Metabolite Farming for Enhanced Production of Dietary Isoflavone: High-Level Induction of Isoflavone Production in Soybean Leaves by Ethylene Application원문보기
전 세계적으로 삶의 질이 향상됨에 따라 건강의 관심 또한 높아지고 있다. 식물의 대사체는 의약품과 건강기능식품 등의 원료로써 중요한 역할을 한다. 보통 식물대사체 중 활성을 가지는 성분들은 작물보다는 한약재나 식용을 못하는 식물에서 주로 분포한다. 이들은 낮은 수율과 특수환경, 낮은 재배량에 의해 활성대사체를 대량으로 확보하기 어렵다. 작물들은 대량생산이 가능한 이점이 있지만 영양원으로서 역할을 수행 할 뿐 존재하는 활성대사체는 미비하다. 이러한 한계점을 극복하기 위한 방안으로 대사체 농업을 적용시킬 수가 있다. 대사체 농업은 식물체의 주요 ...
전 세계적으로 삶의 질이 향상됨에 따라 건강의 관심 또한 높아지고 있다. 식물의 대사체는 의약품과 건강기능식품 등의 원료로써 중요한 역할을 한다. 보통 식물대사체 중 활성을 가지는 성분들은 작물보다는 한약재나 식용을 못하는 식물에서 주로 분포한다. 이들은 낮은 수율과 특수환경, 낮은 재배량에 의해 활성대사체를 대량으로 확보하기 어렵다. 작물들은 대량생산이 가능한 이점이 있지만 영양원으로서 역할을 수행 할 뿐 존재하는 활성대사체는 미비하다. 이러한 한계점을 극복하기 위한 방안으로 대사체 농업을 적용시킬 수가 있다. 대사체 농업은 식물체의 주요 활성 물질의 함량을 증가시켜 작물의 가치를 높이는 농법이다. 본 연구의 목표는 대표적인 작물인 콩, 즉 재배 중에 있는 일반콩잎에 대사체 농법을 적용하여 갱년기용 식의약소재인 이소플라본(식물성에스트로겐)의 함량도 많고 가공적성도 좋으며 효능이 우수한 기능성 콩잎 개발에 있다. 구체적으로는 콩잎의 식이이소플라본 함량 증진 최적재배조건 정립, 이차대사체 분리 및 구조연구, 다변량통계분석을 통한 주요 영향 인자 확인, 식이이소플라본 고함량 생성 메커니즘 구명 연구 등을 수행하였다. 1. 콩잎에서 식이이소플라본 함량 증진 방법 구축 파종 후 60일(R3 생육단계)된 콩잎에 에틸렌 및 에테폰을 처리하여 최적의 식이이소플라본 생산 조건을 확립하였다. 에틸렌 250 μg/g, 에테폰 200 μg/g 농도에서 처리 후 96시간 때 총 식이이소플라본 함량은 15 mg/g 수준까지 축적되었다. 일반 콩에 비해 5배 이상을 함유하고 있으며 이는 지구상에 존재하는 식물체 중 최고 수준의 식물성 에스트로겐을 함유하고 있었다(식약처에서 허가된 식이이소플라본 기준). 항산화능 연구를 통해 간접적으로 콩잎의 이소플라본 축적 결과를 증명을 할 수 있었다. 최적의 생산 조건으로 콩의 종자별 식이이소플라본 함량을 확인해 본 결과 대부분의 종자에서 큰 유의 없이 높은 축적을 확인하였다. 2. 콩잎 대사체 변화의 다변량통계분석 UPLC-qTOF/MS를 이용하여 일반콩잎 및 에틸렌/에테폰 처리된 콩잎의 대사체 프로파일링 및 다변량 통계분석을 실시하여 주요 변수들을 확인하였다. 질량분석데이터 기반 대사체 구조분석 결과 5종의 Isoflavone배당체, 6종의 kaempferol 배당체, 2종의 soyasaponin 으로 확인되었다. 구조 동정한 대사체는 아래와 같이 요약된다. i) Isoflavone계열: daidzin (1), genstin (2), malonyldaidzin (3), malonylgenistin (4), Formononetin 7-(6''-malonylglucoside) (11) ii) kaempferol 계열: kaempferol-3-O-β-D-glucopyranosyl (1→2)-α-L-rhamnopyranosyl (1→6)-β-D-galactopyranoside (5), kaempferol-3-O-β-D-galactopyranosyl (1→2)-α-L-rhamnopyranosyl (1→6)-β-D-glucopyranoside (6), kaempferol-3-O-β-digalacto-pyranoside (7), kaempferol-3-O-(2,6-di-O-α-L-rhamnopyranosyl)-β-D-galacto-pyranoside (8), kaempferol-3-O-β-diglucopyranoside (9), kaempferol-3-O-α-L-rhamno-pyranosyl (1→6)-β-D-galactopyranoside (10) iii) soyasaponin 계열: soyasaponin I (12), soyasaponin VI (13). 부분최소제곱판별분석(PLS-DA)에서 처리구별 상이한 그룹으로 명확하게 구분되었다. 무처리구와 처리구간의 대사체 프로파일링의 직각부분최소제곱판별분석 (OPLS-DA)을 실시하여 각 그룹을 결정짓는 주요 변수들이 Isoflavone 배당체 화합물과 그 함량으로 확인 되었다. 다변량통계분석에서 콩잎에서 에틸렌/에테폰에 의해 축적된 화합물은 식이이소플라본 계열임을 확인 할 수 있었고, 에틸렌/에테폰은 이소플라본 계열의 화합물을 선택적으로 유도하며 고함량으로 축적시킨다는 것을 확인할 수 있었다. 3. 식이이소플라본 고함량 생성 메커니즘 구명 식이이소플라본 고함량 생성 메커니즘 구명하기 위해 에틸렌/에테폰 처리한 콩잎에서 이소플라본 생합성 유전자들의 전사발현 변화를 qRT-PCR 방법으로 분석하였다. 이소플라본 생합성 경로에 관여하는 생합성 유전자들을 확인하였고 이들 유전자들이 급속히 발현되어 식이이소플라본이 고함량으로 축적된다는 점을 확인 할 수 있었다. 이와 같은 결과는 에틸렌(에테폰)이 콩잎에서 이소플라본 생합성 경로에 영향을 미치는 유도제(elicitor)이며 선택적으로 식이이소플라본 계열만 축적이 된다는 것을 구명할 수 있었다. 본 연구를 통하여 가식성 소재이지만 주로 버려지는 콩잎을 이용하여 쉬운 처리방법을 통해 파종 후 60일 이내의 짧은 기간으로 이모작이 가능하며 일반 콩보다 식이이소플라본 (식물성에스트로겐) 함량이 높고 가공적성이 좋아서 고부가 기능성 소재로 실용화 개발 시 농가소득증대에 크게 기여 할 수 있을 것이다.
전 세계적으로 삶의 질이 향상됨에 따라 건강의 관심 또한 높아지고 있다. 식물의 대사체는 의약품과 건강기능식품 등의 원료로써 중요한 역할을 한다. 보통 식물대사체 중 활성을 가지는 성분들은 작물보다는 한약재나 식용을 못하는 식물에서 주로 분포한다. 이들은 낮은 수율과 특수환경, 낮은 재배량에 의해 활성대사체를 대량으로 확보하기 어렵다. 작물들은 대량생산이 가능한 이점이 있지만 영양원으로서 역할을 수행 할 뿐 존재하는 활성대사체는 미비하다. 이러한 한계점을 극복하기 위한 방안으로 대사체 농업을 적용시킬 수가 있다. 대사체 농업은 식물체의 주요 활성 물질의 함량을 증가시켜 작물의 가치를 높이는 농법이다. 본 연구의 목표는 대표적인 작물인 콩, 즉 재배 중에 있는 일반콩잎에 대사체 농법을 적용하여 갱년기용 식의약소재인 이소플라본(식물성에스트로겐)의 함량도 많고 가공적성도 좋으며 효능이 우수한 기능성 콩잎 개발에 있다. 구체적으로는 콩잎의 식이이소플라본 함량 증진 최적재배조건 정립, 이차대사체 분리 및 구조연구, 다변량통계분석을 통한 주요 영향 인자 확인, 식이이소플라본 고함량 생성 메커니즘 구명 연구 등을 수행하였다. 1. 콩잎에서 식이이소플라본 함량 증진 방법 구축 파종 후 60일(R3 생육단계)된 콩잎에 에틸렌 및 에테폰을 처리하여 최적의 식이이소플라본 생산 조건을 확립하였다. 에틸렌 250 μg/g, 에테폰 200 μg/g 농도에서 처리 후 96시간 때 총 식이이소플라본 함량은 15 mg/g 수준까지 축적되었다. 일반 콩에 비해 5배 이상을 함유하고 있으며 이는 지구상에 존재하는 식물체 중 최고 수준의 식물성 에스트로겐을 함유하고 있었다(식약처에서 허가된 식이이소플라본 기준). 항산화능 연구를 통해 간접적으로 콩잎의 이소플라본 축적 결과를 증명을 할 수 있었다. 최적의 생산 조건으로 콩의 종자별 식이이소플라본 함량을 확인해 본 결과 대부분의 종자에서 큰 유의 없이 높은 축적을 확인하였다. 2. 콩잎 대사체 변화의 다변량통계분석 UPLC-qTOF/MS를 이용하여 일반콩잎 및 에틸렌/에테폰 처리된 콩잎의 대사체 프로파일링 및 다변량 통계분석을 실시하여 주요 변수들을 확인하였다. 질량분석데이터 기반 대사체 구조분석 결과 5종의 Isoflavone 배당체, 6종의 kaempferol 배당체, 2종의 soyasaponin 으로 확인되었다. 구조 동정한 대사체는 아래와 같이 요약된다. i) Isoflavone계열: daidzin (1), genstin (2), malonyldaidzin (3), malonylgenistin (4), Formononetin 7-(6''-malonylglucoside) (11) ii) kaempferol 계열: kaempferol-3-O-β-D-glucopyranosyl (1→2)-α-L-rhamnopyranosyl (1→6)-β-D-galactopyranoside (5), kaempferol-3-O-β-D-galactopyranosyl (1→2)-α-L-rhamnopyranosyl (1→6)-β-D-glucopyranoside (6), kaempferol-3-O-β-digalacto-pyranoside (7), kaempferol-3-O-(2,6-di-O-α-L-rhamnopyranosyl)-β-D-galacto-pyranoside (8), kaempferol-3-O-β-diglucopyranoside (9), kaempferol-3-O-α-L-rhamno-pyranosyl (1→6)-β-D-galactopyranoside (10) iii) soyasaponin 계열: soyasaponin I (12), soyasaponin VI (13). 부분최소제곱판별분석(PLS-DA)에서 처리구별 상이한 그룹으로 명확하게 구분되었다. 무처리구와 처리구간의 대사체 프로파일링의 직각부분최소제곱판별분석 (OPLS-DA)을 실시하여 각 그룹을 결정짓는 주요 변수들이 Isoflavone 배당체 화합물과 그 함량으로 확인 되었다. 다변량통계분석에서 콩잎에서 에틸렌/에테폰에 의해 축적된 화합물은 식이이소플라본 계열임을 확인 할 수 있었고, 에틸렌/에테폰은 이소플라본 계열의 화합물을 선택적으로 유도하며 고함량으로 축적시킨다는 것을 확인할 수 있었다. 3. 식이이소플라본 고함량 생성 메커니즘 구명 식이이소플라본 고함량 생성 메커니즘 구명하기 위해 에틸렌/에테폰 처리한 콩잎에서 이소플라본 생합성 유전자들의 전사발현 변화를 qRT-PCR 방법으로 분석하였다. 이소플라본 생합성 경로에 관여하는 생합성 유전자들을 확인하였고 이들 유전자들이 급속히 발현되어 식이이소플라본이 고함량으로 축적된다는 점을 확인 할 수 있었다. 이와 같은 결과는 에틸렌(에테폰)이 콩잎에서 이소플라본 생합성 경로에 영향을 미치는 유도제(elicitor)이며 선택적으로 식이이소플라본 계열만 축적이 된다는 것을 구명할 수 있었다. 본 연구를 통하여 가식성 소재이지만 주로 버려지는 콩잎을 이용하여 쉬운 처리방법을 통해 파종 후 60일 이내의 짧은 기간으로 이모작이 가능하며 일반 콩보다 식이이소플라본 (식물성에스트로겐) 함량이 높고 가공적성이 좋아서 고부가 기능성 소재로 실용화 개발 시 농가소득증대에 크게 기여 할 수 있을 것이다.
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