 (RC1), 3: Pecos (PCS), 4: Saturn (ST), 5: Mars (MS), 6: Saber (SB), 7: Shortlabelle (SLBL), 8: A008, 9: Bluebelle (BLBL), 10: Rajbonnet (RJBN), 11: Cypress (CPRS), 12: Cocodrie (CCDR), 13: Lacassine (LCS), 14: Jefferson (JFS), 15: A020.

Fig. 2. Distribution of U.S. rice varieties using grain-related traits. Principal component analysis (A) and K-means clustering analysis (B). PC1: principal component 1, PC2: principal component 2, GL: grain length, GW: grain width, GT: grain thickness, RLW: ratio of length to width, TGW: 1,000-grain weight. Dim1: dimension 1, Dim2: dimension 2.

입형 관련 대립유전자형 분석

미국 품종이 가지고 있는 다양한 입형 특성을 해석하기 위하여 GW2, GS3, qGL3, qLGY3, qSW5, GS5, TGW6, GW7, GW8 등 9개 입형 관련 유전자에 대한 대립유전자형을 분석하였다(Fig. 1B). 9개 유전자 중 GW2, GS5, TGW6, GW7 등 4개 유전자에서는 품종들의 다형성이 없는 것으로 나타났다(Lee et al. 2020). GW2, GS5, TGW6는 국내 272개 품종(자포니카 225품종, 흑미 14품종, 통일형 33품종)에 대한 대립유전자형 분석에서 종실 크기가 커지는 방향으로 작용하는 대립유전자인 gw2, GS5, tgw6를 보유한 품종은 전체의 1.1%, 4.8%, 0.4%로 해당 대립유전자의 빈도는 낮다고 하였는데(Lee et al. 2020), 미국 품종들도 모두 종실 크기가 일반형인 GW2, gs5, TGW6 대립유전자를 가지고 있었다. GW7 유전자의 경우 국내 품종에 대한 대립유전자형 분석에서 종실의 너비가 커지는 자포니카 ‘Nipponbare’ 유래 대립유전자형 gw7과 종실 크기가 일반형인 인디카 ‘9311’ 유래 대립유전자형 GW7이 각각 43.4%, 56.6%로 비슷한 빈도수를 나타낸다고 하였는데(Lee et al. 2020), 미국 품종들은 모두 ‘보람찬’과 같은 ‘Nipponbare’ 유래 gw7 대립유전자를 보유하고 있어 편이된 분포를 나타냈다.

다형성이 있었던 GS3, qGL3, qLGY3, qSW5, GW8에 대한 품종간 대립유전자형을 분석하였다. 종실의 길이에 관여하는 주동유전자인 GS3에 대한 대립유전자형은 유전자의 기능이 발현하는 GS3_C형, 기능상실에 의하여 종실 길이와 무게가 증가하는 gs3형(A allele type), A, C-allele 이외에 다른 B-allele 형태로 중간의 표현형을 나타내는 GS3_B형 등 3개의 대립유전자형이 탐색되었다. 국내 272개 품종(자포니카 225품종, 흑미 14품종, 통일형 33품종)에 대한 GS3에 대한 대립유전자형 분석 결과 전체품종의 87.1%인 대부분의 품종들이 GS3_C형를 가지고 있고, gs3형은 8.5%, GS3_B형은 4.4%를 차지한다고 하였으며, 225개 자포니카 품종에서는 GS3_B형은 존재하지 않고 gs3형은 ‘신동진’, ‘소비’ 등 6품종(전체 2.7%)만이 보유하고 있어 매우 협소한 유전적 다양성을 보인다 하였다(Lee et al. 2020). 본 연구결과 미국 품종들 중 ‘Rico1’, ‘Pecos’, ‘Saturn’, ‘Mars’ 등 4품종이 ‘보람찬’과 같이 GS3_C 대립유전자를 가지고 있었으며, ‘Saber’ 1품종만이 GS3_B형을 나타냈으며, ‘Cypress’, ‘A020’ 등 나머지 9 품종이 종실의 길이가 길어지는 gs3형을 가지고 있었다. 종실 길이에 관여하는 다른 유전자인 qGL3에 대한 대립유전자형 분석 결과, ‘Saber’ 품종만이 종실이 길어지는 기능상실 대립유전자인 qgl3를 나타냈고, 나머지는 정상인 qGL3형을 나타냈다. 국내 272개 품종 중 qgl3 대립유전자를 보유하는 30품종은 모두 통일형으로 qgl3형은 통일형에 특이적인 대립유전자인 것으로 생각된다 하였다(Lee et al. 2020). ‘Saber’ 품종은 현미 길이 6.59 mm의 장립종에 장폭비 3.15의 세장형으로 너비가 좁고 두께가 얇으며 천립중이 가장 가벼운 특징을 나타냈으며, 국내 품종 중 대립유전자 빈도가 낮은 qgl3형과 GS3_B형 모두 가지고 있어 입형 다양화를 위한 교배모본으로 활용될 수 있을 것으로 판단되었다. qLGY3는 MADS 도메인 전사인자로 알려진 OsMADS1을 암호화 하고 있으며, qlgy3 대립유전자는 종실이 얇아지는 입형 특성을 나타낸다(Li et al. 2018). 본 연구에서 qLGY3 대립유전자를 보유하고 있는 품종은 ‘보람찬’과 ‘Rico1’, ‘Pecos’ 등 3품종이고 나머지 12개 미국 품종들은 종실이 얇아지는 것으로 알려진 qlgy3형을 가지고 있었다. 입형 관련 표현형 분석에서 ‘보람찬’은 공시품종 중에 현미 너비가 가장 넓어 G_UV1에 단독으로 분류되었고, ‘Rico1’과 ‘Pecos’는 ‘Saturn’과 ‘Mars’와 함께 두 번째로 너비가 넓은 G_UV2그룹으로 분류되었다. qLGY3 대립유전자를 가지고 있는 ‘Rico’와 ‘Pecos’는 qlgy3형를 보유한 ‘Saturn’과 ‘Mars’에 비해 현미 길이는 짧고 너비는 넓어 장폭비가 작은 특성을 나타냈으나 너비, 두께, 장폭비에 대한 통계적 유의성은 없었다. 종실의 너비에 관여하는 주동유전자인 qSW5에 대한 대립유전자형은 유전자의 기능이 발현하는 qSW5형과 기능상실에 의하여 종실의 너비와 무게가 증가하는 qsw5_N형 2개의 대립유전자가 탐색되었다. ‘보람찬’은 qsw5_N 대립유전자형을 나타낸 반면, 14개 미국 품종은 모두 qSW5형을 나타냈다. 국내 272개 품종(자포니카 225품종, 흑미 14품종, 통일형 33품종)의 qSW5에 대한 대립유전자형 분석 결과 전체품종의 95.2%인 대부분의 품종들이 자포니카 ‘Nipponbare’의 기능상실형인 qsw5_N형을 가지고 있고, 인디카 유래 또다른 기능상실형 qsw5_I형은 2.2%를 차지하며, aus 생태종인 ‘Kasalath’의 기능발현형인 qSW5형은 2.6%만이 보유하고 있으며, 국내 자포니카 225개 품종 중에서는 98.7%가 qsw5_N형이고 qSW5형은 ‘아로미’ 1품종이라는 보고와 비교해 볼 때 미국 품종은 우리나라 품종들과 qSW5 유전자에 대한 대립유전자 빈도가 크게 다른 것으로 확인되었다. 이를 통해 qSW5 대립유전자형은 미국 품종의 입형을 대표하는 대립유전자로 판단되었다. GW8은 전사인자 OsSPL16을 암호화 하고 있으며, 종식 폭의 세포 분열을 증가시켜 종실의 너비 증가에 관여하는 유전자이다(Wang et al. 2012). 대립유전자형 분석 결과 종실 너비가 줄어드는 대립유전자 gw8을 보유한 품종은 ‘A020’이 유일하며, 나머지 품종들은 모두 GW8형을 가지고 있었다. 국내 272개 품종 중 gw8 대립유전자를 보유하는 31품종은 모두 통일형으로 gw8형은 통일형에 특이적인 대립유전자인 것으로 판단된다 하였다(Lee et al. 2020). 미국 품종 ‘A020’은 현미 길이가 8.12 mm의 초장립종으로 공시된 품종들 중에 길이가 가장 길었으며 장폭비도 3.68로 가장 갸름한 형태의 입형 특성을 가지며 천립중이 24.9 g으로 가장 무거워 입형 다양화를 위한 유용자원으로 판단되었다. 또한 ‘A020’의 쌀은 향취성을 나타냈는데, 향 관련 유전자를 탐지하는 분자표지인 FME7을 이용하여 분석한 결과 8번 염색체의 Badh2 유전자의 7번 엑손에서 8-bp가 결실되어 향취성을 나타내는 badh2 대립유전자을 가지고 있는 것으로 확인되었다(Park & He 2015) (Supplementary Fig. 1). 미국 품종 ‘A020’은 해외에서 시장성이 높은 것으로 알려진 초장립 세장형 입형의 향미 품종 개발을 위한 교배모본으로 육종사업에서 활용될 것으로 기대된다.

입형 관련 유전자 9개 중 다형성이 없었던 GW2, gs5, TGW6, GW7을 제외한 GS3, qGL3, qLGY3, qSW5, GW8 등 5개 유전자의 대립유전자형 조합에 따라서 입형 특성을 비교 분석하였다(Fig. 3). 대립유전자형 조합은 6개(CU1-CU6)가 탐색되었으며, CU1 (GS3_C-qGL3-qLGY3-qsw5_N-GW8) 조합에는 우리나라 품종 ‘보람찬’이 단독으로 포함되었으며, 미국 품종은 CU2 (GS3_C-qGL3-qLGY3-qSW5-GW8)에 2품종(‘Rico1’, ‘Pecos’), CU3 (GS3_C-qGL3-qlgy3-qSW5-GW8)에 2품종(‘Saturn’, ‘Mars’), CU4 (GS3_B-qgl3-qlgy3-qSW5-GW8)에 1품종(‘Saber’), CU5 (gs3-qGL3-qlgy3-qSW5-GW8)에 가장 많은 8품종(‘Shortlabelle’, ‘A008’, ‘Bluebelle’, ‘Rajbonnet’, ‘Cypress’, ‘Cocodrie’, ‘Lacassine’, ‘Jefferson’), CU6 (gs3-qGL3-qlgy3-qSW5-gw8)에 1품종(‘A020’)이 포함되었다. CU2조합은 ‘보람찬’이 속한 CU1에서 qsw5_N이 qSW5로 변경된 조합으로 CU1에 비해 현미 길이가 긴 중립종에 폭이 좁아 장폭비 2.10의 중원형 입형 특성을 나타내며 두께가 얇고 천립중이 가벼운 특성을 나타냈다. CU3 조합은 CU2에서 qLGY3가 qlgy3로 변경된 조합으로 CU2에 비해 현미 너비, 두께, 장폭비, 천립중은 통계적 차이가 없으나 길이가 길어져 장립종 특성을 나타냈다. CU4조합은 CU3에서 GS3_C가 GS3_B, qGL3가 qgl3로 변경된 조합으로 CU3에 비해 현미 길이가 긴 장립종이면서 너비와 두께가 모든 조합 중 가장 좁고 얇으며 천립중이 가벼웠고 장폭비 3.15의 세장형 입형 특성을 나타냈다. 가장 많은 미국 품종이 포함된 CU5조합은 CU3에서 GS3_C가 gs3로 변경된 조합으로 CU3에 비해 현미 길이가 긴 초장립종이면서 너비와 두께가 좁고 얇으며 천립중이 가벼웠고 장폭비 3.38의 세장형 입형 특성을 나타냈다. CU6 조합은 CU5에서 GW8가 gw8로 변경된 조합으로 모든 조합 중 현미 길이가 가장 긴 초장립종이면서 장폭비가 큰 갸름한 형태에 천립중이 무거운 특성을 나타냈다. 입형 관련 유전자의 대립유전자형 조합 분석을 통해 미국 품종(CU2-CU6)은 우리나라 품종(CU1)과 비교할 때 1차적으로 qSW5 유전자에서 차이가 나며, qSW5 대립유전자를 가지고 있어 현미 너비가 우리나라 품종에 비해 좁고 중원형 이상의 갸름한 입형 특성을 나타냈다. 미국 품종 내에서는 크게 GS3 유전자에서 차이가 나며, gs3 대립유전자형을 가지는 CU5조합에 절반이 넘는 8품종이 속하여 이 조합이 미국 품종을 대표하는 조합으로 판단되었고, CU5은 CU2, CU3에 비해 현미 길이가 길어져 초장립종에 이르며 너비가 줄어들어 세장형의 입형을 가지는 특성을 나타냈다. 일반적으로 자포니카 벼는 낟알의 길이가 짧고 형태가 둥근 단립종의 단원형 입형 특성을 가지는 것이 많고, 인디카는 낟알이 길고 너비가 얇은 장립종의 세장형 입형 특성을 나타내는 것이 많다고 알려져 있다(Juliano 1979). 열대 자포니카 생태종인 미국 품종들은 온대 자포니카 생태종인 우리나라 품종과 같이 자포니카 벼에 속하지만 입형 특성은 인디카와 비슷한 특성을 나타내는 품종들이 많아 협소한 우리나라 자포니카 벼 품종의 입형 특성을 다양화하는데 유용한 자원으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 미국 품종에 대한 입형 관련 대립유전자형 분석을 통해 입형 다양화 육종사업에서 필요로 하는 자원의 신속한 선택과 분자표지를 활용한 효율적 선발이 이루어 질 것으로 생각된다.

Fig. 3. The effects of various allele combinations of U.S. rice varieties. Black rectangles indicate the means of grain-related traits. GL: grain length, GW: grain width, GT: grain thickness, RLW: ratio of length to width, TGW: 1,000-grain weight. CU1: GW2-GS3_C-qGL3-qLGY3- qsw5_N-gs5-TGW6-GW7-GW8 (Boramchan), CU2: GW2-GS3_C-qGL3-qLGY3-qSW5-gs5-TGW6-GW7-GW8 (Rico1, Pecos), CU3: GW2-GS3_ C-qGL3-qlgy3-qSW5-gs5-TGW6-GW7-GW8 (Saturn, Mars), CU4: GW2-GS3_B-qgl3-qlgy3-qSW5-gs5-TGW6-GW7-GW8 (Saber), CU5: GW2-gs3- qGL3-qlgy3-qSW5-gs5-TGW6-GW7-GW8 (Shortlabelle, A008, Bluebelle, Rajbonnet, Cypress, Cocordire, Lacassine, Jefferson), CU6: GW2-gs3- qGL3-qlgy3-qSW5-gs5-TGW6-GW7-gw8 (A020). Means with same letters in a column are not significantly different at p<0.05 (ANOVA followed by DMRT).

호화점도 특성 분석

입형 특성이 우리나라 품종과 다른 미국 품종을 대상으로 식미와 관련이 있는 것으로 알려진 호화개시온도(pasting temperature), 최고점도(peak viscosity), 최저점도(trough viscosity), 최종점도(final viscosity), 강하점도(breakdown), 치반점도(setback) 등 6개 호화점도 관련 특성을 분석하였다(Table 5). 미국 품종들의 호화개시온도는 평균 79.0℃ (범위 75.6-82.7℃)로 우리나라 품종인 ‘보람찬’(72.8℃)에 비해 모두 높았다. 호화온도의 차이는 전분 구조의 차이로 치밀한 결정구조를 지닐수록 가열 시 느리게 팽윤되고 호화온도는 높게 반영된다고 하였으며, 아밀로펙틴의 긴 사슬이 차지하는 비율이 높을수록 보다 많은 에너지를 필요로 하기 때문에 호화온도는 높아진다고 하여 미국 품종들은 우리나라 품종들에 비해 전분 구조가 치밀하거나 아밀로펙틴의 긴 사슬이 차지하는 비율이 높을 것으로 추정되었다(Yoon et al. 2012). 최고점도는 평균 266 RVU (범위 173-336 RVU)였으며, ‘보람찬’(269 RVU)보다 최고점도가 높은 품종은 ‘Saturn’ (336 RVU), ‘Mars’ (322 RVU), ‘Pecos’ (303 RVU), ‘A008’ (296 RVU)이었고, ‘Rico1’ (270 RVU), ‘Jefferson’ (266 RVU), ‘Saber’ (261 RVU), ‘Lacassine’ (252 RVU), ‘Bluebelle’, ‘Rajbonnet’, ‘Cypress’ (250 RVU), ‘Shortlabelle’ (242 RVU)는 비슷한 편이었으며, ‘Cocodrie’ (173 RVU)은 확연히 낮았다. 최저 및 최종점도는 평균 143 RVU (범위 99-171 RVU)과 259 RVU (216-297)로 ‘보람찬’(최저점도 206 RVU, 최종점도 297 RVU)보다 모두 낮았다. 강하점도는 평균 124 RVU (범위 73-180 RVU)로 ‘보람찬’(62 RVU)보다 모두 높았으며, 치반점도는 평균 -7 RVU (범위 -94-44 RVU)로 ‘Cocodrie’ (44 RVU), ‘Saber’ (37 RVU), ‘A020’ (33 RVU)를 제외한 품종들은 ‘보람찬’(28 RVU)에 비해 낮았다. 미국 품종들은 전반적으로 우리나라 품종 ‘보람찬’에 비해 호화개시온도가 높고, 최고점도는 높거나 비슷하며, 최저 및 최종점도가 낮으며, 강하점도는 높고 치반점도는 낮은 편이었다. 주성분분석을 통해 호화점도 관련 형질과 공시품종들의 구조적 관계를 파악하였다(Fig. 4A). 주성분 1과 주성분 2를 통해 전체 형질 변이의 88.8%를 설명할 수 있었다. 주성분 1을 기준으로 최고점도, 강하점도, 최저점도가 같은 방향성을 나타냈으며, 호화개시온도와 치반점도는 다른 방향성을 나타냈다. K-means 군집분석을 수행하여 호화점도 관련 형질에 따라 공시품종들의 그룹을 분류하였다(Fig. 4B). 군집이 2, 3, 4개일 때 전체 형질 변이를 설명하는 정도가 38.2, 60.2, 73.5%로 품종들의 호화점도 관련 형질 특성을 세분화하기 위하여 군집을 수를 4개로 정하여 분석을 수행하였다. 군집분석 결과 ‘보람찬’과 ‘Rico1’, ‘Saber’ 품종이 군집 R_UV1로 분류되었고, R_UV2에는 ‘Pecos’, ‘Saturn’, ‘Mars’와 ‘A008’ 4품종이 포함되었으며, R_UV3에는 ‘Cocodrie’ 단독으로 존재하였고, R_UV4에 ‘Shortlabelle’, ‘Cypress’, ‘Jefferson’ 등 7개 품종이 속하였다(Table 6). ‘보람찬’과 함께 R_UV1에 속한 ‘Rico1’과 ‘Saber’는 미국 품종 중 우리나라 품종과 비슷한 호화점도 특성을 나타내는 것으로 판단되었으며, R_UV3에 속한 ‘Cocodrie’는 최고, 최저, 최종, 강하점도가 가장 낮았으며 호화개시온도와 치반점도가 가장 높은 등 다른 군집과 확연히 구분되는 특성을 나타내 우리나라 품종과 호화점도 특성이 다른 것으로 판단되었다. 일반적으로 우리나라에서 밥맛이 좋은 품종은 호화온도가 낮고 호화특성 중 최고점도와 강하점도는 높고 치반점도가 낮은 것으로 알려져 있다(Kim et al. 2020). 강하점도는 호화 중 전분의 열과 전단(shear)에 대한 저항성을 나타내 가공의 안정도를 나타내며, 치반점도는 전분의 노화와 관련 있으며 값이 낮을수록 노화가 더디게 진행된다(Oh et al. 2012). R_UV2는 호화온도가 ‘보람찬’이 포함된 R_UV1과 비슷하고 최고점도와 강하점도가 가장 높고 치반점도가 낮은 특성을 나타내 밥맛 좋은 품종의 조건을 갖추고 있어 해당 군집에 포함된 품종들의 밥맛이 양호한 지에 대해 추가 분석이 필요할 것으로 생각된다.

Table 5

Pasting properties of U.S. rice varieties

Variety	Pasting temperature (℃)	Peak viscosity (RVU)	Trough viscosity (RVU)	Final viscosity (RVU)	Breakdown (RVU)	Setback (RVU)	Cluster
Boramchan	72.8gz	269de	206a	297a	62i	28bc	R_UV1
Rico1	75.6f	270d	162bc	270bc	108fg	-1e	R_UV1
Pecos	76.5e	303c	171b	264bcd	132cd	-40g	R_UV2
Saturn	76.4e	336a	171b	256cd	165b	-80h	R_UV2
Mars	76.5e	322b	142d	228ef	180a	-94i	R_UV2
Saber	80.0cd	261ef	166bc	297a	95h	36ab	R_UV1
Shortlabelle	80.7c	242h	116g	237e	126d	-5ef	R_UV4
A008	76.5e	296c	157c	267bc	139c	-29g	R_UV2
Bluebelle	79.8d	250gh	121fg	250d	129cd	0e	R_UV4
Rajbonnet	79.9d	250gh	127efg	271b	123de	20cd	R_UV4
Cypress	79.7d	250gh	136de	269bc	114ef	20cd	R_UV4
Cocodrie	81.5b	173i	99h	216f	a73i	44a	R_UV3
Lacassine	79.7d	252g	138de	264bcd	114ef	12d	R_UV4
Jefferson	80.3cd	266de	132def	251d	135cd	-15f	R_UV4
A020	82.7a	257fg	156c	290a	101gh	33ab	R_UV4
Totaly	79.0	266	143	259	124	-7
Range	75.6-82.7	173-336	99-171	216-298	73-180	-94-44

^zMeans with same letters in a column are not significantly different at p<0.05 (ANOVA followed by DMRT)

^yThe value of total is calculated for U.S. rice varieties (n=14)

Table 6

Characterization of of pasting properties-related traits U.S. rice varieties classified by K-means clustering analysis

Cluster	n	Varietyz	Pasting temperature (℃)	Peak viscosity (RVU)	Trough viscosity (RVU)	Final viscosity (RVU)	Breakdown (RVU)	Setback (RVU)
R_UV1	3	BRC, RC1, SB	76.2by	267b	178a	288a	88bc	22a
R_UV2	4	PCS, ST, MS, A008	76.5b	314a	160ab	254a	154a	-60b
R_UV3	1	CCDR	81.5a	173c	099c	216b	73c	44a
R_UV4	7	SLBL, BLBL, RJBN, CPRS, LCS, JFS, A020	80.4a	253b	132b	262a	120ab	9a
Total	15		78.6	266	147	262	120	-5
C.V.			2.2	4.2	10.9	6.6	14.7	-11.1

^zBRC: Boramchan, RC1: Rico1, PCS: Pecos, ST: Saturn, MS: Mars, SB: Saber, SLBL: Shortlabelle, BLBL: Bluebelle, RJBN: Rajbonnet, CPRS: Cypress, CCDR: Cocodrie, LCS: Lacassine, JFS: Jefferson

^yMeans with same letters in a column are not significantly different at p<0.05 (ANOVA followed by DMRT)

Fig. 4. Distribution of U.S. rice varieties using pasting properties-related traits. Principal component analysis (A) and K-means clustering analysis (B). PC1: principal component 1, PC2: principal component 2, PaT: pasting temperature, PV: peak viscosity, TV: trough viscosity, FV: final viscosity, BD: breakdown, SB: setback. Dim1: dimension 1, Dim2: dimension 2.

식감 특성 분석

호화점도 특성이 우리나라 품종과 다른 미국 품종을 대상으로 사람이 밥을 먹었을 때 관능적으로 느끼는 저작감을 기계적으로 측정하여 밥의 경도(hardness), 부착성(adhesiveness), 탄력성(toughness) 및 찰기(stickness) 등 4개 식감 관련 특성을 분석하였다(Table 7). 미국 품종들의 경도는 평균 76.6 (범위 51.4- 110.5)로 우리나라 품종인 ‘보람찬’(50.2)에 비해 모두 단단한 특성을 나타냈다. ‘Pecos’ (51.4), ‘A008’ (54.2), ‘Mars’ (59.6)는 ‘보람찬’과 통계적으로 비슷한 경도 특성을 나타냈으며, 호화점도 특성이 다른 품종들과 확연히 달랐던 ‘Cocodrie’가 경도 110.5로 가장 단단한 특성을 나타냈다. 부착성은 평균 31.3 (범위 13.6-53.2)로 ‘보람찬’(53.8)에 비해 모두 낮은 특성을 나타냈다. ‘Mars’ (53.2), ‘Shortlabelle’ (52.9), ‘Pecos’ (52.7), ‘A008’ (46.7), ‘Rico1’ (44.4)이 ‘보람찬’과 통계적으로 비슷한 부착성을 나타냈으며, ‘Cocodrie’가 13.6으로 부착성이 가장 낮았다. 탄력성은 씹는 작용 중 저항하는 힘으로 평균 66.5 (범위 41.9-83.2)로 ‘보람찬’(37.4)보다 모두 높은 특성을 나타냈다. ‘Pecos’ (41.9), ‘Shortlabelle’ (43.3), ‘Mars’ (44.7)가 탄력성이 낮은 편이었으며, ‘Cocordrie’ (83.2), ‘Lacassine’ (80.2), ‘Bluebelle’ (79.8), ‘Saber’ (79.7), ‘Saturn’ (79.1), ‘Cypress’ (77.9), ‘Rajbonnet’ (77.8) 품종이 높은 편이었다. 찰기는 평균 33.4 (범위 19.1-58.7)로 ‘보람찬’(60.8)에 비해 모두 낮은 특성을 나타냈다. ‘Pecos’ (58.7)가 ‘보람찬’과 가장 비슷한 값을 가지고 있었으며, ‘Cocodrie’ (19.2), ‘Saber’ (19.5), ‘Bluebelle’ (19.9), ‘Rajbonnet’ (22.6)이 찰기가 낮은 편이었다. 미국 품종들은 우리나라 품종 ‘보람찬’에 비해 밥의 경도와 탄력성은 높고 부착성과 찰기는 낮은 특성은 나타냈으며, 이중 호화점도 특성이 확연하게 달랐던 ‘Cocodire’가 그 정도가 가장 컸다. 주성분분석을 통해 식감 관련 형질과 공시품종들의 구조적 관계를 파악하였다(Fig. 5A). 주성분 1을 통해 전체 형질 변이의 99.3%를 설명할 수 있을 정도로 식감 관련 형질들은 주성분 1에 의해서 대부분 설명되었다. 주성분 1을 기준으로 부착성과 찰기는 매우 근접하여 분포하고 있어 관련성이 큰 것으로 나타났으며, 이들 형질과 경도와 탄력성이 다른 방향성을 나타냈다. K-means 군집분석을 수행하여 식감 관련 형질에 따라 공시품종들의 그룹을 분류하였다(Fig. 5B). 군집이 2, 3, 4개일 때 전체 형질 변이를 설명하는 정도가 86.4, 91.2, 93.9%로 품종들의 식감 관련 형질 특성을 세분화하기 위하여 군집을 수를 4개로 정하여 분석을 수행하였다. 군집분석 결과 ‘보람찬’과 ‘Pecos’가 T_UV1에 분류되어 ‘Pecos’가 미국 품종 중 우리나라 품종인 ‘보람찬’과 밥의 식감 특성이 가장 비슷한 것으로 판단되었다(Table 8). T_UV2에는 ‘Rico1’, ‘Mars’, ‘Shortlabelle’, ‘A008’이 포함되었으며, T_UV3에는 ‘Cocodire’가 단독으로 존재하였고, T_UV4에는 ‘Shortlabelle’, ‘Cypress’, ‘Jefferson’ 등 8개 품종이 속하였다. ‘Cocodrie’는 호화점도 특성에서와 같이 단독으로 T_UV3 군집으로 분류되었으며, 경도와 탄력성이 가장 높고 부착성과 찰기가 가장 낮아 우리나라 품종과 식감 특성이 가장 다른 것으로 판단되었다.

Table 7

Texture properties of cooked rice of U.S. rice varieties

Variety	Hardness	Adhesiveness	Toughness	Stickiness	Cluster
Boramchan	50.2fz	53.8a	37.4e	60.8a	T_UV1
Rico1	65.4def	44.4a	54.9c	45.6d	T_UV2
Pecos	51.4f	52.7a	41.9de	58.7ab	T_UV1
Saturn	86.4bc	23.5bc	79.1a	24.2ef	T_UV4
Mars	59.6f	53.2a	44.7de	50.9cd	T_UV2
Saber	82.6bc	16.1cd	79.7a	19.5f	T_UV4
Shortlabelle	63.1ef	52.9a	43.3de	53.1bc	T_UV2
A008	54.2f	46.7a	48.8cd	45.4d	T_UV2
Bluebelle	77.2cde	15.9cd	79.8a	19.9f	T_UV4
Rajbonnet	78.1cde	20.1cd	77.8a	22.6f	T_UV4
Cypress	81.3bcd	25.4bc	77.9a	27.1ef	T_UV4
Cocodrie	110.5a	13.6d	83.2a	19.2f	T_UV3
Lacassine	86.4bc	18.9cd	80.2a	24.6ef	T_UV4
Jefferson	80.6bcd	25.2bc	69.7b	26.2ef	T_UV4
A020	95.1b	29.7b	69.3b	31.4e	T_UV4
Totaly	76.6	31.3	66.5	33.4
Range	51.4-110.5	13.6-53.2	41.9-83.2	19.1-58.7

^zMeans with same letters in a column are not significantly different at p<0.05 (ANOVA followed by DMRT)

^yThe value of total is calculated for U.S. rice varieties (n=14)

Table 8

Characterization of of texture properties-related traits U.S. rice varieties classified by K-means clustering analysis

Cluster	n	Varietyz	Hardness	Adhesiveness	Toughness	Stickiness
T_UV1	2	BRC, PCS	50.8cy	53.3a	39.7b	59.7a
T_UV2	4	RC1, MS, SLBL, A008	60.6c	49.3a	47.9b	48.7b
T_UV3	1	CCDR	110.5a	13.6b	83.2a	19.2c
T_UV4	8	ST, SB, BLBL, RJBN, CPRS, LCS, JFS, A020	83.5b	21.9b	76.7a	24.4c
Total	15		74.8	32.8	64.5	35.3
C.V.			7.1	13.9	7.1	10.7

^zBRC: Boramchan, RC1: Rico1, PCS: Pecos, ST: Saturn, MS: Mars, SB: Saber, SLBL: Shortlabelle, BLBL: Bluebelle, RJBN: Rajbonnet, CPRS: Cypress, CCDR: Cocodrie, LCS: Lacassine, JFS: Jefferson

^yMeans with same letters in a column are not significantly different at p<0.05 (ANOVA followed by DMRT)

Fig. 5. Distribution of U.S. rice varieties using texture properties-related traits. Principal component analysis (A) and K-means clustering analysis (B). PC1: principal component 1, PC2: principal component 2, HN: hardness, AN: adhesiveness, TN: toughness, SN: stickiness. Dim1: dimension 1, Dim2: dimension 2.

입형과 호화점도 및 식감 관련 형질 연관분석

미국 품종의 입형과 호화점도 및 식감 관련 형질들의 관련성을 분석하였다. 입형 관련 5개 형질(현미 길이, 너비, 두께, 장폭비, 천립중)과 호화점도 관련 6개 형질(호화개시온도, 최고점도, 최저점도, 최종점도, 강하점도, 치반점도) 및 식감 관련 4개 형질(밥의 경도, 부착성, 탄력성, 찰기)들 간의 관련성을 알아보고자 주성분분석과 상관분석을 실시하였다(Fig. 6). 주성분분석을 통해 15개 형질들과 미국 품종들의 구조적 관계를 파악하였다(Fig. 6A). 주성분 1과 주성분 2를 통해 전체 형질 변이의 70.9%를 설명할 수 있었다. 각 형질들의 분포는 주성분 1을 기준으로 현미 길이, 장폭비, 호화개시온도, 밥의 탄력성, 경도가 같은 방향성으로 밀접하게 분포하였으며, 밥의 부착성 및 찰기, 현미 너비 및 두께, 최고 및 최저점도와 다른 방향성을 나타냈다. 주성분 2를 기준으로 현미 천립중, 최종 및 치반점도가 강하점도와 다른 방향성을 나타냈다. 조사 형질들과 품종들의 구조적 관계를 살펴보면 입형 관련 표현형으로 분류된 군집 중 장립종에 세장형 특성을 나타냈던 G_UV3의 대부분의 품종과 G_UV4에 속한 품종들이 중립종에 중원형 입형 특성을 나타냈던 G_UV2의 품종들과 중단립종에 단원형 입형 특성의 G_UV1의 ‘보람찬’과 주성분 1을 기준으로 다른 곳에 위치하여 특성이 다른 것으로 판단되었다. 전체 15개 형질들 간의 상관분석을 3개의 그룹으로 계층적 군집형으로 수행하였다(Fig. 6B). 그룹으로 함께 분류된 형질들은 그룹 1에 현미 길이, 장폭비, 호화개시온도, 치반점도, 밥의 경도 및 탄력성 등 6개 형질, 그룹 2에 현미 너비, 두께, 천립중, 최저 및 최종점도 등 5개 형질, 그룹 3에 최고 및 강하점도, 밥의 부착성 및 찰기 등 4개 형질이었다. 그룹 1에 포함된 현미 길이는 장폭비(상관계수 0.96), 호화개시온도(0.86)와 매우 높은 정의 상관관계를 나타냈고, 경도(0.67), 탄력성(0.64)과 높은 정의 상관관계를 나타냈으며, 치반점도(0.40)와 정의 상관관계를 나타냈다. 이를 통해 미국 품종 중 길이가 길고 세장형에 가까울수록 밥의 경도가 딱딱하고 탄력성이 있으며, 치반점도가 높아 노화가 빠를 것으로 판단되었다. 호화개시온도는 밥의 경도(상관계수 0.74)와 탄력성(0.63)과 높은 정의 상관관계를 나타냈고 치반점도(0.45)와 정의 상관관계를 나타내, 호화개시온도가 높을수록 밥의 경도가 딱딱하고 탄력성이 있으며, 노화가 빠를 것으로 판단되었다. 밥의 경도는 탄력성(상관계수 0.87)과 매우 높은 정의 상관관계를 나타냈고 치반점도(0.42)와 정의 상관관계를 나타내, 밥의 경도가 딱딱할수록 탄력성이 높고 노화도 빠를 것으로 판단되었다. 그룹 2에 포함된 현미 너비는 두께(상관계수 0.87)와 매우 높은 정의 상관관계를 나타냈고 천립중(0.44), 최저점도(0.25)와 정의 상관관계를 나타냈다. 현미 두께는 천립중(상관계수 0.75)과 최저점도(0.60)와 높은 정의 상관관계를 나타냈으며, 최저점도는 최종점도(0.73)과 높은 정의 상관관계를 나타냈다. 이를 통해 미국 품종 중 너비와 두께가 넓고 두꺼워 무게가 무거운 형태일 수록 최저점도와 최종점도는 높은 경향을 보이는 것으로 판단되었다. 그룹 3에 포함된 최고점도는 강하점도(상관계수 0.72)와 높은 정의 상관관계를 나타냈고 밥의 부착성(0.47)과 찰기(0.40)와 정의 상관관계를 나타냈으며, 밥의 부착성은 찰기(0.98)와 매우 높은 정의 상관관계를 나타냈다. 그룹 1에 속하며 매우 높은 정의 상관관계를 나타냈던 현미 길이와 호화개시온도는 그룹 2의 현미 너비와 두께, 최고 및 최저점도, 그룹 3의 밥의 부착성 및 찰기와 높은 부의 상관관계를 나타내, 미국 품종 중 길이가 짧고 너비가 두꺼운 품종들이 우리나라 품종인 ‘보람찬’과 비슷하게 호화개시온도가 낮고 최고 및 최저점도가 높으며 밥의 부착성과 찰기가 높으며, 길이가 길고 너비가 얇은 품종들은 우리나라 품종들과 호화점도와 식감 특성이 다른 것으로 판단되었다.

Fig. 6. Relationship among grain-, pasting-, and texture-related traits. Principal component analysis (A) and correlation analysis (B). PC1: principal component 1, PC2: principal component 2. G_UV1-4 mean clusters by K-means clustering using grain-related traits (Fig. 2B). GL: grain length, GW: grain width, GT: grain thickness, RLW: ratio of length to width, TGW: 1,000-grain weight, PaT: pasting temperature, PV: peak viscosity, TV: trough viscosity, FV: final viscosity, BD: breakdown, SB: setback, HN: hardness, AN: adhesiveness, TN: toughness, SN: stickiness.

우리나라 자포니카 벼의 협소한 입형 특성을 다양화하기 위한 유용자원을 탐색하고자 우리나라 품종과 입형 특성이 다른 것으로 알려진 미국 품종을 대상으로 입형 특성과 호화점도 및 식감 관련 형질 특성을 비교 분석하였다. 입형에 따른 표현형 분석에서 미국 품종들은 크게 장립종의 세장형 입형 특성의 G_UV3와 G_UV4의 품종군과 중립종의 중원형 입형 특성의 G_UV2 품종군으로 분류되어 중단립종의 단원형 입형 특성을 나타낸 우리나라 ‘보람찬’(G_UV1)과 다른 입형 특성을 보였다. 입형 관련 유전자형 분석에서 14개 미국 품종들은 모두 qSW5 대립유전자를 보유하고 있어 qsw5_N형을 나타낸 우리나라 품종과 qSW5 유전자에서 구분이 되었으며, 미국 품종 내에서는 중립종의 중원형 입형 특성의 품종군인 G_UV2에 속하는 4개 품종 모두 GS3_C 대립유전자를 보유하고 있는 반면 장립종의 세장형 입형 특성의 품종군인 G_UV3과 G_UV4의 10개 품종 중 9개 품종이 gs3형을 가지고 있어 GS3 유전자에 의해서 미국 품종들의 입형이 분류되는 것으로 판단되었다. 미국 품종들 중 중립종에 중원형 입형 특성을 나타낸 품종들이 호화점도와 식감 특성에서 상대적으로 장립종에 세장형 입형 특성을 나타낸 품종들에 비해 우리나라 품종 ‘보람찬’과 비슷한 특성을 나타내 입형 특성이 호화점도 및 식감 관련 형질과 연관되어 있음을 확인하였다. 미국 품종들은 입형 관련 표현형과 유전자형이 다양하여 협소한 입형 특성을 가지고 있는 우리나라 자포니카 벼 품종의 입형을 다양화하기 위한 교배모본 등 유전자원으로서 육종사업에서 유용하게 활용될 것으로 판단된다. 또한 미국 품종들은 우리나라 품종과 호화점도와 식감 특성이 다른 것으로 나타나 입형 다양화를 위한 육종사업을 통해 품질 특성도 다양화할 수 있을 것으로 기대된다.

우리나라의 자포니카 벼 입형 다양화를 위해 미국 품종을 대상으로 우리나라의 환경조건에서 입형 관련 형질 특성 및 품질에 관여하는 호화점도와 식감특성을 분석 하였다. 우리나라에서 육성되는 자포니카 벼는 중단립종에 단원형 위주로 고착화 되어있으며, 매우 협소한 유전적 배경을 가지고 있다. 이를 다양화 하기 위해 미국 벼 품종들의 입형 및 품질 특성을 분석하여, 우리나라 자포니카 벼의 입형 다양화를 위한 육종사업에 반영하고자 한다. 미국 품종들은 대부분 우리나라 중만생종 품종 ‘보람찬’에 비해서 출수가 빠른 준조생-중만생종이었으며, 간장과 수장 길이가 길었으며, 수수는 적은 편이었다. 하지만 수당립수는 ‘보람찬’보다 많은 편이며, 등숙률 및 간이수량이 낮은 편이었다. 또한 미국 품종들은 모두 강모가 없고 매끄러운 종실이 가지고 있었으며, 이는 농작업시 먼지 감소 및 작업 위생향상과 종실의 부피를 적게 하여 저장과 운반에서 경제성을 증대 할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 아직까지 국내에서 밥쌀용 품종으로 육성된 벼 중에는 매끄러운 영을 가진 품종이 육성되지 않았기 때문에 미국 벼 품종은 우리나라 밥쌀용 품종의 수확후 이용성 증대를 위한 교배모본으로 활용 될 수 있다. 미국 품종들은 모두 현미 길이 5.5 1mm 이상의 중립종, 장립종, 초장립종의 다양한 길이를 가지고 있었으며, 모두 중원형과 세장형으로 우리나라 자포니카 벼 품종이 가지고 있지 않은 입형 특성을 가지고 있었다. 특히 미국 품종들은 국내 품종에는 대부분 가지고 있지 않은 대립유전자 qgl3형과 GS3_B형을 모두 가지고 있다. 그리고 종실의 너비에 관여하는 주동유전자 qSW5는 미국 품종과 우리나라 품종들에서 대립유전자 빈도가 크게 다르며, 미국 품종들의 입형을 대표하는 대립유전자로 판단 되었다. 미국 품종 중 ‘A020’은 gs3, qGL3, qlgy3, qSW5, gw8을 보유하고 있으며, 초장립종 및 세장형 특성을 가지면서 조사된 시험 재료들 중 천립중이 가장 무거웠으며, 국내 품종들의 입형 다양화를 위해 유용한 유전자원으로 활용 될 수 있다. 또한 낟알의 길이가 길고 세장형에 가까울수록 밥의 경도는 딱딱했으며, 탄력성이 있고, 치반점도가 높아 노화가 빠를 것으로 판단 되었다. 그리고 낟알의 길이가 짧고 너비가 두꺼운 품종일수록 호화개시온도가 낮고 최고 및 최저점도가 높아서 밥의 부착성과 찰기가 높았다. 입형 특성은 호화점도 및 식감 관련 형질과도 연관되어 있었다. 따라서 미국 벼 품종은 우리나라의 협소한 입형 특성을 가지고 있는 국내 벼 품종들의 특성을 다양화 하기 위한 교배모본으로 유용하게 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.

본문의 Supplementary Fig. 1은 한국육종학회지 홈페이지에서 확인할 수 있습니다.

본 연구는 농촌진흥청 연구사업(과제번호: PJ01428002)과 국립식량과학원 전문연구원 과정 지원사업에 의해 이루어진 것입니다.