적요
To improve the seed purity management system of Korean wheat cultivars, 50 Korean wheat cultivars were subjected to chemical assays for grain color, genotyping of grain weight-related genes, and grain image analysis. The tested cultivars were primarily classified by NaOH and ninhydrin tests as white (26%) and red (74%) cultivars, as well as high PPO activity (48%), and low PPO activity (52%) cultivars, respectively. The allelic variations of Tamyb10 gene revealed Tamyb-A1a/Tamyb-B1a/Tamyb-D1a as the major allelic combination in white wheat and five different Tamyb10 genotypes (i.e., aba, abb, baa, bba, and bbb) in red wheat. Those cultivars with high PPO activity possessed the Ppo-A1a/Ppo-B1b/Ppo-D1b genotype, while those with low PPO activity possessed the Ppo-A1b/Ppo-B1a/Ppo-D1a genotype. In the grain image analysis, long grain cultivars displayed increased grain width, circularity, and area. Based on cluster analysis of grain traits, the Korean wheat cultivars were classified into two groups - 1) large red grain cultivars released before 2000, and 2) small red grain cultivars and white wheat cultivars released after 2000. Further research is required to determine the effects of grain filling conditions on the grain characteristics of Korean wheat cultivars and to develop efficient and reliable molecular markers for an improved seed purity management system.
서 언
밀 자급률 제고를 위해 “밀산업 육성법”이 제정되었고, 정부에서는 2030년까지 10% 자급률 달성을 목표로 설정하였다. 밀산업 육성법은 가격 경쟁력 제고, 생산 기반 확충, 국산밀 유통 차별화, 안정적 소비 시장 확보 및 품질 고급화 등의 추진 방향을 포함하고 있다(
Jung et al. 2020). 국산밀 품질 경쟁력 강화를 위해서는 체계적인 국산밀 종자 보급 및 품질 검사 체계 정비와 품질 관리 제고를 위한 주산지 거점 건조⋅저장 시설 확충 등 여러 측면을 고려해야 하지만, 양질의 종자 생산, 공급 및 순도 관리 강화를 위한 시스템이 구축되어야 한다(
Bae & Park 2020,
Jung et al. 2020).
주요 밀 생산국인 미국, 호주와 캐나다 등은 종자의 순도 유지를 위해 외관 검사를 통하여 이물 또는 협잡물 혼입 정도를 평가하고, 과산화효소, KOH 및 NaOH 등을 화학처리를 이용하여 종자의 순도를 검정한다(
Lee et al. 2004,
Salem et al. 2018). 밀 종자의 색, 크기 및 무게와 관련된 유전자에 대한 연구가 활발해지면서 분자 표지를 활용한 변이와 다양성 구분이 가능해지고 있다. 종피색 관련해서
R 유전자와 Polyphenol oxidase (PPO)가 알려져 있으며(
Sun et al. 2005,
He et al. 2007,
Himi et al. 2011,
Si et al, 2012,
Wang et al. 2016,
Morris 2018), 종실 크기 관련 14개(
TaCwi-A1, TaSuS2-2A, TaSuS-2B, TaTGW6-A1, TaGS5, TaCKX-D1, TaCwi-4A, TaCwi-5A, TaTPP, TaGW2-6A, TaGW2-6B, TaSus1, TaGASR-A1과
TaGs3-D1) 유전자가 보고되었으며(
Sehgal et al. 2019),
TaCWI-4A, TaCWI-5D, TaGS1a, TaGW2-6A와
TaSus2-2B는 국내 밀 품종의 종자 특성 변이와 상관 있는 것으로 나타났다(
Kim et al. 2020). 최근 들어 영상 이미지 분석에 빅데이터 분석이 적용되면서 개별 종자의 특성 분석이 가능해졌기 때문에 영상 이미지 분석을 활용하여 효과적인 종자 순도 분석이 가능하다(
Winn et al. 2021).
본 연구는 신속하고 정확한 국산밀 품종 순도 검정 체계 기반 구축을 위하여 국산밀 50개 품종의 화학적 외관 검사와 관련 분자 표지인자 및 영상 이미지를 분석하였다.
재료 및 방법
공시 재료
본 연구에는 국내 밀 50품종을 이용하였으며, 공시 재료는 완전 임의 배치법으로 시험 포장에서 3반복으로 0.25 m×4 m×3열 조건에서 재배하였다. 공시재료는 국립식량과학원 전작 포장인 전북 완주에서 2020년 10월 25일에 파종하여 다음 해 6월 20일에 수확하였으며, 농촌진흥청 표준재배법(RDA 2012)에 준하여 재배하였다. 콤파인으로 수확하고 정선하여 수분 함량이 14%가 되도록 상온에서 건조 한 다음, 10℃ 저온실에 보관하였다.
화학적 외관 검사
종피색 검정에는 NaOH, Ninhydrin와 L-DOPA (L-dihydroxy- phenylalanine) 시약을 이용하였다. NaOH를 이용한 평가는
Ram et al. (2002)의 방법에 따라 실온에서 5% NaOH 용액에 1시간 침지 시켰다. Ninhydrin을 이용한 평가는
Salem et al. (2018)의 방법에 따라 1.5% FeSO
4에 24시간 침지시킨 후 0.3% Ninhydrin 용액을 10 ml 적신 두 겹의 여과지가 담긴 페트리 접시에 담아 실온에서 24시간 동안 차광시켜 보관 후 평가하였다. L-DOPA를 이용한 평가는
Anderson & Morris (2001)의 방법에 따라 종자 5립을 2 ml tube에 0.05 M MOPS (pH 6.5)와 0.01M L-DOPA 시약을 1.5 ml 첨가하여 한 시간 동안 회전시킨 뒤 착색 정도를 평가하였다.
온실에서 3주간 생육 시켜 자란 식물체의 3엽을 채취하여 액체 질소로 급속 냉동 시킨 후 유발을 이용하여 미세 분말로 분쇄한 뒤 -70°C에 보관하였다. Genomic DNA는 잎 분말(100 mg)로부터 식물용 genomic DNA 분리시약(Solgent, Korea)을 이용하여 추출하였다. 추출한 genomic DNA는 Nanodrop 1000 spectrophotometer (Thermo Scientific, Wilmington, USA)를 사용하여 정량하였고, -20°C에 보관하여 사용하였다. 종피색에 관련된
R 유전자 검정은
Wang et al. (2016)의 방법에 준하여 실시하였으며, PPO 유전자 검정은
Ppo-A1,
Ppo-B1과
Ppo-D1 유전자에 대해서 각각
Sun et al. (2005),
Si et al. (2012)과
He et al. (2007)의 방법에 준하여 분석하였다. 종실 크기 관련 유전자는
TaCWI-4A,
TaCWI-5D,
TaGS1a,
TaGW2-6A와
TaSus2-2B를 분석하였으며, 각각
Jiang et al. (2015),
Guo et al. (2013),
Su et al. (2011)와
Jiang et al. (2010)의 방법에 준하여 분석하였다. PCR 증폭은 Veriti® Dx 96-Well Thermal Cycler (Applied Biosystem, USA)을 사용하였고, PCR 산물은 EtBr (0.5 ㎍/㎖)이 포함된 1% agarose gel에서 135 V로 30분 동안 전기영동 한 후 UV transilluminator에서 확인하였다.
밀 종자의 이미지 수집을 위해 암막 처리된 챔버 내의 digital camera α6000 (Sony Co., Tokyo, Japan)에 30 mm MACRO 렌즈와 무선 리모컨을 설치해 100개 종자를 ImageJ (
Abràmoff et al. 2004) 프로그램을 이용하여 분석하였다. 조사 항목은 종자 길이(GL, Grain Length), 종자 폭(GW, Grain Width), 종자 길이와 종자 폭의 비율(AR, Aspect Ratio), 종자 둘레(GP, Grain Perimeter), 종자 면적(GA, Grain Area)과 종자의 원형률(GC, Grain Circularity)을 측정하였다(
Fig. 1).
종자의 화학적 외관 검사와 영상 이미지 분석은 3회 이상 이상의 반복을 두어 실시하였으며, LSD (Fisher's least significant difference procedure) 및 DMRT (Ducan' s multiple range test)와 ANOVA (Analysis of variance)를 분석하였고, 상관 관계는 Pearson’s correlation coefficients를 이용하여
p<0.05 수준에서 검정하였다. 군집분석은 R 통계프로그램의 함수인 “prcomp”으로 분석을 수행하였으며, 군집수는 NbClust Package 의 휴버트 지수(Hubert index)와 D index를 이용하였으며, 이미지화는 “autoplot” 함수를 사용하였다(The R Project for Statistical Computing, R version 3.4.4 from
https://www.r-project.org).
결과 및 고찰
화학적 외관 검사
국산밀 50개 품종에 대해서 3가지 화학적 외관 검사 결과 착색된 색에 따라서 백립계와 적립계로 구별이 가능하였다(
Fig. 2). NaOH 처리 결과, 백립계로 알려진 13개 품종(금강, 다분, 백강, 백중, 백찰, 연백, 적중, 조경, 중모2003, 중모2004, 중모2008, 중모2012, 한백)은 밝은 노란색을 나타내었고, 적립계로 알려진 37개 품종(경광, 고분, 고소, 그루, 남해, 다중, 다홍, 밀성, 새금강, 새올, 서둔, 수강, 수안, 신미찰, 신미찰 1호, 안백, 알찬, 영광, 올, 올그루, 우리, 은파, 장광, 조광, 조농, 조아, 조은, 조중, 조품, 조한, 진품, 진풍, 청계, 탑동, 태중, 호중, 황금알)은 붉은색으로 착색되었다(
Table 1,
Fig. 2A). 적립계 밀은 NaOH에 노출되면 붉은색으로 변하는 색소인 프로안토시아닌이 존재하여 붉은색으로 착색이 되고, 백립계 밀은 배유 또는 종피에 존재하는 카로티노이드 색소가 노란색으로 착색되어 구별이 가능하다(
Ram et al. 2002,
Ramani et al. 2016). NaOH를 이용한 종피색 검정은 종자 수확시 먼지나 토양을 포함한 불순물과 수분 함량 및 재배 환경에 영향을 받아 종피색 구별이 어려울 경우 국내에서도 흔하게 이용을 하고 있은 방법이지만 적립계 품종간의 색택의 차이는 구별이 어렵다. 백립계와 적립계를 구별에 KOH를 이용하기도 하는데 NaOH와 비슷한 기작이며 결과도 같기 때문에 두가지 시약 중에 편한 것을 이용하면 된다(
Shin et al. 2013,
Salem et al. 2018).
종실의 유리 아미노기에 반응하여 자주색의 복합 물질을 형성하는 Ninhydrin을 처리한 결과(
Fig. 2B), 백립계 13개 품종은 밝은 자주색을 나타내었고, 적립계 37개 품종은 진한 자주색으로 착색되었다. 아프리카 북부의 리비아 밀 품종에서도 밝은 자주색으로 착색된 품종이 백립계였으며(
Salem et al. 2018), 국내 품종에서도 NaOH와 Ninhydrin처리에 따른 착색 정도가 차이가 없었기 때문에 평가방법이 간단한 NaOH 처리 방법이 Ninhydrin처리 방법을 대체할 수 있을 것으로 생각한다. 밀가루 색은 가공 제품의 색택에 영향을 주고, 소비자들은 밝은 색택을 지닌 제품을 선호하는데 이러한 색택은 PPO 활성과 밀접하게 관련이 있다(
Miskelly 1984,
Hatcher & Symons 2000). PPO는 호분층에 존재하고 미성숙 종실보다는 성숙된 종실에서 높게 나타나는데, PPO 활성 차이는 품종 고유 특성으로 알려져 있다(
Park et al. 1997,
Anderson & Morris 2001). 종실의 PPO 활성 측정 기질로는 phenol, L-tyrosine, catechol, methylcatechol, L-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA)과 caffeic acid이 사용되는데 이중에서 L-DOPA와 catechol이 가장 높은 활성을 보이고 평가가 쉬운 L-DOPA assay가 평가에 많이 이용된다(
Anderson & Morris 2001,
Morris 2018). 국내 품종에 대한 종실의 PPO 활성은 회분과 단백질 함량이 낮을수록 낮은 경향을 나타내었으며, 총 폴리페놀 함량과 철 함량과 정의 상관을 나타내었으며, 종실의 PPO 활성이 높은 품종일수록 국수 면대의 저장 기간 중에 면대 색이 어둡고 쉽게 변색되는 것으로 나타났다(
Kang et al. 2011). L-DOPA assay 결과(
Fig. 2B), 24개 품종(경광, 고분, 그루, 금강, 다중, 백강, 백찰, 새금강, 수안, 안백, 올, 은파, 조경, 조농, 조아, 조은, 조중, 조한, 중모2003, 중모2008, 탑동, 태중, 한백, 황금알)은 짙은 검정색으로 나타났고, 26개 품종(고소, 남해, 다분, 다홍, 밀성, 백중, 새올, 서둔, 수강, 신미찰, 신미찰 1호, 알찬, 연백, 영광, 올그루, 우리, 장광, 적중, 조광, 조품, 중모2004, 중모2012, 진품, 진풍, 청계, 호중)은 착색되지 않았다.
종피색과 관련된
R유전자에 대한 평가를 위해
Tamyb-10에 대한 검정을 실시하였는데,
Tamyb-10은 안토시아닌 생합성 유전자를 활성화하여 종피색의 적색 정도를 조절하며, 3번 염색체 장완에 위치하고 종피색이 수발아 저항성과 관련성이 높은 것으로 알려져 있다(
Lin et al. 2016,
Wang et al. 2016). 국내 품종의
Tamyb-10 분석 결과(
Table 2,
Fig. 3),
Tamyb-A1유전자형은
Myb-A1,
A2,
A3를 모두 종합하여 평가하였는데, 국내 밀 품종에서는 3가지 유형이 나타났고,
a type은
Myb-A1,
A2,
A3의 조성이 (+ + +)와 (- + +)였고,
b type은 (+ - +)를 나타내었다(
Fig. 3A). 백립계 13개 품종은
Tamyb-A1a/Tamyb-B1a/Tamyb-D1a로 나타났으며, 이러한 결과는 중국의 백립계 품종을 분석한 결과와 일치하였고(
Wang et al. 2016), NaOH와 Ninhydrin처리에서도 같은 착색을 나타내었다. 적립계 품종은 5가지 유전자형을 나타내었는데,
Tamyb-A1a/Tamyb-B1b/Tamyb-D1a를 지닌 품종은 9개 (고분, 다중, 새금강, 은파, 조은, 진품, 태중, 호중, 황금알)였고,
Tamyb-A1a/Tamyb-B1b/Tamyb-D1b의 조성을 지닌 품종은 서둔이 유일 했으며,
Tamyb-A1b/Tamyb-B1a/Tamyb-D1a를 지닌 품종은 10개(고소, 밀성, 새올, 수강, 신미찰, 올그루, 조농, 조아, 조중, 조한)였으며,
Tamyb-A1b/Tamyb-B1b/Tamyb-D1a을 지닌 품종은 13개(경광, 그루, 남해, 다홍, 수안, 신미찰 1호, 안백, 영광, 우리, 장광, 조품, 진풍, 청계)였고,
Tamyb-A1b/ Tamyb-B1b/Tamyb-D1b를 지닌 품종은 4개(알찬, 올, 조광과 탑동)로 나타났다.
Tamyb-A1a/Tamyb-B1a/Tamyb-D1a조성을 지닌 백립계 품종은 NaOH와 Ninhydrin를 이용한 구분에서도 같은 특성을 나타내었지만, 중국과 일본의 적립계 품종에서는
Tamyb-A1b/ Tamyb-B1b/Tamyb-D1b (
bbb) 조성이 가장 진한 적색을 나타내었고,
bba > bab > abb > baa > aba > aab > aaa 순으로 적색 정도가 연하게 되는 것으로 나타났다(
Himi et al. 2011,
Wang et al. 2016). 적립계는 백립계에 비하여 수발아 저항성이 높으며, 중국의 적립계 품종중에서
Tamyb10-D1b를 지닌 품종의 수발아 저항성이 더 높은 것으로 나타났다(
Wang et al. 2016). 국내에서도 적립계 밀 품종의 수발아저항성은 백립계 품종에 비하여 높았지만(
Kim et al. 2012b), 본 연구에서는 국내 적립계 품종간의 종실 색택의 차이를 구별하기는 어려웠다. 국내 품종의 종실, 통밀가루 및 밀가루 색택의 차이가 종피색 보다는 단백질, 회분 및 철함량과 PPO 활성과 상관이 높은 것으로 알려져 있으며(
Kang et al. 2014), 중국이나 일본 품종에서는
Tamyb-1의 모든 유전자형이 나타났고 적립계 품종에서 구분 가능한 다양한 색택이 나타났지만, 국내 품종에서는 5가지 유전자형만 확인되었고, 적립계 품종간 색택의 차이가 명확하지 않기 때문에 재배환경 및 종실 경⋅연질과 단백질 함량이 미치는 영향에 대한 추가적인 연구와 계통이나 재래종을 포함한 국내 자원에 대한 연구가 필요하다.
PPO 유전자중에서
Ppo-1 유전자는 2AL, 2BS과 2DL에 위치하고 있으며,
Ppo-2보다 높은 PPO 활성을 나타내는 것으로 알려져 있다(
He et al. 2007,
Si et al. 2012,
Sadeque et al. 2017).
Ppo-1 분석 결과(
Table 2,
Fig. 4A),
Ppo-A1a (685 bp)는 22개 품종(경광, 고분, 그루, 금강, 다중, 백강, 백찰, 새금강, 수안, 안백, 올, 은파, 조경, 조농, 조은, 조한, 중모2003, 중모2004, 중모2008, 탑동, 태중, 황금알)이었고,
Ppo-A1b (876 bp)는 28개(고소, 남해, 다분, 다홍, 밀성, 백중, 새올, 서둔, 수강, 신미찰, 신미찰 1호, 알찬, 연백, 영광, 올그루, 우리, 장광, 적중, 조광, 조아, 조중, 조품, 중모2012, 진품, 진풍, 청계, 한백, 호중)이었다. 국내 품종에서도
Ppo-A1a를 지닌 품종이
Ppo-A1b 품종보다 PPO 활성이 높아 밀가루와 국수 색택이 어두운 특성을 지닌 것으로 나타났다(
Kim et al. 2012a).
Ppo-B1a (400 bp)는 37개 품종(경광, 고분, 고소, 그루, 남해, 다분, 다중, 다홍, 밀성, 백중, 백찰, 새올, 서둔, 수강, 수안, 신미찰, 신미찰 1호, 안백, 알찬, 연백, 영광, 올, 올그루, 우리, 장광, 조광, 조농, 조아, 조중, 조품, 중모2012, 진품, 진풍, 청계, 탑동, 한백, 호중)이었으며,
Ppo-B1b (400 bp, 600 bp)는 13품종(금강, 백강, 새금강, 은파, 적중, 조경, 조은, 조한, 중모2003, 중모2004, 중모2008, 태중, 황금알)으로 나타났다. 그루, 조광, 조농, 조한과 한백을 포함한 5개 품종은
Ppo-D1b (490 bp)로 나타났으며, 나머지 45개 품종은
Ppo-D1a (713 bp)로 나타났다.
Ppo-D1a는
Ppo-D1b 보다 PPO 활성이 낮은 것으로 알려져 있으며(
He et al. 2007), 이전 결과에서도 국내 품종은 대부분
Ppo-D1a를 지닌 것으로 나타났다(
Kim et al. 2012a).
Ppo-A1과
Ppo-D1에 대한 PPO 활성 정도는 국내 품종이나 외국 품종에 대해서 많이 밝혀졌지만,
Ppo-B1의 유전적 조성에 따른 PPO 활성 차이는 많은 연구가 이루어져 있지 않다.
Ppo-B1이나
Ppo-2에 비해서
Ppo-A1과
Ppo-D1이 PPO 활성에 대한 기여도가 높다고 알려져 있지만, 최근 연구에서는
Ppo-2가 등숙중인 종실에서 PPO활성의 72% 기여한다는 보고가 있다(
Beecher & Skinner 2011,
Hystad et al. 2015). 본 연구에서 국내 품종에 대한
Ppo-B1의 유전적 조성을 보고하였지만, 국내 품종의 종실 및 밀가루 색택 개선을 위한
Ppo-B1 및
Ppo-2에 대한 관련 연구가 필요할 것으로 생각한다. PPO 활성이 없는 null 계통 육성이나 GWAS (genome-wide association studies)를 이용한 색택 개선 연구도 활발하게 이루어지고 있기 때문에 국내에서도 관련 연구가 필요하다(
Hystad et al. 2016,
Zhai et al. 2020).
L-DOPA assay에서 착색되지 않고 밝았던 26개 품종의 Ppo-1 유전적 조성을 비교해 보면, PPO 활성이 낮은 유전적인 조성은 Ppo-A1b, Ppo-B1a와 Ppo-D1a인데, 13개 품종이 Ppo-A1b를 지녔으며, 그 중에 한백을 제외한 12품종(고소, 백중, 다분, 적중, 조아, 조중, 조품, 중모2012, 수강, 신미찰, 신미찰 1호, 호중)이 Ppo-A1b/Ppo-D1a였고, 이들 12개 품종 중에서 적중을 제외한 11개 품종은 Ppo-B1a를 지녔다. Ppo-A1b/Ppo-B1a/Ppo-D1a유전자형을 지닌 백립계 품종인 백중, 다분과 중모2012는 낮은 PPO 활성을 지닐 것으로 예상되기 때문에 밀가루 색택 및 국수 면대와 관련 특성에 대한 면밀한 검토를 통하여 국산밀 색택 개선의 자원으로 활용을 검토해 볼 필요가 있다.
종자 특성과 관련된 유전자 분석에는
TaCWI-4A,
TaGW2-6A와
TaSuS2-2B를 이용하였으며,
TaCWI-4A는 세포벽 전환 효소로 설탕을 포도당과 과당으로 가수분해 하는 효소로 프로모터 부분의 2개(T/C)의 SNP가 표지인자로 활용되고 있으며,
TaGW-6A는 소수(spikelet) 껍질의 세포분열을 조절하여 종자의 단폭을 조절하는 유전자로 2개(A/G)의 SNP가 표지인자로 활용되고 있고,
TaSuS2-2B는 설탕을 전분으로 전환하는 효소인 설탕 합성효소(Sucrose synthase, SUS)로
Hap-H/Hap-L을 표지인자로 활용되고 있다(
Su et al. 2011,
Huo et al. 2014,
Jiang et al. 2015).
종자 특성과 관련된 유전자 분석 결과(
Table 2,
Fig. 5),
TaCWI-4A에서는 8개(고소, 남해, 신미찰, 신미찰 1호, 올, 올그루, 조아, 태중)만이
Hap-4A-T를 지닌 것으로 나타났고, 나머지 42개 품종은
Hap-4A-C로 나타났다.
Hap-6A에서는
Hap-6A-A를 지닌 품종이 32개(고분, 고소, 남해, 다중, 밀성, 백중, 백찰, 새올, 서둔, 수안, 신미찰, 신미찰 1호, 안백, 알찬, 올, 올그루, 우리, 은파, 적중, 조광, 조농, 조아, 조은, 조중, 조품, 조한, 중모2003, 중모2008, 진품, 청계, 탑동, 호중)로
Hap-6A-G를 지닌 18개 품종(경광, 그루, 금강, 다분, 다홍, 백강, 새금강, 수강, 연백, 영광, 장광, 조경, 중모2004, 중모2012, 진풍, 태중, 한백, 황금알)보다 많았다.
TaSuS2-2B에서는 9개(백강, 백중, 연백, 적중, 조경, 조은, 태중, 한백, 황금알)만이
Hap-L을 지닌 것으로 나타났고, 나머지 41개 품종은
Hap-H로 나타났다.
국산 밀 품종의 영상 이미지 분석 결과(
Table 3), 종자 길이(GL)는 평균 6.8 mm (6.0-7.7 mm)였고 한백과 중모2012는 7.7 mm 이상으로 길었으며, 신미찰과 연백은 6.9 mm 이하로 다른 품종 보다 짧았다. 종자의 평균 폭(GW)은 3.4 mm (3.1-3.8 mm)였고, 태중이 3.8 mm로 가장 컸으며, 다홍과 다중이 3.1 mm 이하로 적었다. 종자 둘레(GP)의 평균은 17.6 mm (15.7-19.7 mm)였고, GL이 길었던 한백과 중모2012는 19.5 mm 이상으로 길었으며, GL이 짧았던 다홍을 포함해서 알찬, 밀성과 청계가 15.9 mm 이하로 짧았다. 종자의 평균 면적(GA)은 18.5 mm
2 (14.8-22.9 mm
2)였으며, 한백과 중모2012가 22.5 mm
2으로 다른 품종에 비해 컸으며, 다홍은 14.8 mm
2으로 국내 품종 중에서 제일 작았다. 국내 품종에서는 종자가 길수록 GP (r=0.98***)와 GW (r=0.62***)도 큰 것으로 나타났고, GA도 GL (r=0.92***), GW (r=0.88***) 및 GP (r=0.98***)와 정의 상관을 나타내었다(
Table 4). 종자 길이와 폭의 비율(AR)과 원형률(GC)의 평균값은 각각 2.00 (1.79-2.39)와 0.75 (0.69-0.79)였고, 국내 품종 중에서 다중이 AR이 2.39로 가장 높았으며, GC는 0.69로 가장 낮았고, 안백은 반대로 GC가 가장 높았고(0.79) AR이 가장 낮았다(1.79). AR은 GL (r=0.61***)와 GP (r=0.45**)와는 정의 상관을 보였지만, GW나 GA와는 상관이 없었고, GC와는 부의 상관(r=-0.97***)을 나타내어 GC와 GL (r=0.61***)와 GP (r=0.45**)도 부의 상관을 나타내었다(
Table 4).
종자의 영상 이미지 분석 결과를 화학적 처리를 통한 외관 검사 결과에 따른 특성 차이를 살펴보면(
Table 5), 종피색에서는 백립계 품종의 GL, GW, GA와 GP (7.1 mm, 3.6 mm, 18.3 mm, 20.0 mm
2)가 적립계에 비해서(6.7 mm, 3.4 mm, 17.3 mm, 18.0 mm
2) 큰 것으로 나타났으며, PPO 활성에서는 높은 품종의 GL, GW, GA와 GP (7.0 mm, 3.5 mm, 17.9 mm, 19.2 mm
2)가 낮은 품종보다(6.7 mm, 3.4 mm, 17.2 mm, 17.9 mm
2) 큰 것으로 나타났지만, AR과 GC는 차이가 없었다. 적립계이면서 PPO 활성이 낮은 20개 품종의 GL은 6.6 mm로 다른 품종에 비해서 짧았으며, 백립계이면서 PPO 활성이 높은 6개 품종의 GL은 7.2 mm로 길었다(
Fig. 6A). GW, GP와 GA는 PPO 활성이 높은 백립계 품종(3.6 mm, 18.4 mm, 20.3 mm
2)이 컸으며, PPO 활성이 낮은 적립계 품종(3.3 mm, 17.0 mm, 17.4 mm
2)은 낮았다.
Tamyb10 유전자 조성에 따른 GL의 차이를 보면,
Tamyb10-Aa (7.0 mm),
Tamyb10-Ba (7.0 mm)와
Tamyb10-Da (6.9 mm)를 지닌 품종이
Tamyb10-Ab (6.7 mm),
Tamyb10-Bb (6.7 mm)와
Tamyb10-Db (6.4 mm)를 지닌 품종에 비해 GL가 길었으며(
Fig. 6B), GP와 GA에서도 같은 경향을 보였다.
Tamyb10-Aa와
Tamyb10-Ba를 지닌 품종의 GW가
Tamyb10-Ab와
Tamyb10-Bb보다 컸지만,
Tamyb10-D에서는 차이가 없었고, AR과 GC 역시 유전자형에 따른 차이가 발견되지 않았다.
Tamyb10 유전자 조성에서 백립계를 보이는 품종은 다른 유전자 조성에 비해서 GL, GW, GP와 GA (7.1 mm, 3.6 mm, 18.3 mm, 20.0 mm
2)은 다른 품종에 비하여 큰 것은 종피색에 따른 차이와 일치했으며, 백립계 품종의 유전적 조성을 제외한 품종 간에는 차이가 없었다.
Ppo-A1a 대립유전자를 지닌 품종의 GW와 GA (3.5 mm, 19.1 mm
2)은
Ppo-A1b (3.4 mm, 18.0 mm
2)보다 컸지만 GL과 GP에는 차이가 없었다.
Ppo-B1b 대립유전자를 지닌 품종의 GL, GW, GP, GA (7.0 mm, 3.6 mm, 18.0 mm, 19.7 mm
2)은
Ppo-B1a (6.8 mm, 3.4 mm, 17.4 mm, 18.1 mm
2) 보다 컸지만,
Ppo-D1유전 변이에 따른 차이는 없었고, AR과 GC도
Ppo-1유전자 조성에 따른 차이가 없었다.
Ppo-A1a와
Ppo-B1b를 지닌 12개 품종의 GL (7.0 mm)은
Ppo-A1b와
Ppo-B1a를 지닌 27개 품종(6.7 mm)보다 길었으며, 다른 유전자 조합에서는 차이가 없었다(
Fig. 6C). GW, GP와 GA도
Ppo-A1a와
Ppo-B1b를 지닌 품종이
Ppo-A1b와
Ppo-B1a를 지닌 품종보다 컸다. 국내 품종과 호주, 미국 밀에서
Ppo-A1의 경우
Ppo-A1a의 유전자를 지닌 품종의 종자 크기가
Ppo-A1b를 지닌 품종보다 크고, PPO 활성도 더 높았지만(
Baik et al. 1994,
Kim et al. 2012a),
Ppo-B1은 종실 크기와 PPO 활성에 대한 연구 결과는 없다.
Ppo-A1a의 여부에 따라 종자 크기와 PPO 활성이 영향을 받는 것으로 추정되나,
Ppo-B1 및
Ppo-2에 대한 PPO 활성의 추가적인 연구가 필요하다.
TaGW2-6A에서
Hap-6A-G의 대립유전자를 지닌 품종의 GL, GW, GP와 GA (7.0 mm, 3.5 mm, 18.1 mm, 19.6 mm
2)는
Hap-6A-A의 대립유전자를 지닌 품종(6.7 mm, 3.4 mm, 17.3 mm, 17.9 mm
2)보다 컸으며,
TaSus2-2B에서
Hap-L의 대립유전자를 지닌 품종의 GL, GW, GP와 GA (7.1 mm, 3.6 mm, 18.2 mm, 20.0 mm
2)이
Hap-H (6.8 mm, 3.4 mm, 17.4 mm, 18.2 mm
2)보다 컸다.
TaCWI-4A 유전자형에 따른 종자 특성은 차이가 없었으며, AR과 GC도 이들 유전자의 조성에 따른 차이는 나타나지 않았다.
TaGW2-6A와
TaSus2-2B 유전자 조성에 따른 종자 특성이 차이가 있었지만, 이들 유전자를 함께 분석한 결과에서는 유전자 조성에 따른 종자 특성의 차이는 나타나지 않았다(
Fig. 6D). 국내 품종의
TaGW2-6A에서
Hap-6A-G를 지닌 품종의 천립중, 종자 길이, 폭과 두께는
Hap-6A-A보다 높았으며,
TaSus2-2B에서
Hap-L의 천립중, 종자 길이, 크기와 폭이
Hap-H보다 컸다(
Kim et al. 2020). 중국 품종에서는
Hap-6A-A와
Hap-H를 지닌 품종이
Hap-6A-G와
Hap-L을 지닌 품종보다 천립중이 높았지만(Li et al. 2019), 국내 품종에서는 반대 경향이 나타났다(
Kim et al. 2020). 종자 길이와 폭이 크면 종자의 무게도 높아지기 때문에 국내 품종의 이전 결과와 본 연구 결과는 같은 경향을 나타내는 것으로 보인다. 중국 품종의 결과와 반대의 결과를 보이는 것은 중국 품종의 유전적인 특성과 등숙 환경의 차이에서 기인한것으로 보이며, 국내 육종 집단에 적용하기 위해서는 종실 특성 및 수량성 관련 표지인자 개발과 등숙 환경이 미치는 영향에 대한 분석이 필요하다.
종자의 영상 이미지 분석 결과를 NbClust Package의 휴버트 지수(Hubert index)와 D index를 활용하여 군집분석으로 영상이미지의 분산분석의 변이를 99.6% 설명이 가능했으며, 군집분석 한 결과 2개 군집으로 나눌 수 있었다(
Fig. 7). 군집 I과 II에 각각 21개와 29개 품종이 속했으며, 군집 I의 GL, GW, GP와 GA가 군집 II에 비해 높았고, 백립계 품종이 군집II에 10개 품종인 반면 군집 I에는 백중, 백찰과 중모2003이 포함되었다. 2000년 이전 육성 품종은 군집 I에서 62%로 높았고, 군집 II는 반대로 2000년 이후 육성 품종이 69%로 많았다. 군집 I은 2000년 이전에 육성된 종자가 큰 적립계 품종이 주로 속하였고, 군집II는 2000년 이후 육성된 백립계 품종과 적립계 품종 중에 비교적 종자 크기가 적은 품종이 속한 것으로 분류되었다
군집간 PPO 활성은 차이가 없었으며,
Ppo-1 유전자 조성을 비교해 보면, 군집 I은
Ppo-A1b/Ppo-B1b/Ppo-D1a을 지닌 품종 비율이 57%로 높았고, 군집 II에서는
Ppo-A1b/Ppo-B1a/Ppo-D1a 유전자형이 45%로 가장 많았다.
Ppo-A1 유전자가 국내 품종에서 종자 크기 및 PPO활성에 영향이 있지만
Ppo-B1 유전자 역시 이들 특성에 영향을 미치는 것으로 보이는데, 이러한 결과가 군집 II에 속한 백립계 품종의 영향인지 본 연구에서는 수행되지 못한 환경적인 영향 인지에 대한 후속 연구가 필요하다. 군집 I은 높은 천립중이나 종자 무게가 무거운 국내 품종에서 발현되는
TaCWI-4A의
Hap-4A-C,
TaGW2-6A의
Hap-6A-A와
TaSus2-2B의
Hap-H가 각각 86%, 81%, 90%로 높았으며, 군집 II에서도 이들 유전자 비율이 83%, 52%와 75%로 높았다. 또한, 종자 크기가 큰 대립유전자 조합으로 밝혀진
TaGW2-6A의
Hap-6A-G와
TaSus2-2B의
Hap-L를 동시에 갖는 품종은 모두 군집 II에 속하였다. 본 연구에서도 종자 무게 및 천립중 관련 유전자형과 국내 품종의 영상 이미지를 통한 종자 외형 분석 결과와 차이를 보였다. 이러한 결과는 본 연구가 년차간 변이와 환경 변이를 충분히 반영하지 못한 부분이 있지만, 수량 증대와 제분율 향상 및 품질 고급화의 육종 목표 달성을 위해서 제분율이 높고 제빵 적성이 좋은 금강이 교배본으로 많이 활용되었고, 이러한 결과 2000년 이후 육성된 품종에서는 천립중이 45 g이상으로 높은 품종이 많다. 이러한 국내 육종의 특징으로 인해서 품종의 영상이미지 분석이 기존의 종자 무게 관련 표지인자와 명확하게 일치하지 않기 때문에 국내 품종의 순도 검정 체계 구축을 위한 후속 연구가 필요하다. 수입 원맥에 비해서 국내 품종은 천립중이 높은데 국내 품종에서도 천립중이 크고 종자 크기가 큰 품종일수록 수발아에 약한 특성이 있고(
Kim et al. 2012b,
Shin et al. 2013), 국내 밀 재배 환경에서 등숙기 기온의 상승과 외국에 비해 짧은 등숙일수를 고려한다면 등숙 충실도를 고려한 국내 재배 환경에 맞는 천립중과 종자 크기 관련 연구가 필요하다.
적 요
국산밀 품종의 순도 관리에 필요한 기초 자료 제공을 위하여 국산밀 50 품종에 대해서 종자의 화학적 외관 검사, 종실 특성 관련 유전자 및 영상 이미지 분석을 실시하였다. 화학적 외관 검사를 통하여 50개 품종은 백립계(26%)와 적립계(74%), PPO활성이 높은 품종(48%)과 낮은 품종(52%)으로 구분되었으며, 종피색은 관련 유전자인 Tamyb-10 분석 결과, 백립계 품종은 모두 Tamyb-A1a/Tamyb-B1a/Tamyb-D1a를 지녔으며, 적립계 품종에서는 5가지 유전자형(aba, abb, baa, bba, bba)이 나타났다. PPO활성이 높은 품종은 Ppo-A1a/Ppo-B1b/Ppo-D1b의 비율이 높았고, 낮은 품종은 Ppo-A1b/Ppo-B1a/Ppo-D1a의 비율이 높았다. 암막 챔버에 30 mm MACRO 렌즈와 무선 리모컨이 연결된 디지털 카메라를 활용하여 종자 영상이미지를 분석하였으며, 국내 밀 품종은 종자 길이가 길수록 종자의 폭, 둘레 및 면적이 커지는 경향을 보였다. 종자 영상이미지의 군집 분석 결과, 2000년 이전에 육성된 종자가 큰 적립계 품종과 2000년 이후 육성된 백립계 품종과 종자 크기가 적은 적립계 품종으로 분류되었다. 국산밀 순도 관리를 위해 국내 재배 및 등숙 환경이 종실 특성에 미치는 영향의 종합적인 분석, 종자 이미지 분석 체계 확립 및 관련 표지인자 개발을 포함한 추가적 연구가 필요하다.
사 사
본 연구는 농촌진흥청 연구사업(세부과제명: 밀 품질 균일화를 위한 대규모 시범단지의 품질 분석 및 모니터링, 과제번호: PJ0159652021)과 전북대학교 연구기반 조성비 지원에 의해 이루어졌음
Fig. 1Description of wheat kernel. Grain perimeter (GP); The length of the outside boundary of the selection. Grain length (GL); The longest length of the grain. Grain width (GW); The shortest length of the grain. Grain area (GA); Area of selection in square pixels or in calibrated square units. Aspect ratio (AR); The aspect ratio of the particle’s fitted ellipse. Grain circularity (GC); The degree of roundness of a circular hole.
Fig. 2Grain color reaction of Korean wheat cultivars to the chemical tests. The result of the 5M NaOH assay (A; left: red, right: white). The result of the ninhydrin assay (B; left: dark violet, right: light violet). The result of the red wheat L-DOPA assay (C; left: black, right: no color change).
Fig. 3Amplification profiles of alleles at Tamyb10-A (A), Tamyb10-B (B) and Tamyb10-D (C) of Korean wheat cultivars. M, Size marker; 1, Eunpa; 2, Hojoong; 3, Goso; 4, Joa; 5, Uri; 6, Tapdong; 7, Alchan; 8, Baekjoong; 9, Hanbaek; 10, Jokyung; 11, Hwangkeumal; 12, Seodun.
Fig. 4Amplification profiles of alleles at Ppo-A1 (A), Ppo-B1 (B) and Ppo-D1 (C) of Korean wheat cultivars. M, Size marker; 1, Suan; 2, Kyungkwang; 3, Baekkang; 4, Saekkeumkang; 5, Geuru; 6, Jonong; 7, Johan; 8, Uri; 9, Baekjoong; 10, Jeokjoong; 11, Chokwang; 12, Hanbaek.
Fig. 5Amplification profiles of alleles at TaCWI-4A (A), TaGW2-6A (B) and TaSus2-2B (C) of Korean wheat cultivars. M, Size marker; 1, Ol; 2, Namhae; 3, Joa; 4, Goso; 5, Olgeuru; 6, Geuru; 7, Jonong; 8, Saeol; 9, Saekeumkang; 10, Hwangkeumal; 11, Joeun; 12, Taejoong.
Fig. 6Difference in grain length according to the combination of grain color and PPO activity (A), Tamyb10 (B), Ppo-A1b and Ppo-B1a (C), and TaGW2-6A and TaSus2-2B (D) in 50 Korean wheat cultivars. Each bar represents the mean±standard error. Bars with different letters above are significantly different at p<0.05.
Fig. 7Scattered diagram of grain characteristics of 50 Korean wheat cultivars. Cultivar names for each number are identical as in
Table 2.
Table 1Classification of Korean wheat cultivars based on NaOH, Ninhydrin and L-DOPA assays.
Table 1
|
Chemical |
Color |
No |
Cultivar |
|
NaOH |
Red |
37 |
Alchan, Anbaek, Chokwang, Chunggye, Dahong, Dajoong, Eunpa, Geuru, Gobun, Goso. Hojoong, Hwangkeumal, Jangkwang, Jinpoom, Jinpoong, Joa, Joeun, Johan, Jojoong, Jonong, Jopum, Kyungkwang, Milsung, Namhae, Ol, Olgeuru, Saekeumkang, Saeol, Seodun, Shinmichal, Shinmichal1, Suan, Sukang, Taejoong, Tapdong, Uri, Yungkwang |
|
White |
13 |
Baekchal, Baekjoong, Baekkang, Dabun, Hanbaek, Jeokjoong, Jokyung, Joongmo2003, Joongmo2004, Joongmo2008, Joongmo2012, Keumkang, Younbaek |
|
Ninhydrin |
Light violet |
37 |
Alchan, Anbaek, Chokwang, Chunggye, Dahong, Dajoong, Eunpa, Geuru, Gobun, Goso. Hojoong, Hwangkeumal, Jangkwang, Jinpoom, Jinpoong, Joa, Joeun, Johan, Jojoong, Jonong, Jopum, Kyungkwang, Milsung, Namhae, Ol, Olgeuru, Saekeumkang, Saeol, Seodun, Shinmichal, Shinmichal1, Suan, Sukang, Taejoong, Tapdong, Uri, Yungkwang |
|
Dark violet |
13 |
Baekchal, Baekjoong, Baekkang, Dabun, Hanbaek, Jeokjoong, Jokyung, Joongmo2003, Joongmo2004, Joongmo2008, Joongmo2012, Keumkang, Younbaek |
|
L-DOPA |
Black |
24 |
Anbaek, Baekchal, Baekkang, Dajoong, Eunpa, Geuru, Gobun, Hanbaek, Hwangkeumal, Joa, Joeun, Johan, Jojoong, Jokyung, Jonong, Joongmo2003, Joongmo2008, Keumkang, Kyungkwang, Ol, Saekeumkang, Suan, Taejoong, Tapdong |
|
No change |
26 |
Alchan, Baekjoong, Chokwang, Chunggye, Dabun, Dahong, Goso, Hojoong, Jangkwang, Jeokjoong, Jinpoom, Jinpoong, Joongmo2004, Joongmo2012, Jopum, Milsung, Namhae, Olgeuru, Saeol, Seodun, Shinmichal, Shinmichal1, Sukang, Uri, Younbaek, Yungkwang |
Table 2Allelic variations of Tamby10, Ppo-1, TaCWI-4A, TaGW2-6A and TaSus2-2B in 50 Korean wheat cultivars.
Table 2
|
No |
Cultivar |
Tamby10
|
Ppo-1
|
TaCWI-4A
|
TaGW2-6A
|
TaSus2-2B
|
|
A1
|
B1
|
D1
|
A1
|
B1
|
D1
|
|
1 |
Alchan |
b
|
b
|
b
|
b
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
2 |
Anbaek |
b
|
b
|
a
|
a
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
3 |
Baekchal |
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
4 |
Baekjoong |
a
|
a
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
A
|
L
|
|
5 |
Baekkang |
a
|
a
|
a
|
a
|
b
|
a
|
C
|
G
|
L
|
|
6 |
Chokwang |
b
|
b
|
b
|
b
|
a
|
b
|
C
|
A
|
H
|
|
7 |
Chunggye |
b
|
b
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
8 |
Dabun |
a
|
a
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
G
|
H
|
|
9 |
Dahong |
b
|
b
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
G
|
H
|
|
10 |
Dajoong |
a
|
b
|
a
|
a
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
11 |
Eunpa |
a
|
b
|
a
|
a
|
b
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
12 |
Geuru |
b
|
b
|
a
|
a
|
a
|
b
|
C
|
G
|
H
|
|
13 |
Gobun |
a
|
b
|
a
|
a
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
14 |
Goso |
b
|
a
|
a
|
b
|
a
|
a
|
T
|
A
|
H
|
|
15 |
Hanbaek |
a
|
a
|
a
|
b
|
a
|
b
|
C
|
G
|
L
|
|
16 |
Hojoong |
a
|
b
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
17 |
Hwangkeumal |
a
|
b
|
a
|
a
|
b
|
a
|
C
|
G
|
L
|
|
18 |
Jangkwang |
b
|
b
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
G
|
H
|
|
19 |
Jeokjoong |
a
|
a
|
a
|
b
|
b
|
a
|
C
|
A
|
L
|
|
20 |
Jinpoom |
a
|
b
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
21 |
Jinpoong |
b
|
b
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
G
|
H
|
|
22 |
Joa |
b
|
a
|
a
|
b
|
a
|
a
|
T
|
A
|
H
|
|
23 |
Joeun |
a
|
b
|
a
|
a
|
b
|
a
|
C
|
A
|
L
|
|
24 |
Johan |
b
|
a
|
a
|
a
|
b
|
b
|
C
|
A
|
H
|
|
25 |
Jojoong |
b
|
a
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
26 |
Jokyung |
a
|
a
|
a
|
a
|
b
|
a
|
C
|
G
|
L
|
|
27 |
Jonong |
b
|
a
|
a
|
a
|
a
|
b
|
C
|
A
|
H
|
|
28 |
Joongmo2003 |
a
|
a
|
a
|
a
|
b
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
29 |
Joongmo2004 |
a
|
a
|
a
|
a
|
b
|
a
|
C
|
G
|
H
|
|
30 |
Joongmo2008 |
a
|
a
|
a
|
a
|
b
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
31 |
Joongmo2012 |
a
|
a
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
G
|
H
|
|
32 |
Jopum |
b
|
b
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
33 |
Keumkang |
a
|
a
|
a
|
a
|
b
|
a
|
C
|
G
|
H
|
|
34 |
Kyungkwang |
b
|
b
|
a
|
a
|
a
|
a
|
C
|
G
|
H
|
|
35 |
Milsung |
b
|
a
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
36 |
Namhae |
b
|
b
|
a
|
b
|
a
|
a
|
T
|
A
|
H
|
|
37 |
Ol |
b
|
b
|
b
|
a
|
a
|
a
|
T
|
A
|
H
|
|
38 |
Olgeuru |
b
|
a
|
a
|
b
|
a
|
a
|
T
|
A
|
H
|
|
39 |
Saekeumkang |
a
|
b
|
a
|
a
|
b
|
a
|
C
|
G
|
H
|
|
40 |
Saeol |
b
|
a
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
41 |
Seodun |
a
|
b
|
b
|
b
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
42 |
Shinmichal |
b
|
a
|
a
|
b
|
a
|
a
|
T
|
A
|
H
|
|
43 |
Shinmichal1 |
b
|
b
|
a
|
b
|
a
|
a
|
T
|
A
|
H
|
|
44 |
Suan |
b
|
b
|
a
|
a
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
45 |
Sukang |
b
|
a
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
G
|
H
|
|
46 |
Taejoong |
a
|
b
|
a
|
a
|
b
|
a
|
T
|
G
|
L
|
|
47 |
Tapdong |
b
|
b
|
b
|
a
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
48 |
Uri |
b
|
b
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
A
|
H
|
|
49 |
Younbaek |
a
|
a
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
G
|
L
|
|
50 |
Yungkwang |
b
|
b
|
a
|
b
|
a
|
a
|
C
|
G
|
H
|
Table 3Grain characteristics using image analysis of Korean wheat cultivars.
Table 3
|
No |
Cultivar |
Grain length (mm) |
Grain width (mm) |
Grain perimeter (mm) |
Grain area (mm2) |
Grain aspect |
Grain circularity |
|
1 |
Alchan |
6.0 |
3.3 |
15.8 |
15.6 |
1.83 |
0.78 |
|
2 |
Anbaek |
6.6 |
3.7 |
17.5 |
19.1 |
1.79 |
0.79 |
|
3 |
Baekchal |
6.6 |
3.5 |
17.2 |
18.3 |
1.86 |
0.78 |
|
4 |
Baekjoong |
6.6 |
3.4 |
17.2 |
17.8 |
1.95 |
0.75 |
|
5 |
Baekkang |
7.3 |
3.6 |
18.6 |
20.8 |
2.04 |
0.75 |
|
6 |
Chokwang |
7.0 |
3.4 |
17.9 |
18.9 |
2.04 |
0.74 |
|
7 |
Chunggye |
6.1 |
3.1 |
15.8 |
15.1 |
1.98 |
0.75 |
|
8 |
Dabun |
6.8 |
3.4 |
17.5 |
18.2 |
2.02 |
0.75 |
|
9 |
Dahong |
6.1 |
3.1 |
15.7 |
14.8 |
2.02 |
0.75 |
|
10 |
Dajoong |
7.2 |
3.1 |
17.8 |
17.4 |
2.39 |
0.69 |
|
11 |
Eunpa |
6.4 |
3.3 |
16.5 |
16.6 |
1.93 |
0.76 |
|
12 |
Geuru |
7.2 |
3.6 |
18.5 |
20.4 |
2.01 |
0.74 |
|
13 |
Gobun |
6.6 |
3.3 |
16.9 |
17.1 |
2.03 |
0.74 |
|
14 |
Goso |
6.9 |
3.5 |
17.9 |
19.3 |
1.97 |
0.75 |
|
15 |
Hanbaek |
7.7 |
3.7 |
19.5 |
22.5 |
2.07 |
0.74 |
|
16 |
Hojoong |
7.1 |
3.5 |
18.2 |
19.7 |
2.05 |
0.74 |
|
17 |
Hwangkeumal |
7.2 |
3.5 |
18.3 |
20.0 |
2.05 |
0.74 |
|
18 |
Jangkwang |
6.6 |
3.4 |
17.1 |
17.7 |
1.93 |
0.76 |
|
19 |
Jeokjoong |
6.9 |
3.6 |
18.0 |
19.5 |
1.96 |
0.75 |
|
20 |
Jinpoom |
6.3 |
3.2 |
16.2 |
15.7 |
1.99 |
0.75 |
|
21 |
Jinpoong |
6.2 |
3.4 |
16.4 |
16.7 |
1.83 |
0.78 |
|
22 |
Joa |
7.1 |
3.5 |
18.3 |
19.7 |
2.04 |
0.74 |
|
23 |
Joeun |
6.5 |
3.4 |
16.9 |
17.6 |
1.91 |
0.77 |
|
24 |
Johan |
6.7 |
3.4 |
17.2 |
17.7 |
2.00 |
0.75 |
|
25 |
Jojoong |
6.8 |
3.3 |
17.3 |
17.8 |
2.04 |
0.74 |
|
26 |
Jokyung |
7.2 |
3.7 |
18.6 |
20.9 |
1.99 |
0.75 |
|
27 |
Jonong |
7.1 |
3.5 |
18.1 |
19.6 |
2.02 |
0.75 |
|
28 |
Joongmo2003 |
6.6 |
3.6 |
17.6 |
19.1 |
1.84 |
0.77 |
|
29 |
Joongmo2004 |
7.1 |
3.6 |
18.4 |
20.3 |
1.99 |
0.75 |
|
30 |
Joongmo2008 |
7.5 |
3.4 |
18.9 |
20.3 |
2.21 |
0.71 |
|
31 |
Joongmo2012 |
7.7 |
3.8 |
19.7 |
22.9 |
2.07 |
0.74 |
|
32 |
Jopum |
7.1 |
3.3 |
18.1 |
18.7 |
2.17 |
0.72 |
|
33 |
Keumkang |
7.1 |
3.7 |
18.3 |
20.4 |
1.95 |
0.76 |
|
34 |
Kyungkwang |
7.0 |
3.3 |
17.8 |
18.5 |
2.11 |
0.73 |
|
35 |
Milsung |
6.1 |
3.2 |
15.9 |
15.5 |
1.92 |
0.77 |
|
36 |
Namhae |
6.2 |
3.3 |
16.4 |
16.4 |
1.88 |
0.76 |
|
37 |
Ol |
6.3 |
3.3 |
16.5 |
16.5 |
1.94 |
0.76 |
|
38 |
Olgeuru |
6.8 |
3.5 |
17.7 |
18.8 |
1.96 |
0.76 |
|
39 |
Saekeumkang |
7.3 |
3.6 |
18.6 |
20.5 |
2.07 |
0.74 |
|
40 |
Saeol |
7.1 |
3.3 |
17.8 |
18.2 |
2.18 |
0.71 |
|
41 |
Seodun |
6.3 |
3.3 |
16.3 |
16.2 |
1.92 |
0.77 |
|
42 |
Shinmichal |
6.9 |
3.4 |
17.6 |
18.6 |
2.01 |
0.75 |
|
43 |
Shinmichal1 |
6.3 |
3.3 |
16.4 |
16.4 |
1.94 |
0.76 |
|
44 |
Suan |
7.2 |
3.5 |
18.4 |
20.2 |
2.06 |
0.74 |
|
45 |
Sukang |
6.6 |
3.5 |
17.2 |
17.9 |
1.93 |
0.76 |
|
46 |
Taejoong |
7.4 |
3.8 |
19.1 |
22.0 |
1.94 |
0.76 |
|
47 |
Tapdong |
6.5 |
3.4 |
16.8 |
17.2 |
1.94 |
0.76 |
|
48 |
Uri |
6.8 |
3.3 |
17.3 |
17.7 |
2.10 |
0.74 |
|
49 |
Younbaek |
6.9 |
3.5 |
17.8 |
19.1 |
1.94 |
0.75 |
|
50 |
Yungkwang |
7.0 |
3.5 |
18.0 |
19.1 |
2.03 |
0.74 |
|
LSDz
|
0.1 |
0.1 |
0.2 |
0.4 |
0.02 |
0.01 |
Table 4Coefficients of correlations among grain characteristics of 50 Korean wheat cultivars.
Table 4
|
Parameter |
Grain length |
Grain width |
Grain perimeter |
Grain area |
Grain aspect |
|
Grain width |
0.62***z
|
|
|
|
|
|
Grain perimeter |
0.98***
|
0.76***
|
|
|
|
|
Grain area |
0.92***
|
0.88***
|
0.98***
|
|
|
|
Grain aspect |
0.61***
|
-0.24 |
0.45**
|
0.25 |
|
|
Grain circularity |
-0.61***
|
0.21 |
-0.46**
|
-0.26 |
-0.97***
|
Table 5Difference in grain characteristics using image analysis according to grain color, PPO (polyphenol oxidase) activity and allelic variations among 50 Korean wheat cultivars.
Table 5
|
Characteristics |
Grain length (mm) |
Grain width (mm) |
Grain perimeter (mm) |
Grain area (mm2) |
Grain aspect |
Grain circularity |
|
White grainz
|
7.1ax
|
3.6a |
18.3a |
20.0a |
1.99a |
0.75a |
|
Red grain |
6.7b |
3.4b |
17.3b |
18.0b |
2.00a |
0.75a |
|
PPO activityy
|
High |
7.0a |
3.5a |
17.9a |
19.3a |
2.01a |
0.75a |
|
Low |
6.7b |
3.4b |
17.2b |
17.9b |
1.98a |
0.75a |
|
Tamyb10-A
|
a
|
7.0a |
3.5a |
17.9a |
19.3a |
2.01a |
0.75a |
|
b
|
6.7b |
3.4b |
17.2b |
17.8b |
1.99a |
0.75a |
|
Tamyb10-B
|
a
|
6.9a |
3.5a |
17.7a |
18.7a |
2.00a |
0.75a |
|
b
|
6.4b |
3.3a |
16.6b |
16.9b |
1.99a |
0.75a |
|
Tamyb10-D
|
a
|
7.0a |
3.5a |
17.9a |
19.2a |
2.00a |
0.75a |
|
b
|
6.7b |
3.4b |
17.2b |
17.9b |
1.93a |
0.76a |
|
Ppo-A1
|
a
|
6.9a |
3.5a |
17.8a |
19.1a |
2.00a |
0.75a |
|
b
|
6.7a |
3.4b |
17.3a |
18.0b |
1.99a |
0.75a |
|
Ppo-B1
|
a
|
6.8b |
3.4b |
17.4b |
18.1b |
2.00a |
0.75a |
|
b
|
7.0a |
3.6a |
18.1a |
19.7a |
1.99a |
0.75a |
|
Ppo-D1
|
a
|
6.8a |
3.4a |
17.5a |
18.4a |
1.99a |
0.75a |
|
b
|
7.1a |
3.5a |
18.3a |
19.8a |
2.03a |
0.74a |
|
TaCWI-4A
|
Hap-4A-C
|
6.8a |
3.4a |
17.6a |
18.5a |
2.00a |
0.75a |
|
Hap-4A-T
|
6.8a |
3.5a |
17.5a |
18.5a |
1.96a |
0.75a |
|
TaGW2-6A
|
Hap-6A-A
|
6.7b |
3.4b |
17.3b |
17.9b |
1.99a |
0.75a |
|
Hap-6A-G
|
7.0a |
3.5a |
18.1a |
19.6a |
2.00a |
0.75a |
|
TaSus2-2B
|
Hap-H
|
6.8b |
3.4b |
17.4b |
18.2b |
2.00a |
0.75a |
|
Hap-L
|
7.1a |
3.6a |
18.2a |
20.0a |
1.98a |
0.75a |
References
- 1. Abràmoff MD, Magalhães PJ, Ram SJ. 2004. Image processing with ImageJ. Biophotonics Int 11: 36-42.
- 2. Anderson JV, Morris CF. 2001. An improved whole-seed assay for screening wheat germplasm for polyphenol oxidase activity. Crop Sci 41: 1697-1705.
- 3. Bae GK, Park RU. 2020. A study on the development of the Korean wheat industry in Jeollabukdo. Jeonbuk Institute.
- 4. Baik BK, Czuchajowska Z, Pomeranz Y. 1994. Comparison of polyphenol oxidase activities in wheats and flours from Australian and U.S. cultivars. J Cereal Sci 19: 291-296.
- 5. Beecher B, Skinner DZ. 2011. Molecular cloning and expression analysis of multiple polyphenol oxidase genes in developing wheat (Triticum aestivum) kernels. J Cereal Sci 53: 371-378.
- 6. Guo Y, Sun J, Zhang G, Wang Y, Kong F, Zhao Y, Li S. 2013. Haplotype, molecular marker and phenotype effects associated with mineral nutrient and grain size traits of TaGS1a in wheat. Field Crops Res 154: 119-125.
- 7. Hatcher DW, Symons SJ. 2000. Assessment of oriental noodle appearance as a function of flour refinement and noodle type by image analysis. Cereal Chem 77: 181-186.
- 8. He XY, He ZH, Zhang LP, Sun DJ, Morris CF, Fuerst EP, Xia XC. 2007. Allelic variation of polyphenol oxidase (PPO) genes located on chromosomes 2A and 2D and development of functional markers for the PPO genes in common wheat. Theor Appl Genet 115: 47-58.
- 9. Himi E, Maekawa M, Miura H, Noda K. 2011. Development of PCR markers for Tamyb10 related to R-1, red grain color gene in wheat. Theor Appl Genet 122: 1561-1576.
- 10. Huo J, Jiang Q, Hao C, Wang Y, Zhang H, Zhang X. 2014. Global selection on sucrose synthase haplotypes during a century of wheat breeding. Plant Physiol 164: 1918-1929.
- 11. Hystad SM, Giroux MJ, Martin JM. 2016. Impact of null polyphenol oxidase alleles on white salted noodles. Cereal Chem 93: 255-262.
- 12. Hystad SM, Martin JM, Graybosch RA, Giroux MJ. 2015. Genetic characterization and expression analysis of wheat (Triticum aestivum) line 07OR1074 exhibiting very low polyphenol oxidase (PPO) activity. Theo Appl Genet 128: 1605-1615.
- 13. Jiang Q, Hou J, Hao C, Wang L, Ge H, Dong Y, Zhang X. 2010. The wheat (T. aestivum) sucrose synthase 2 gene (TaSus2) active in endosperm development is associated with yield traits. Funct Integr Genomics 11: 49-61.
- 14. Jiang Y, Jiang Q, Hao C, Hou J, Wang L, Zhang H, Zhang S, Chen X, Zhang X. 2015. A yield-associated gene TaCWI, in wheat: Its function, selection and evolution in global breeding revealed by haplotype analysis. Theor Appl Genet 128: 131-143.
- 15. Jung EM, Lee DY, Kim TH, Park EJ, Song DH. 2020. Research on establishment of mid-to-long-term development plan for wheat industry in Korea. Korea Rural Economic Institute,
- 16. Kang CS, Kim KH, Park JC, Kim KH, Park KG, Cheong YK, Yoon SH, Park CS. 2011. Relationship between polyphenol oxidase activity and color of white salted noodles prepared from Korean wheat cultivar. Korean J Breed Sci 43: 470-478.
- 17. Kang CS, Kim KH, Choi I, Sin SH, Son JH, Cheong YK, Lee CK, Park KG, Park CS. 2014. Effect of characteristics of grain and flour on color of noodle dough sheet and simple test for Fe content in Korean wheat cultivar. Kor J Crop Sci 59: 27-37.
- 18. Kim KH, Kang CS, Cheong YK, Park CS, Kim KH, Kim HS, Kim YJ, Yun SJ. 2012a. Selection of Korean wheat germplasms with low polyphenol oxidase using polyphenol oxidase-specific DNA Markers. Korean J Breed Sci 44: 11-18.
- 19. Kim KH, Kang CS, Park JC, Shin SH, Hyun JN, Park CS. 2012b. Evaluation of pre-harvest sprouting in Korean wheat cultivar. Korean J Breed Sci 44: 526-537.
- 20. Kim KM, Cho SW, Choe R, Ryu NK, Hwang JY, Kim JW, Kim KH, Kang CS, Park CS. 2020. Allelic variation at loci associated with grain properties in Korean wheat cultivars. Korean J Breed Sci 52: 362-373.
- 21. Lee CK, Son JR, Nam JH. 2004. Postharvest management of wheat in major wheat producing countries. Proc Kor Soc Crop Sci Conf pp 21-35.
- 22. Lin M, Zhang D, Liu S, Zhang G, Yu J, Fritz AK, Bai G. 2016. Genome-wide association analysis on pre-harvest sprouting resistance and grain color in U.S. winter wheat. BMC Genom 17: 1-16.
- 23. Miskelly DM. 1984. Flour components affecting paste and noodle colour. J Sci Food Agric 35: 463-471.
- 24. Morris CF. 2018. Determinants of wheat noodle color. J Sci Food Agric 98: 5171-5180.
- 25. Park WJ, Shelton DR, Peterson CJ, Martin T, Kachman SD, Wehling RL. 1997. Variation in polyphenol oxidase activity and quality characteristics among hard white wheat and hard red winter wheat samples. Cereal Chem 74: 7-11.
- 26. Ram MS, Dowell FE, Seitz L, Lookhart G. 2002. Development of standard procedures for a simple, rapid test to determine wheat color class. Cereal Chem 79: 230-237.
- 27. Ramani PS, Ukani JD, Patel JB, Babariya CA. 2016. Characterization of wheat varieties (Triticum Spp.) through seed morphology. J Appl Nat 11: 315-319.
- 28. Sadeque A, Turner M, Khan A, Ahmed N, Adhikari K. 2017. Identification of quantitative trait loci markers using diversity arrays technology for polyphenol oxidase activity in hexaploid wheat. New Zeal J Crop Hort 46: 243-253.
- 29. Salem RO, Alzweek SM, Abraheem AA, Heba M, Farhat N. 2018. Characterization of some wheat (Triticum aestivum L.) genotypes by qualitative chemical tests. Libyan J Agr 23: 63-76.
- 30. Sehgal D, Mondal S, Guzman C, Garcia Barrios G, Franco C, Singh R, Dreisigacker S. 2019. Validation of candidate gene-based markers and identification of novel loci for thousand-grain weight in spring bread wheat. Front Plant Sci 10: 1189-1200.
- 31. Shin SH, Kim KH, Kang CS, Park JC, Hyun JN, Park CS. 2013. Effects of agronomic characteristics and grain morphology on pre-harvest sprouting in Korean wheat cultivar. Korean J Breed Sci 45: 346-357.
- 32. Si H, Zhou Z, Wang X, Ma C. 2012. A novel molecular marker for the polyphenol oxidase gene located on chromosome 2B in common wheat. Mol Breeding 30: 1371-1378.
- 33. Su Z, Hao C, Wang L, Dong Y, Zhang X. 2011. Identification and development of a functional marker of TaGW2 associated with grain weight in bread wheat (Triticum aestivum L.). Theor Appl Genet 122: 211-223.
- 34. Sun DJ, He ZH, Xia XC, Zhang SP, Morris CR, Appels R, Ma WJ, Wang H. 2005. A novel STS marker for polyphenol oxidase activity in bread wheat. Mol Breeding 16: 209-218.
- 35. Wang Y, Wang XL, Meng JY, Zhang YJ, He ZH, Yang T. 2016. Characterization of Tamyb10 allelic variants and development of STS marker for pre-harvest sprouting resistance in Chinese bread wheat. Mol Breeding 36: 1-12.
- 36. Winn ZJ, Larkin DL, Murry JT, Moon DE, Mason RE. 2021. Phenotyping anther extrusion of wheat using image analysis. Agronomy 11: 1244-1250.
- 37. Zhai S, He Z, Wen W, Liu J, Jin H, Yan J, Zhang Y, Zhang P, Wan Y, Xia X. 2020. Genetic architecture of polyphenol oxidase activity in wheat flour by genome-wide association study. Crop Sci 60: 1281-1293.
