배추 대사체 추출물의 FT-IR 스펙트럼 및 다변량 통계분석을 통한 계통 신속 식별 체계 Rapid discrimination system of Chinese cabbage (Brassica rapa) at metabolic level using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) based on multivariate analysis원문보기
본 연구에서는 국내에서 재배중인 배추 전세포 추출물의 FT-IR 스펙트럼 데이터로부터 다변량 통계분석(PCA, PLS-DA, HCA)을 이용하여 신속하고 간편한 계통 구분체계를 확립하였다. 다변량 통계분석 결과 대사체 수준에서 배추의 부계, 모계, $F_1$ 계통들이 계통에 따라 유연관계가 높음을 알 수 있었다. 아울러 본 연구에서 얻어진 대사체 정보의 유연관계분석은 $F_1$ 계통의 부계와 모계에 대한 유연관계가 교배에 따라 달라질 수 있음을 보여주었다. 따라서 FT-IR 스펙트럼 데이터의 다변량 통계분석 기술은 대사체 정보를 기반으로 한 신품종 선발방법의 간편성과 신속성을 고려할 때 배추의 계통이나 품종의 신속한 식별 수단으로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 국내에서 재배중인 배추 전세포 추출물의 FT-IR 스펙트럼 데이터로부터 다변량 통계분석(PCA, PLS-DA, HCA)을 이용하여 신속하고 간편한 계통 구분체계를 확립하였다. 다변량 통계분석 결과 대사체 수준에서 배추의 부계, 모계, $F_1$ 계통들이 계통에 따라 유연관계가 높음을 알 수 있었다. 아울러 본 연구에서 얻어진 대사체 정보의 유연관계분석은 $F_1$ 계통의 부계와 모계에 대한 유연관계가 교배에 따라 달라질 수 있음을 보여주었다. 따라서 FT-IR 스펙트럼 데이터의 다변량 통계분석 기술은 대사체 정보를 기반으로 한 신품종 선발방법의 간편성과 신속성을 고려할 때 배추의 계통이나 품종의 신속한 식별 수단으로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
To determine whether FT-IR spectral analysis based on multivariate analysis could be used to discriminate Chinese cabbage breeding line at metabolic level, whole cell extracts of nine different breeding lines (three paternal, three maternal and three $F_1$ lines) were subjected to Fourier...
To determine whether FT-IR spectral analysis based on multivariate analysis could be used to discriminate Chinese cabbage breeding line at metabolic level, whole cell extracts of nine different breeding lines (three paternal, three maternal and three $F_1$ lines) were subjected to Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). FT-IR spectral data of Chinese cabbage plants were analyzed by principal component analysis (PCA), partial least square discriminant analysis (PLS-DA), and hierarchical clustering analysis (HCA). The hierarchical dendrograms based on PLS-DA from two of three cross combinations showed that paternal, maternal, and their progeny $F_1$ lines samples were perfectly separated into three branches in breeding line dependent manner. However, a cross combination failed to fully discriminate them into three branches. Thus, hierarchical dendrograms based on PLS-DA of FT-IR spectral data of Chinese cabbage breeding lines could be used to represent the most probable chemotaxonomical relationship among maternal, paternal, and $F_1$ plants. Furthermore, these metabolic discrimination systems could be applied for rapid selection and classification of useful Chinese cabbage cultivars.
To determine whether FT-IR spectral analysis based on multivariate analysis could be used to discriminate Chinese cabbage breeding line at metabolic level, whole cell extracts of nine different breeding lines (three paternal, three maternal and three $F_1$ lines) were subjected to Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). FT-IR spectral data of Chinese cabbage plants were analyzed by principal component analysis (PCA), partial least square discriminant analysis (PLS-DA), and hierarchical clustering analysis (HCA). The hierarchical dendrograms based on PLS-DA from two of three cross combinations showed that paternal, maternal, and their progeny $F_1$ lines samples were perfectly separated into three branches in breeding line dependent manner. However, a cross combination failed to fully discriminate them into three branches. Thus, hierarchical dendrograms based on PLS-DA of FT-IR spectral data of Chinese cabbage breeding lines could be used to represent the most probable chemotaxonomical relationship among maternal, paternal, and $F_1$ plants. Furthermore, these metabolic discrimination systems could be applied for rapid selection and classification of useful Chinese cabbage cultivars.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 FT-IR 스펙트럼의 다변량 통계분석 기법을 이용하여 현재 신품종 육성을 위하여 선발된 배추의 계통별 시료를 대상으로 대사체 수준에서 부계, 모계, 자손으로 신속하게 구분할 수 있는 식별체계를 확립하고자 하였다. 더 나아가 본 기술을 활용하여 안토시아닌 계열 기능성 성분이 우수한 계통 선발을 가속화하여 신품종 개발은 물론 신속 품종식별 기술의 발판을 구축하고자 한다.
제안 방법
2)을 이용하여 수행하였다. Baseline 교정을 위해 FT-IR 스펙트럼 분석 영역의 양 끝점(800-1,800 cm-1)의 흡광도를 0으로 조정하였으며 실험상의 오차를 최소화하기 위하여 각 스펙트럼을 동일 면적으로 normalization 하였다. 이후 데이터의 mean centering 과정을 거쳐 2차 미분한 다음 다변량 통계분석 분석을 위한 표준화된 데이터로 사용하였다.
FT-IR 스펙트럼 조사는 Tensor 27 (Bruker Optics GmbH, Ettlingen, Germany)을 사용하였고, DTGS (deuterated triglycine sulfate) 검출기로 분석하였다. 추출된 각각의 시료를 5 μL씩 384-well silicon plate에 분주하여, 37°C hot plate에서 약 20분간 건조하였다.
배추 시료로부터 얻어진 전세포 추출물의 FT-IR 스펙트럼 데이터를 이용한 다변량 통계분석을 통해 배추의 대사체 수준 유연관계 규명 및 식별체계를 확립하였다. 각 그룹의 부계, 모계 그리고 F1은 FT-IR 스펙트럼상의 1,500 ~ 1,700, 1,300 ~ 1,500, 950 ~ 1,100 cm-1 부위에서 대사체의 양적, 질적 패턴 변화가 크게 이루어짐을 알 수 있었다(Fig.
대상 데이터
본 연구에 사용된 배추(Brassica rapa)는 아시아 종묘(주)에서 적색결구배추 품종개발을 위해 육성중인 9계통(부계 3계통, 모계 3계통 및 F1 3조합) 총 45점(각 계통별로 5개의 식물체)의 시료를 분양 받아서 사용하였다. 각 계통들은 8월 중순에 파종하고 8월말 정식하여 10월말(결구기)에 시료를 채취하였다.
데이터처리
)를 사용하였다. FT-IR 스펙트럼 데이터의 다변량 통계분석을 위해 먼저 FT-IR 스펙트럼 데이터의 baseline 교정, normalization 및 mean centering 등 스펙트럼의 전처리 과정을 R 프로그램(version 2.15.2)을 이용하여 수행하였다. Baseline 교정을 위해 FT-IR 스펙트럼 분석 영역의 양 끝점(800-1,800 cm-1)의 흡광도를 0으로 조정하였으며 실험상의 오차를 최소화하기 위하여 각 스펙트럼을 동일 면적으로 normalization 하였다.
성능/효과
HCA 덴드로그램 분석 결과를 보면 그룹 A에서 부계, 모계, F1이 대체로 각각의 그룹으로 구분되는 것을 볼 수 있었다(Fig. 3).
또한, 그룹 B에서는 부계(P)는 좌측 하단에 위치 하였고, 모계(M)는 우측 하단에 위치하였으며, F1(F)은 부계(P)와 모계(M) 사이의 상단에 위치하였다. PCA에서 부계, 모계 그리고 F1은 유연관계가 높았지만, PLS-DA에서는 각각 그룹을 형성하면서 계통 식별이 가능하였다(Fig. 4D).
각 그룹의 부계, 모계 그리고 F1 시료간에 FT-IR 스펙트럼 데이터의 PCA를 각각 분석 결과, 그룹 A의 PC 1과 2 score는 각각 8.8%, 8.4%의 설명력을 갖고 있으며 전체 변이량의 약 17.2%를 반영하고 있음을 알 수 있었다(Fig. 2B).
이 결과에서 F1이 부모세대의 대사산물의 특징들과는 다른 대사체 특성을 가짐을 예측 할 수 있다. 이상의 연구 결과로 볼 때 FT-IR 스펙트럼 데이터 분석은 부계, 모계, F1의 계통에 따라 대사 산물의 질적, 양적 패턴 차이를 밝혀냈으며, 이들 스펙트럼 데이터의 다변량 통계분석을 통해 계통식별 및 계통 간의 유연관계 분석을 가능하게 하였다.
6D). 이처럼, FT-IR 스펙트럼 데이터 이용한 PLS-DA 분석으로 부계, 모계, F1 간의 계통 구분이 가능함을 알 수 있었다.
2010). 즉 FT-IR 스펙트럼 상의 질적, 양적 차이는 각 계통간에 함유되어 있는 아미노산이나 단백질, 지방산, 그리고 탄수화물계통 화합물들의 질적, 양적 차이가 현저하게 나타남을 의미한다. 따라서 FT-IR 스펙트럼 분석은 각 그룹의 부계, 모계 그리고 F1에서 대사체의 질적, 양적 변화를 예측하고 계통의 신속한 선발 수단으로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
후속연구
따라서 본 연구에서는 FT-IR 스펙트럼의 다변량 통계분석 기법을 이용하여 현재 신품종 육성을 위하여 선발된 배추의 계통별 시료를 대상으로 대사체 수준에서 부계, 모계, 자손으로 신속하게 구분할 수 있는 식별체계를 확립하고자 하였다. 더 나아가 본 기술을 활용하여 안토시아닌 계열 기능성 성분이 우수한 계통 선발을 가속화하여 신품종 개발은 물론 신속 품종식별 기술의 발판을 구축하고자 한다.
즉 FT-IR 스펙트럼 상의 질적, 양적 차이는 각 계통간에 함유되어 있는 아미노산이나 단백질, 지방산, 그리고 탄수화물계통 화합물들의 질적, 양적 차이가 현저하게 나타남을 의미한다. 따라서 FT-IR 스펙트럼 분석은 각 그룹의 부계, 모계 그리고 F1에서 대사체의 질적, 양적 변화를 예측하고 계통의 신속한 선발 수단으로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
따라서 본 연구에서 확립된 대사체 수준에서의 배추 계통 식별 기술은 품종, 계통의 신속한 선발 수단으로 활용이 가능할 것으로 기대되며 교배 육종을 통한 품종개발 가속화에 기여 할 수 있을 것으로 예상된다. 아울러 본 기술은 다양한 작물의 교배 품종 육성에도 효과적인 수단으로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
따라서 본 연구에서 확립된 대사체 수준에서의 배추 계통 식별 기술은 품종, 계통의 신속한 선발 수단으로 활용이 가능할 것으로 기대되며 교배 육종을 통한 품종개발 가속화에 기여 할 수 있을 것으로 예상된다. 아울러 본 기술은 다양한 작물의 교배 품종 육성에도 효과적인 수단으로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
배추의 생물분류는?
배추는 십자화과 배추속 식물로써 아시아 지역에서 중요한 작물로 재배되고 있다(Mampholo et al. 2013).
배추의 기능성 성분의 효능은?
2007). 이러한 기능성 성분들은 항암, 항산화 효과 그리고 항염증 작용 등에 다양한 효과가 있다. 최근 고기능성 배추의 식별 및 품종 개발에 소비자들의 관심이 높아짐에 따라 교배 종에 대한 식별, 생산지에 대한 식별 등에 관한 정보 제공의 필요성이 높아지고 있다.
배추에 함유된 기능성 성분은?
2013). 또한, 배추에는 글루코시놀레이트, 카로티노이드 및 플라보노이드 등 페놀성 화합물을 포함한 다양한 기능성 성분들이 존재한다(Kim et al. 2004; Harbaum et al.
참고문헌 (26)
Ahmadzai AA, Trevisan J, Pang W, Patel II, Fullwood NJ, Bruce SW, Pant K, Carmichael PL, Scott AD, Martin FL (2012) Classification of test agent-specific effects in the Syrian hamster embryo assay (pH 6.7) using infrared spectroscopy with computational analysis. Mutagenesis 27:375-382
D'Souza L, a Devi P, Shridhar MPD, Naik CG (2008) Use of fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy to study cadmium-induced changes in Padina Tetrastromatica (Hauck). Anal Chem. Insights 3:135-143
Fu XS, Xu L, Yu XP, Ye ZH, Cui HF (2013) Robust and automated internal quality grading of a Chinese green tea (Longjing) by near-infrared spectroscopy and chemometrics. J Spectrosc 1:139347
Harbaum B, Hubbermann EM, Wolff C, Herges R, Zhu Z, and Schwarz K (2007) Identification of flavonoids and hydroxycinnamic acids in pak choi varieties (Brassica campestris L. ssp. chinensis var. communis) by HPLCESI-MS and NMR and their quantification by HPLCDAD. J Agric Food Chem 55:8251-8260
Jiang H, Liu G, Xiao X, Yu S, Mei C, Ding Y (2012) Classification of Chinese soybean paste by fourier transform near-infrared (FT-NIR) spectroscopy and different supervised pattern recognition. Food Anal Methods 5:928-934
Kim DO, Padilla-Zakour OI, Griffiths PD (2004) Flavonoids and antioxidant capacity of various cabbage genotypes at juvenile stage. J Food Sci 69:685-689
Kim J, Kang WH, Yang HB, Park S, Jang Cs, Yu HJ, Kang BC (2013) Identification of a broad-spectrum recessive gene in Brassica rapa and molecular analysis of the eIF4E gene family to develop molecular markers. Mol Breeding 32:385-398
Kim JK, Ryu TH, Sohn SI, Kim JH, Chu SM, Yu CY, Baek HJ (2009) Metabolic fingerprinting study on the substantial equivalence of genetically modified (GM) Chinese cabbage to non-GM cabbage. J Kor Soc Appl Biol Chem 52:186-192
Kwon YS, Moon JY, Kwon YS, Park DY, Yoon WM, Song IH, Yi SI (2003) AFLP analysis on radish and Chinese cabbage were proved to be useful in defining and identification of varieties. Kor J Breed 35:319-328
Lopez-Sanchez M, Ayora-Canada MJ, Molina-Diaz A (2010) Olive fruit growth and ripening as seen by vibrational spectroscopy. J Agric Food Chem 58:82-87
Luo C, He T, Chun Z (2013) Discrimination and chemical phylogenetic study of seven species of Dendrobium using infrared spectroscopy combined with cluster analysis. Journal of Molecular Structure 1037:40-48
Mampholo BM, Sivakumar D, Beukes M, van Rensburg WJ (2013) Effect of modified atmosphere packaging on the quality and bioactive compounds of Chinese cabbage (Brasicca rapa L. ssp. chinensis). Journal of the Science of Food and Agriculture 93:2008-2015
Parker FS (1983) Applications of infrared, raman and resonance raman spectroscopy in biochemistry, p. 527. Plenum Press, New York.
Ramchiary N, Nguyen DV, Li X, Hong CP, Dhandapani V, Choi SR, Yu G, Piao ZY, Lim YP (2011) Genic microsatellite markers in Brassica rapa: development, characterization, mapping, and their utility in other cultivated and wild Brassica relatives. DNA Res 18:305-320
Song SY, Ha TJ, Jang KC, Kim IJ, Kim SW (2012) Establishment of rapid discrimination system of leguminous plants at metabolic level using FT-IR spectroscopy with multivariate analysis. J Plant Biotechnol 39:121-126
Thormann CE, Ferreira ME, Camargo LEA, Tivang JG, Osborn TC (1994) Comparison of RFLP and RAPD markers to estimating genetic relationships within and among cruciferous species. Theor Appl Genet 88:973-980
Trygg J, Holmes E, Londstedt T (2007) Chemometrics in metabonomics. J. Proteomes Res. 6:467-479
Williams JGK, Kubelik AR, Livak LJ, Rafalski JA, Tingey SV (1990) DNA polymorphisms amplified by arbitrary primers are useful as genetic markers. Nucl Acids Res 18:6531-6535
Wold H (1966) Estimation of principal components and related models by iterative least squares. p. 391-420.In: K. R. Krishnaiah (ed.). Multivariate Analysis. Academic Press, New York
Wolkers WF, Oliver AE, Tablin F, Crowe JH (2004) A fourier transform infrared spectroscopy study of sugar glasses. Carb Res 339:1077-85
Yee N, Benning LG, Phoenix VR, Ferris FG (2004) Characterization of metal-Cyanobacteria sorption reactions: A combined macroscopic and infrared spectroscopic investigation. Environ Sci Technol 38:775-82
Yu P, Wan CY, Wu CS, Shou JN, Cheng CG (2013) Classification of green bristle grass, yellow foxtail and Chinese Pennisetum seeds via HATR-FT-IR combined with chemometrics. J Spectrosc 1:531747
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.