Abstract
The decrease in seed vigor and grain quality during storage has become an increasingly critical issue due to the extended storage periods resulting from declining rice consumption and climate change in Korea. Despite its importance, few studies have investigated rice seed aging in a large number of Korean rice cultivars. In this study, 53 japonica rice cultivars were evaluated for seed germination, vigor, and grain quality-related traits under accelerated-aging conditions. Seed germination rate was evaluated 7 days after imbibition, following accelerated aging treatments at 42℃ and 95% relative humidity for 8, 12, and 16 days. The average germination rates were 72.9% in the control (0 d), 71.7% after 8 days, 59.0% after 12 days, and 5.6% after 16 days of treatment. Grain quality-related traits, including texture and pasting properties, were also evaluated in rice subjected to the accelerated aging treatment. Adhesiveness and stickiness decreased, whereas hardness and toughness increased, as seed aging progressed. Cluster analysis based on germination rates after accelerated aging identified three distinct clusters, with cultivars in Cluster 3 maintaining a high germination rate of 70.6% even after 12 days of aging, showing clear differences from the other clusters. A principal component analysis (PCA) was conducted to investigate the relationship between germination rate and grain quality-related traits. The results showed that the germination rate and hardness tended to be negatively associated across all three clusters. These results suggested that cultivars with higher germination rates tend to maintain a softer cooked rice texture after aging. Our results provide insight into the relationship between seed aging and grain quality, highlighting elite cultivars that maintain both germination ability and grain quality during storage as valuable resources for breeding programs.
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Keywords: accelerated aging; germination; grain quality; rice; seed vigor
서언
종자의 활력은 다양한 환경조건에서 종자가 빠르고 균일하게 발아하여, 건전한 유묘로 성장할 수 있는 능력을 의미하고, 수명은 저장 기간 동안 종자가 발아 가능한 생존 상태를 유지하는 능력을 의미한다(
Finch-Savage & Bassel 2016,
Nadarajan et al. 2023). 종자의 활력은 수명뿐만 아니라 발아력, 초기 생장력 등을 포함하는 더 넓은 개념으로 이해된다. 종자의 활력 및 수명은 온도, 습도 등의 저장 환경에 크게 영향을 받는다. 일반적으로 온도가 높고 종자의 수분 함량이 많을수록 노화가 빠르게 진행되어 활력이 급격히 저하된다.
Kawamura et al. (2004)의 연구에 따르면, 수분 함량이 약 15%인 자포니카 품종의 정조를 25℃ 상온에서 저장한 경우, 약 12개월 후 발아율이 0%까지 감소하였으나, 15℃ 저온 저장에서는 약 48개월, 5℃ 저장 조건에서는 4년 후에도 90% 이상의 발아율을 유지하였다. 또한, 생태형에 따라 종자 수명이 다른데, 일반적으로 인디카 품종이 자포니카 품종보다 수명이 길다고 알려져 있다(
Ellis et al. 1992,
Na et al. 2014,
Wu et al. 2021). 자포니카와 인디카 품종 456개의 유전자원을 대상으로 42℃, 상대습도 88% 조건에서 20일간 노화촉진 처리 후 발아율을 비교한 결과, 자포니카 품종은 평균 33.5%, 인디카 품종은 평균 60.4%로 생태형 간에 유의한 차이를 보였다(
Wu et al. 2021). 또한, 같은 생태형 내에서도 품종에 따라 수명의 차이가 확인되었으며, 국내 육성 자포니카 품종에서도 유의한 차이가 보고되었다(
Shon et al. 2014). 30개월간 저장한 국내 육성 29개 품종의 발아율을 비교한 결과, 일부 품종은 30개월 후에도 80% 이상의 발아율을 유지하였으나, 일부는 10% 이하로 급감하여 품종 간 뚜렷한 차이를 보였다.
종자 저장 기간 동안 온도, 습도 등의 환경조건에 따라 활력 저하뿐만 아니라, 밥맛을 포함한 미질이 저하되는 품질 변화도 수반된다(
Han et al. 2024,
Kim et al. 2007,
Park et al. 2012,
Tian et al. 2024). 저장 기간에 따라 변화하는 물리적 특성으로는 경도(hardness), 찰기(stickiness) 등 밥의 물성 변화가 있으며, 보통 저장 기간이 길어질수록 경도는 증가하고, 찰기는 감소하는 경향을 보인다(
Gujral & Kumar 2003,
Park et al. 2012). 화학적 특성으로는 전분, 단백질, 지질 등 주요 성분의 구조적 변화가 있다(
Gu et al. 2025,
Hu et al. 2022,
Zhao et al. 2021). 또한 식미 저하의 주요 원인 중 하나인 고미취 발생은 지방산의 산화에 의한 것으로, 고온 조건에서 더 빠르게 진행되는 것으로 보고되었다(
Kim et al. 2011). 한편, 아밀로스 및 단백질 함량은 품종 고유의 특성으로, 일반적으로 저장 중 변화가 크지 않은 것으로 보고되었다(
Kim et al. 2023,
Thanompolkrung et al. 2017,
Zhou et al. 2002). 이러한 물리적, 화학적 변화는 밥의 조직감, 풍미, 호화특성 등에 영향을 미쳐 저장 중 쌀의 품질과 식미를 결정하는 핵심 요인으로 작용한다. 또한, 상온 장기 저장에 따른 발아율과 식미 사이에 높은 상관관계가 보고된 바 있다(
Jang et al. 2009,
Kim et al. 2023). 이와 같은 선행 연구들은 저장 중 종자의 물리적⋅화학적 특성 변화와 그에 따른 미질 저하 현상을 보고하고 있지만, 대부분 인디카 품종 또는 국외 품종을 중심으로 수행되어, 국내 자포니카 품종을 대상으로 한 연구가 미흡한 실정이다.
실제 저장 환경에서 장기적으로 종자 활력을 평가하기 위해서는 많은 시간과 다양한 환경 요인의 영향을 고려해야 하므로, 이를 대체할 수 있는 노화촉진(accelerated aging; AA) 처리 기법이 널리 사용되고 있다(
Delouche & Baskin 1973). 가장 보편적으로 사용되는 방법은 고온다습 조건(40-45℃, 상대습도 90-100%)의 배양기에서 10일 이내로 종자를 처리하는 방식이다(
Bijanzadeh et al. 2017,
Delouche & Baskin 1973,
Kapoor et al. 2011). 고온다습 조건으로 16개 작물을 노화촉진 처리한 후의 발아율은 3년간의 저장 기간 동안의 발아율과 높은 상관관계를 보인 바 있다(
Delouche & Baskin 1973). 이에 본 연구는 국내 자포니카 품종들을 대상으로 고온다습 조건의 노화촉진 처리에 따라 변화하는 종자 활력과 미질 관련 형질을 분석함으로써, 향후 장기저장 조건에서 종자 활력과 미질 관련 형질이 우수한 벼 육종 소재 개발을 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.
재료 및 방법
시험재료 및 노화촉진 처리
본 연구에 사용된 시험재료는 일본에서 육성된 고시히카리, 히토메보레, 추청과 국내에서 육성된 자포니카 벼 50개 품종(조생종 9, 중생종 8, 중만생종 36)을 선정하였다(
Table 1). 이들 품종은 2024년 농촌진흥청 국립식량과학원 벼 시험 포장에 4월 30일 파종하여, 5월 27일에 30×15 cm 재식거리로 이앙하였다. 시비량은 N-P
2O
5-K
2O=9-4.5-5.7 kg/10a로 하였고, 이앙 후의 관리는 농촌진흥청 표준 재배법에 준하여 수행하였다. 종자는 출수 생태형에 따라 조생종은 출수 후 40-45일, 중생종은 45-50일, 중만생종은 50-55일에 수확하였다. 종자는 수확 직후 자연상태에서 수분함량 11-13% 수준까지 건조 후, 실험 전까지 상온에 보관하였다. 종자 노화촉진 처리는
Delouche & Baskin (1973) 및
Qu et al. (2020)의 연구를 참고하여 수확 후 3개월 시점의 정조를 42℃, 상대습도 95% 조건에서 8, 12, 16일 동안 보관 후 실험에 사용하였다.
노화 촉진 처리 조건에서 8일, 12일, 16일 보관한 종자의 발아율을 조사하였다. 건전한 종자는 tissue embedding cassette에 35립씩 3반복으로 담아 처리 기간별로 보관하였으며, 종자 소독은
Ji et al. (2019)의 방법을 참고하였다. 본 연구에서는 70% 에탄올에 1분, 0.6% 차아염소산나트륨(NaClO)에 15분간 처리하는 방법으로 수정하여 진행하였다. 소독한 종자는 30℃ 항온기에서 7일간 발아시킨 후, 최종 발아율(%)을 조사하였다.
종자 활력 검정은 AOSA (2010)의 테트라졸리움 검사(Tetrazolium-test) 지침서를 참고하여 수행하였다. TZ 검정은 살아있는 세포에서 호흡 과정 중 발생하는 산화환원 반응을 이용하여, triphenyl-tetrazolium chloride (TTC)가 환원되어 배 조직이 붉게 염색되는 원리를 기반으로 한다(
Porter et al. 1947). TZ 검정은 종자를 절단한 후 염색하여 평가하는 과정을 포함하므로, 발아 실험보다 시료당 더 많은 작업 시간이 소요된다(
França-Neto & Krzyzanowski 2019). 따라서 본 연구에서는 시료당 작업량을 고려하여 단반복으로 수행하였다. 품종별로 정조 50립씩을 증류수에 침지하고 20℃ 항온기에서 18시간 흡수 처리한 후, 종자를 절단하여 1% 2,3,5-triphenyl tetrazolium chloride (TTC) 용액에 침지하고 30℃에서 2시간 염색한 후, 배 부위의 염색 여부를 기준으로 전체 종자 중에서 염색된 종자의 비율(%)을 조사하였다.
취반 후 밥의 물성 관련 특성은 텐시프레서(Tensipresser
TM, My Boy Ⅱ System, Taketomo Electric Inc., Tokyo, Japan)를 이용하였다. 백미 시료 30 g에 물을 첨가하여 가볍게 섞어준 뒤 실온(약 25℃)에 30분간 침지 후 전기밥솥(CR-0313V, Cuckoo Electronics Co. Ltd., Yangsan, Korea)에 넣고 취반하였다. 취반한 밥은 10 g씩 정량 한 후, 샬레에 담아 압축 성형 한 후 2분간 상온에서 방치한 후 측정하였다. 측정은 two-bite 압착법으로 수행하였으며, 첫 번째 압착은 시료 총 두께의 25%까지 눌러 표면층의 물성 특성을, 두 번째 압착은 90%까지 압착하여 전체 밥의 물성 특성을 측정하였다. 모든 시료는 3반복으로 측정하였으며, 물성 특성으로는 경도(hardness), 탄력성(toughness), 찰기(stickiness), 부착성(adhesiveness) 총 4개 항목을 측정하였다(
Lee et al. 2023,
Natio & Ogawa 1998,
Takahashi et al. 2000).
호화점도 특성은 신속점도측정기 RVA4500 (Perten Instruments, New South Wales, Australia)을 이용하여 측정하였다. RVA 분석 전용 용기에 쌀가루 시료 3 g과 증류수 25 mL를 넣고 온도를 95℃까지 상승시킨 후, 50℃까지 냉각하고 유지하며 점도 변화를 측정하였다. 해당 과정에서 호화개시온도(pasting temperature), 최고점도(peak viscosity), 최저점도(trough viscosity), 최종점도(final viscosity)를 측정하였다. 또한, 최고점도에서 최저점도를 뺀 값을 강하점도(breakdown viscosity)로, 최종점도에서 최고점도를 뺀 값을 치반점도(setback viscosity)로 계산하였다. 각 항목의 RVA 점도는 3회 측정한 값의 평균으로 나타내었으며, 단위는 RVU (rapid viscosity unit)로 표기하였다(
Park et al. 2021).
통계 분석은 R (Version 4.0.2, The R Foundation for Statistical Computing Platform)을 이용하여 수행하였다. 발아율, 활력, 미질 관련 형질 등의 유의성 검정을 위해 base R의 aov 함수를 사용하여 일원분산분석(one-way ANOVA)을 수행하였으며, 처리 평균 간의 유의성 검정은 agricolae 패키지의 Duncan 다중범위시험법(Duncan’s Multiple Range Test)를 이용하여 5% 유의수준에서 실시하였다. 발아율 변화 패턴의 시각적 분류를 위해 R의 umap 패키지를 활용하여 UMAP (Uniform Manifold Approximation and Projection)분석을 수행하였으며, 주요 파라미터는 기본값(n_neighbors=15, min_dist=0.1, metric=‘euclidean’)을 사용하였다. 발아율 특성의 연속성과 군집간 경계의 불명확성을 고려하여 UMAP을 통해 차원을 축소하고, fclust 패키지를 이용한 퍼지 C-평균 군집화(Fuzzy C-Means Clustering, FCM)를 통해 53개 벼 품종을 군집화하여 각 데이터의 군집 소속도를 수치화 하였다. FCM은 데이터의 군집 소속도를 수치화하는 클러스터링 기법으로, 군집화의 신뢰도를 정량적으로 확인하기 위해 사용하였다. 군집 간 발아율과 미질 관련 형질 간의 관계를 분석하기 위해 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA)을 수행하였다. 분석은 R의 FactoMineR 패키지의 PCA 함수를 사용하였다.
결과 및 고찰
노화촉진 처리에 따른 종자 발아율
자포니카 벼 53개 품종의 노화촉진 처리(42℃, 상대습도 95%) 후 발아율 조사 결과는
Fig. 1A와 Supplementary Table 1에 제시하였다. 전체 시험 품종의 무처리(0일) 평균 발아율은 72.9% (범위 36.2-93.3%)였다(Supplementary Table 1). 신동진, 수광 등은 90% 이상의 높은 발아율을 보였으나, 해들, 온누리, 영호진미 등은 50% 이하로 무처리 조건에서도 품종 간 발아율 차이를 보였다. 8일 처리 후에는 평균 71.7% (45.7-88.6%)로 무처리와 유의한 차이는 없었으나, 12일 처리 후에는 59.0% (30.5-83.8%)로 감소하였다. 16일 처리 후에는 평균 5.6% (0.0-27.6%)로 급격히 감소하였다. 한편, 12일 처리 후에도 참동진(83.8%), 신동진1(81.9%), 미소진품(81.9%), 고시히카리와 수광(78.1%), 신동진과 일미벼(75.2%), 히토메보레(73.3%), 현품과 삼광(72.4%), 드래향(71.4%)은 70% 이상의 발아율을 유지하였다. 16일 처리 후에는 45개 품종들이 10% 이하의 발아율을 보였으나, 참동진(27.6%), 아미쌀(18.1%), 청품(15.2%)은 15% 이상의 발아율을 유지하였다.
노화촉진 처리 기간이 길어질수록 발아율은 전반적으로 감소하였으며, 특히 12일 처리 후와 비교했을 때, 16일 처리 후 발아율은 급격하게 감소하였다. 이는 고온다습 조건의 노화촉진 처리에 따라 발아율이 감소하고, 품종 간 반응에 차이가 있다는 선행 연구 결과와 일치한다(
Bijanzadeh et al. 2017,
Govindaraj et al. 2017,
Kapoor et al. 2011). 동일한 처리 조건에서의 품종 간 발아율 차이는 품종 고유의 종자 특성으로 이는 종자 활력 유지력이 우수한 품종을 선발할 수 있는 가능성을 시사한다. 본 연구 결과를 바탕으로 수확 당시 종자의 활력 상태에 영향을 받을 수 있지만, 국내 벼 종자의 수명 평가를 위한 노화촉진 처리 기간은 품종 간 변이를 확실히 보이는 8일에서 16일 사이가 적절하다고 판단된다. 한편, 인디카 품종을 대상으로 40℃, 상대습도 100% 조건에서 20일간 노화촉진 처리한 연구에서는 15일 처리가 평가에 적합하다는 결과가 있었으나(
Govindaraj et al. 2017), 이는 일반적으로 인디카 품종의 활력이 더 높기 때문으로 보인다. 또한, 종자 수명은 유전적 요인 외에도 생육 기간, 종자 등숙기, 수확 이후에 이르는 전 생육 과정의 환경적 요인에 영향을 받는다고 보고되고 있다(
Wu et al. 2021). 본 연구에서 무처리 조건의 평균 발아율이 낮거나 노화촉진 16일 처리 후 발아율이 급감한 원인은 2024년 여름철 고온에 의한 종자 품질 저하에 의한 것으로 사료되나, 이에 대해서는 추가 연구가 필요하다. 실제로 일부 연구에서는 등숙기의 고온 스트레스가 발아 관련 호르몬 대사 및 전분 분해 효소 유전자발현을 조절하여 발아율을 감소시킨다는 보고가 있다(
Suriyasak et al. 2020). 또, 등숙 초기의 고온은 내배유 발달과 전분 합성에 영향을 주어 종자의 충실도를 저하시킬 수 있다는 보고가 있다(
Tayade et al. 2018).
노화촉진 처리의 무처리 종자에서 발아율이 낮게 나타난 품종의 활력을 확인하기 위해 TZ 활력 검정을 수행하였다(
Fig. 1B, Supplementary Table 1). 무처리(0일)에서는 염색된 종자가 평균 93.5% (범위 82-98%)로 발아율 72.9%보다 높은 활력을 보여, 종자 휴면이나 고온에 의한 종자 상태 불량으로 판단하였다. 노화촉진 8일 처리 후에는 평균 77.7% (38-90%), 12일 처리 후 72.9% (50-90%), 16일 처리 후 14.3% (0-42%)로 발아율과 유사하게 처리기간이 길어짐에 따라 종자 활력이 감소하는 것을 확인하였다. 다만, 발아율과 달리 종자 활력은 노화촉진 8일 처리 후 유의한 감소를 보였고, 8일 처리 결과와 12일 처리 결과의 차이는 상대적으로 작았다. 노화촉진 12일 처리 후 활력이 80% 이상으로 유지된 품종으로는 케이롱(90.0%), 진미벼(88.0%), 평안, 안평, 신동진(86.0%), 한가득, 일미벼, 아미쌀(84.0%), 예찬, 신동진, 참누리(82.0%), 참동진, 새누리, 미소진품, 호농, 현품(80.0%) 등 16개 품종이 있었다. 노화촉진 16일 처리 후에도 종자 활력이 25% 이상으로 유지된 품종으로는 케이롱(42.0%), 예찬(40.0%), 보르미, 청품(34.0%), 해품, 수광(32.0%), 참동진(26.0%) 등 7개 품종이 있었다. 본 연구에서는 테트라졸리움 염색률이 종자 발아율과 일치하지는 않았지만, 무처리 조건의 낮은 발아율 결과를 해석하기 위한 참고자료로 활용되었으며, 발아율과 높은 상관관계를 보이는 선행 연구 결과를 통해 종자 활력을 신속하게 평가할 수 있는 유효한 지표임을 확인하였다(
Sukkaew et al. 2023).
노화 촉진 처리된 종자의 취반 후 밥 물성 검정을 위하여 텐시프레서(Tensipresser)로 부착성(adhesiveness), 탄력성(toughness), 찰기(stickiness), 경도(hardness)의 네 가지 항목을 측정하였다(
Table 2,
Fig. 2). 노화 촉진 처리에 따른 발아율과 활력 감소 정도를 고려하여 8일 처리 간격의 종자를 활용하였다. 12일 처리 종자는 8일 처리 종자의 발아율, 종자 활력 대비 큰 변화가 작아 제외하였다(
Fig. 1).
밥이 입안에 달라붙는 정도를 나타내는 부착성은 무처리(0일)에서 51.1, 노화촉진 8일 처리 후 47.7, 16일 처리 후 42.9로 감소하였다(
Fig. 2A). 밥을 씹은 후 원래 형태로 돌아가는 복원력을 나타내는 탄력성은 무처리에서 39.3, 노화촉진 8일 처리 후 41.0, 처리 16일 후 44.5로 증가하였다(
Fig. 2B). 밥알끼리 서로 달라붙는 정도를 나타내는 찰기는 무처리에서 65.9, 노화촉진 8일 처리 후 62.7, 16일 처리 후 53.9로 감소하였다(
Fig. 2C). 밥을 씹으면서 압착하는데 드는 힘을 나타내는 경도는 무처리에서 55.3, 노화촉진 8일 처리 후 61.8, 16일 처리 후 67.8로 증가하였다(
Fig. 2D). 노화촉진 처리 기간이 길어질수록 탄력성과 경도는 증가하고, 부착성과 찰기는 감소하였다. 이러한 결과는 고온 장기 저장시 취반 후 밥의 경도가 증가하고 부착성이 감소한다는 선행 연구 결과와 일치하였다(
Park et al. 2012,
Zhou et al. 2007). 일반적으로 종자의 노화에 따라 전분의 구조가 변화하고, 수분 보유력이 저하되면서 밥의 물성이 달라지는 경향이 알려져 있으며(
Zhou et al. 2007), 본 실험 결과에서도 노화 처리에 따라 밥의 경도가 증가하고 찰기가 감소하는 등 밥의 물성 변화를 확인하였다. 일본과 한국 등 동아시아 국가에서는 찰지고 부드러운 식감을 선호하는 경향이 있으며(
Chen et al. 2012), 본 실험에서 관찰된 물성 변화는 이러한 선호 경향과는 반대 방향으로 변화하였다. 이에 따라 본 연구에서는 53개의 품종을 사용하여 종자 노화 단계에 따른 밥의 물성 변화를 분석함으로써 종자 노화와 식미 저하의 연관성을 시사하였다.
호화점도 특성은 신속점도측정기(RVA 4500)를 이용하여 조사하였다(
Table 2,
Fig. 3). RVA 곡선은 전분의 호화를 나타내는 곡선으로, 쌀의 취반 및 식미 특성을 평가에 유용한 것으로 알려져있다(
Cho et al. 2013). 전분을 호화온도 이상으로 가열할 경우, 전분 입자가 팽윤하고, 내부의 아밀로스와 아밀로펙틴이 용해되며 점도가 증가하게 된다. 전분의 결정성 구조가 열에 의해 붕괴되고, 아밀로스와 아밀로펙틴 분자간의 수소결합이 끊어지면서, 점도에 영향을 미치게 되는 과정을 전분의 호화(gelatinization)이라고 하며, 이 시점에서 점도는 최고에 도달한다. 전분 입자의 팽윤이 최대에 도달한 뒤에는 입자의 구조가 파괴되기 시작하고, 이로 인해 점도가 다시 감소하는 현상이 나타난다. 이후 냉각 단계에서 가열 중 용출된 아밀로스 분자들이 서로 얽혀 망상 구조를 형성하게 되는 과정에서 수소결합을 통한 분자 간 상호작용으로 전분 입자들이 재결합하면서 점성이 다시 증가하게 된다. 이때 RVA 곡선에서 최종적으로 나타나는 점도를 최종점도(final viscosity)라고 한다(
Lee et al. 2004,
Tako et al. 2014).
본 실험에서 노화촉진 처리에 따라 최고점도(peak viscosity)는 무처리(0일)에서 245.7 RVU, 8일 처리 후 297.6 RVU, 16일 처리 후 293.6 RVU로 증가하였다(
Fig. 3A). 최종점도는 무처리에서 129.2 RVU, 노화촉진 8일 처리 후 151.1 RVU, 16일 처리 후 147.2 RVU로 증가하였다(
Fig. 3B). 이에 따라 최종점도와 최고점도의 차이를 나타내는 치반점도(setback)는 무처리에서 -38.6 RVU, 노화촉진 8일 처리 후 -62.4 RVU, 16일 처리 후 -58.7 RVU로 감소하였다(
Fig. 3C). 최고점도와 최저점도의 차이를 나타내는 강하점도(breakdown)는 호화중의 열, 전단(shear)에 대한 저항 정도를 의미하며(
Sim et al. 2015), 무처리에서 114.8 RVU, 노화촉진 8일 처리 후 146.5 RVU, 16일 처리 후 146.3 RVU로 증가하는 양상을 보였다(
Fig. 3D). 본 실험에서의 호화점도 특성은 종자활력, 물성과 달리 무처리(0일)에서 노화촉진 8일 처리 사이에 급격하게 변화하였으나, 이후 기간에는 크게 변화하지 않았다. 이는 호화점도 특성이 노화 진행에 따라 가장 빠르게 변화하는 형질일 가능성을 시사한다. 노화처리에 따라 최고점도, 최종점도, 강하점도는 증가, 치반점도는 감소하였으며, 모든 항목에서 통계적으로 유의한 차이가 확인되었다. 이러한 결과는
Shi et al. (2022)의 7년간 장기 저장된 쌀에서 높은 최고점도와 강하점도, 낮은 치반점도를 보였다는 결과와 유사하다. 또한 자연조건에서 노화된 쌀에서 최고점도가 증가한다는 결과와도 유사하다(
Pearce et al. 2001,
Soponronnarit et al. 2008,
Wu et al. 2016). 이러한 변화는 노화 과정에서 전분의 구조 변화, 특히 팽윤력의 변화와 관련이 있다.
Park et al. (2012)와
Zhou et al. (2015)는 호화점도 특성이 노화 상태를 민감하게 반영하는 지표가 될 수 있음을 제시하였고,
Jacobs (1995) 또한 전분의 팽윤력(swelling)과 전단 저항성(anti-shearing ability)의 변화가 호화점도 특성과 밀접한 관련이 있다고 보고하였다.
Shu et al. (2021)은 저장 중 쌀의 효소 활성이 감소하고 전분과 지질 복합체 형성이 증가함에 따라 최고점도 및 최종점도가 상승하는 경향이 나타난다고 보고하였다. 이러한 선행 연구들은 본 연구 결과와 함께 종자 노화가 전분 호화특성 변화와 연관되어 있음을 시사한다.
본 연구에 사용된 자포니카 벼 53개 품종은 발아율 변화 패턴에 따라 UMAP 차원 축소 후 Fuzzy C-Means (FCM) 알고리즘을 적용한 결과, 총 세 개의 군집으로 분류되었다(
Fig. 4). 모든 품종의 군집 소속 확률 값이 0.8 이상으로 나타나 군집간 경계가 비교적 명확하게 구분되었음을 확인하였다. 각 군집의 발아율 특성은
Table 3에, 해당 군집에 속한 품종은
Figs. 5D,
5E,
5F에 제시하였다. 군집 1은 남평벼, 온누리 등 17개 품종으로 구성되었으며, 무처리(0일) 평균 발아율이 가장 낮고, 노화촉진 8일 처리 후 일시적으로 증가하여 휴면성이 있는 군집으로 해석되었다. 군집 2는 고시히카리, 히토메보레, 일품벼 등 18개 품종이 포함되었으며, 무처리 평균 발아율은 73.3%로 중간 수준이었고, 노화촉진 처리 전체기간 동안 군집 1과 3의 중간 평균값을 보였다. 군집 3은 삼광, 신동진, 참동진 등 18개 품종으로, 무처리 평균 발아율이 86.4%로 가장 높았으며, 노화촉진 12일 처리 후 평균 발아율이 70.6%로 세 개 군집 중 가장 높아, 종자 활력이 높게 유지되는 군집으로 해석되었다. 이러한 군집 분석 결과는 처리 기간에 따른 발아율 변화 양상을 고려하여, 자포니카 품종 내에서 세 개의 군집을 구분했다는 점에서 의미가 있다. 본 연구 결과에서 선발된 종자 활력 유지 품종들은 추후 육종 소재로 활용될 가능성이 있다.
발아율과 미질 관련 형질의 관계성을 조사하기 위하여 PCA 분석을 수행하였다. 분석 결과 전체 형질 분석에서 발아율 벡터의 기여도가 낮아 발아율 수준에 따른 형질별 구조 파악을 위하여 세 군집별(
Fig. 4,
Table 3) PCA 분석을 실시하였다(
Fig. 5). 그 결과 군집 1에서는 주성분 1과 2를 통해 전체 변이의 51.4%, 군집 2는 46.4%, 군집 3은 34.6%를 설명할 수 있었다. 군집 1에서는 발아율(GR8, GR12)과 탄력성(TH), 경도(HD)가 주성분 2를 기준으로 서로 반대 방향성을 보였고(
Fig. 5A), 군집 2에서는 GR8과 GR12가 경도(HD), 치반점도(SB), 최종점도(FV)와 반대 방향을 보였다(
Fig. 5B). 군집 3에서는 발아율과 탄력성(TH), 경도(HD), 치반점도(SB), 최종점도(FV)가 반대 방향을 보였다(
Fig. 5D).
군집 1에서의 품종 분포는 전체적으로 산포되어 있지만, 진광이 높은 최고점도(PV), 강하점도(BD)와 낮은 발아율을 보여 다른 품종들과 분리되어 위치하였다(
Fig. 5D). 군집 2는 일본 품종인 고시히카리와 히토메보레가 다른 품종들과 구분되며 높은 최고점도(PV)와 낮은 치반점도(SB)를 가지는 것으로 확인되었다(
Fig. 5E). 히토메보레는 고시히카리와 하츠보시가 교배된 품종으로 유전적 유사성이 매우 높으며, 두 품종 모두 높은 최고점도를 보인다는 선행 연구 결과가 있었다(
Lestari et al. 2009). 군집 3에서는 노화처리 후에 발아율이 높게 유지되는 참동진, 평안, 신동진, 신동진1 등이 가까이 분포하고 있으며 강하점도(BD)와 최고점도(PV)가 높고, 경도가 낮은 것을 확인하였다. 최고점도와 강하점도는 식미치와 유의한 양의 상관관계를 보인다는 보고가 있으며(
Hwang et al. 2007,
Kwon et al. 1991,
Matsue & Ogata 2000), 국내에서는 부드러운 식감을 선호하기 때문에 이들 품종은 종자 활력과 미질이 유지되는 품종일 것으로 기대된다.
본 결과를 통하여 종자 활력 유지 정도와 일부 미질 관련 특성의 관계성을 확인하였고, 이는 활력과 미질이 장기간 유지되는 품종 선발 시 중요한 지표로 활용될 수 있다. 또한 그룹 3에 포함된 종자 활력이 높게 유지되는 품종들은 추후 육종 소재로 활용할 수 있다.
적요
본 연구는 자포니카 벼 품종의 노화촉진 처리에 따라 종자 활력 및 미질 관련 형질이 변화하는 양상을 평가하고, 노화촉진 처리 후 종자활력이 유지되는 품종을 선발하여 이를 육종 소재로 활용할 수 있는 가능성을 확인하고자 하였다. 자포니카 벼 53개 품종을 대상으로 42℃, 상대습도 95%의 조건에서 0, 8, 12, 16일간 종자를 노화촉진 처리한 후, 발아율 및 테트라졸리움 활력 검정, 밥의 물성(부착성, 탄력성, 찰기, 경도), 호화점도 특성(최고점도, 최종점도, 치반점도, 강하점도)을 조사하였다. 그 결과, 종자 발아율와 활력은 노화촉진 처리 12일 후 유의하게 감소하였으며, 16일 처리 후에는 발아율 평균이 5.6%로 급격히 감소하였다. 노화촉진 12일 처리 후 결과를 기준으로 발아율과 종자 활력 검정 결과를 종합적으로 고려한 결과, 참동진, 신동진1, 미소진품 등은 노화에 대한 내성이 높은 품종으로 판단된다. 밥의 물성은 노화촉진 처리 기간의 증가에 따라 완만하게 변화하였으며, 탄력성과 경도는 증가하고, 부착성과 찰기는 감소하는 경향을 보였다. 호화점도 특성은 노화촉진 처리 8일 후 급격히 변화하였고, 이후에는 변화가 크지 않았으며, 노화촉진 처리 기간이 길어질수록 최고점도, 최종점도, 강하점도는 증가하였고, 치반점도는 감소하는 경향을 보였다. 노화촉진 처리 기간에 따른 종자 발아율 변화 양상을 기반으로 한 군집 분석 결과, 자포니카 벼 53개 품종은 총 세 개의 군집으로 나뉘어졌다. 노화촉진 처리에 따른 발아율과 미질 관련 형질의 주성분 분석 결과, 세 개의 군집에서 동일하게 발아율과 밥의 물성 중 경도가 높은 관계성을 보였다. 특히, 군집 3에 속한 품종들 중 발아율이 높게 유지되면서 국내에서 선호하는 낮은 경도와, 높은 강하점도의 특성을 가진 참동진, 평안, 신동진, 신동진1 등은 향후 장기 저장 조건에서 종자 활력과 미질 특성이 우수한 벼 품종을 개발하기 위한 육종 소재로 활용가능할 것으로 기대된다.
사사
본 연구는 농촌진흥청 국립식량과학원의 시험연구사업(벼 저장성 및 도열병 저항성 향상 육종소재 개발, 과제번호: PJ01726902)의 지원으로 수행되었습니다. 농촌진흥청 국립식량과학원과 전북대학교의 많은 도움에 감사드립니다.
Fig. 1Seed vigor assessment after accelerated aging treatment. (A) Germination percentage and (B) Viability of 53 rice cultivars after 0, 8, 12, and 16 days of accelerated aging. Error bars represent standard error (SE).
Fig. 2Changes in texture properties of cooked rice after accelerated aging treatment. (A) Adhesiveness, (B) Toughness, (C) Stickiness, and (D) Hardness of cooked rice from 53 rice cultivars after 0, 8 and 16 days of accelerated aging. Error bars represent standard error (SE).
Fig. 3Changes in pasting properties of rice flour after accelerated aging treatment. (A) Peak viscosity, (B) Final viscosity, (C) Setback viscosity, and (D) Breakdown viscosity of rice flour from 53 rice cultivars after 0, 8 and 16 days of accelerated aging. Error bars represent standard error (SE).
Fig. 4Clustering analysis of germination percentage patterns in 53 rice cultivars under accelerated aging treatment. (A) Projection of high-dimensional germination rate data using UMAP (Uniform Manifold Approximation and Projection) followed by clustering using the Fuzzy C-Means (FCM) algorithm. (B) Germination rate change patterns of each cluster classified by FCM. Thin lines represent individual cultivars, and bold lines indicate the cluster mean.
Fig. 5Principal component analysis (PCA) of germination and grain quality traits for three rice clusters.(A-C) Score plots of rice cultivars in Cluster 1 (A), Cluster 2 (B), and Cluster 3 (C). (D-F) Corresponding PCA biplots for Cluster 1 (D), Cluster 2 (E), and Cluster 3 (F), showing both sample distributions and trait vectors. The PCA includes germination rate traits: GR0, GR8, GR12, and GR16; pasting properties: PV (peak viscosity), TV (trough viscosity), FV (final viscosity), BD (breakdown viscosity), and SB (setback viscosity); and texture properties: AD (adhesiveness), ST (stickiness), TH (toughness), and HD (hardness). Arrows are color-coded by trait group for clarity: black for germination rate, blue for pasting properties, and red for texture properties. The direction and length of each arrow indicate the magnitude and contribution of the variable to principal components.
Table 1List of the 53 rice cultivars used in this study, categorized by maturity group.
Table 1
Maturity Group
(Heading date range) |
Cultivars |
Early
(7/19-7/31) |
Boreumi, Dapyeong, Haedamssal, Haedeul, Hitomebore*, Jinkwang, Jinmibyeo, Saeodae1ho, Unkwang |
Midium
(8/1-8/10) |
Alchanmi, Chamjinmi, Chamnuri, Cheongpum, Daebo, Hangadeuk, Koshihikari*, Samkwang |
Mid-Late
(8/10-8/19) |
Amissal, Anpyeong, Boramchan, Chamdongjin, Chilbo, Chuchung*, Dangchanjinmi, Deuraehyang, Donganbyeo, Haepum, Haiami, Honong, Hopum, Hopyeong, Hwangkeumnuri, Hwasinbyeo, Hyeonpum, Ilmibyeo, Ilpumbyeo, Jinbaek, Jinsumi, K-Long, Mangeumbyeo, Mipum, Misojinpum, Namchan, Nampyeongbyeo, Onnuri, Pyeongan, Saebonghwang, Saenuri, Sindongjin, Sindongjin1, Sukwang, Yechan, Younghojinmi |
Table 2Changes in texture properties and pasting properties after accelerated aging treatment.
Table 2
|
Trait |
Treatment duration (days) |
|
|
0 |
8 |
16 |
Texture
properties
|
Adhesiveness |
51.1±0.6 |
az
|
47.7±0.8 |
b |
42.9±0.8 |
c |
|
Toughness |
39.3±0.4 |
c |
41.0±0.5 |
b |
44.5±0.5 |
a |
|
Stickiness |
65.9±1.4 |
a |
62.7±1.2 |
a |
53.9±0.7 |
b |
|
Hardness |
55.3±0.9 |
c |
61.8±1.3 |
b |
67.8±0.9 |
a |
Pasting
properties
(RVU) |
Peak viscosity |
245.7±3.3 |
b |
297.6±3.3 |
a |
293.6±2.5 |
a |
|
Final viscosity |
207.1±2.9 |
b |
235.2±2.8 |
a |
234.9±2.2 |
a |
|
Setback |
-38.6±3.3 |
a |
-62.4±3.5 |
b |
-58.7±2.7 |
b |
|
Breakdown |
114.8±2.7 |
b |
146.5±3.0 |
a |
146.3±2.1 |
a |
Table 3Mean germination percentages of three clusters during accelerated aging treatment.
Table 3
|
Cluster |
Treatment duration (days) |
|
|
0 |
8 |
12 |
16 |
|
Cluster 1 |
58.1±2.8 cz
|
65.8±2.7 a |
44.3±2.4 c |
4.8±0.8 a |
|
Cluster 2 |
73.3±2.2 b |
71.1±2.3 a |
61.2±1.8 b |
7.8±1.2 a |
|
Cluster 3 |
86.4±1.1 a |
77.9±1.4 a |
70.6±1.9 a |
4.0±1.5 a |
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