교배형 분자마커를 이용한 신품종 밀리타리스 동충하초 '도원홍초 2호'의 품종 특성 Varietal characteristics of new Cordyceps militaris 'Dowonhongcho 2ho' improved by mating type molecular markers원문보기
본 연구는 밀리타리스 동충하초의 교배형 유전자인 MAT1-1과 MAT1-2 두 종류에 특이적인 프라이머를 사용하여 multiplex PCR을 실시하였고, 그 결과 형성된 MAT1-1과 MAT1-2에 대한 233-bp와 191-bp에서 DNA 밴드를 통해 교배형 및 교배여부를 확인하였고 자실체 특성검정을 통해 품종특성이 우수한 새로운 동충하초 '도원홍초 2호'를 개발하였다. 신품종 '도원홍초 2호'의 자실체는 곤봉형이고 밝은 주황색을 띠었으며, 코디세핀 함량은 0.33%였고 자좌의 굵기와 길이는 각각 3.5 mm와 7.1 cm였다. '도원홍초'와 비교할 때, 새로운 '도원홍초 2호'의 수량은 7%가 증수되었고 경도가 높은 특징을 보였다. 균사생장의 적온은 $20{\sim}25^{\circ}C$였고 버섯 발생의 적온은 $18{\sim}22^{\circ}C$였으며, 접종에서부터 자실체 발생까지의 기간은 49.7일이 소요되었다. 신품종 '도원홍초2호'는 교배형 분자마커를 육종과정에 이용하여 효율성을 높였으며, 우수한 재배적 특성으로 동충하초 인공재배 및 산업적 생산에 기여할 것으로 판단된다.
본 연구는 밀리타리스 동충하초의 교배형 유전자인 MAT1-1과 MAT1-2 두 종류에 특이적인 프라이머를 사용하여 multiplex PCR을 실시하였고, 그 결과 형성된 MAT1-1과 MAT1-2에 대한 233-bp와 191-bp에서 DNA 밴드를 통해 교배형 및 교배여부를 확인하였고 자실체 특성검정을 통해 품종특성이 우수한 새로운 동충하초 '도원홍초 2호'를 개발하였다. 신품종 '도원홍초 2호'의 자실체는 곤봉형이고 밝은 주황색을 띠었으며, 코디세핀 함량은 0.33%였고 자좌의 굵기와 길이는 각각 3.5 mm와 7.1 cm였다. '도원홍초'와 비교할 때, 새로운 '도원홍초 2호'의 수량은 7%가 증수되었고 경도가 높은 특징을 보였다. 균사생장의 적온은 $20{\sim}25^{\circ}C$였고 버섯 발생의 적온은 $18{\sim}22^{\circ}C$였으며, 접종에서부터 자실체 발생까지의 기간은 49.7일이 소요되었다. 신품종 '도원홍초2호'는 교배형 분자마커를 육종과정에 이용하여 효율성을 높였으며, 우수한 재배적 특성으로 동충하초 인공재배 및 산업적 생산에 기여할 것으로 판단된다.
The mushroom species Cordyceps militaris has been studied and cultivated as a medicinal mushroom due to its multiple valuable biological and pharmaceutical activities. For breeding new strains of C. militaris, multiplex PCR assays were performed using primers specific for its mating type genes, MAT1...
The mushroom species Cordyceps militaris has been studied and cultivated as a medicinal mushroom due to its multiple valuable biological and pharmaceutical activities. For breeding new strains of C. militaris, multiplex PCR assays were performed using primers specific for its mating type genes, MAT1-1 and MAT1-2. Mating types and mating status were confirmed, as evidenced by DNA bands at 233-bp and 191-bp for MAT1-1 and MAT1-2 respectively. The novel 'Dowonhongcho 2ho' was developed through mating; they were found to possess high-quality fruiting bodies when grown in artificial media. The stromata of the new strain were club-shaped, with a bright orange-red color, and measured 7.1 cm in length. They had an average cordycepin content of 0.33%. Compared to 'Dowonhongcho,' the new strain had a 7% higher yield, as well as firm fruiting bodies. The optimum temperature for mycelial growth was $20{\sim}25^{\circ}C$, and the optimum temperature for stroma development was $18{\sim}22^{\circ}C$. The fruiting bodies developed after 49.1 days from inoculation. The use of mating type molecular markers improved the breeding efficiency of the new strain 'Dowonhongcho 2ho.' Thus, they may be valuable for artificial cultivation and industrial-scale production of C. militaris with excellent characteristics.
The mushroom species Cordyceps militaris has been studied and cultivated as a medicinal mushroom due to its multiple valuable biological and pharmaceutical activities. For breeding new strains of C. militaris, multiplex PCR assays were performed using primers specific for its mating type genes, MAT1-1 and MAT1-2. Mating types and mating status were confirmed, as evidenced by DNA bands at 233-bp and 191-bp for MAT1-1 and MAT1-2 respectively. The novel 'Dowonhongcho 2ho' was developed through mating; they were found to possess high-quality fruiting bodies when grown in artificial media. The stromata of the new strain were club-shaped, with a bright orange-red color, and measured 7.1 cm in length. They had an average cordycepin content of 0.33%. Compared to 'Dowonhongcho,' the new strain had a 7% higher yield, as well as firm fruiting bodies. The optimum temperature for mycelial growth was $20{\sim}25^{\circ}C$, and the optimum temperature for stroma development was $18{\sim}22^{\circ}C$. The fruiting bodies developed after 49.1 days from inoculation. The use of mating type molecular markers improved the breeding efficiency of the new strain 'Dowonhongcho 2ho.' Thus, they may be valuable for artificial cultivation and industrial-scale production of C. militaris with excellent characteristics.
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문제 정의
본 연구는 밀리타리스 동충하초 단포자로부터 분리된단핵균주의 교배형을 분자마커를 통해 확인하고 서로 다른 교배형 간의 교배와 선발과정을 거쳐 육성된 재배적 특성이 우수한 새로운 동충하초 ‘도원홍초 2호’의 주요한 품종특성을 보고하고자 한다.
제안 방법
AB124626 (forward, 5′-ACATACGCTTGTCAAGA-3′; reverse 5′-AGGAGAGCCTTCTTGAT-3′)를 이용하였고(Yokoyama et al, 2004; Zhang and Liang, 2013), PCR조성은 template DNA 2 µL에 각각의 10 pM primer 1µL, 멸균증류수 14 µL로 총 final volume 20 µL가 되도록 하였다.
AB124626 (forward, 5′-ACATACGCTTGTCAAGA-3′; reverse 5′-AGGAGAGCCTTCTTGAT-3′)를 이용하였고(Yokoyama et al, 2004; Zhang and Liang, 2013), PCR조성은 template DNA 2 µL에 각각의 10 pM primer 1µL, 멸균증류수 14 µL로 총 final volume 20 µL가 되도록 하였다. PCR 반응조건은 94oC에서 3분간 반응시킨 뒤, 94oC에서 30초, 53oC에서 30초, 72oC에서 30초로 총 35 cycle을 실시하였으며, 최종 DNA 합성은 72oC에서 10분으로 하여 multiplex PCR을 시행하였다. 증폭된 PCR산물은 4% agarose gel에서 전기 영동한 후, Gel Documentation system을 사용하여 DNA band를 확인 하였다.
전통적인 밀리터리스 동충하초 신품종 육종을 위해서는 단핵균주 및 교배여부 확인을 위해서 자실체 발생 및 자낭각 확인 등의 과정이 필요한데, 이 방법은 상당한 정도의 수고와 비용 뿐 아니라 대상 균주 수에 따라서 많은 기간이 소요된다. 그러나 본 연구는 교배형 MAT1-1 및MAT1-2를 프라이머를 사용한 PCR 분석방법으로 확인하여 이 과정을 단축할 수 있었다. 특히 신품종 ‘도원홍초 2호’ 및 대조품종 ‘도원홍초’ 그리고 교배에 사용된 단핵균주 CM031209-29와 CM031238-63에 교배형 유전자 분석을 multiplex PCR 조건에서 실시하였다.
본 시험에 이용된 균주는 2012년 충남 예산 및 부여지역에서 채집된 밀리타리스 동충하초에서 단포자를 채취하여 분자마커를 사용한 교배형 확인 및 교배 그리고 특성검정과 선발과정을 수행하였으며, 그 중 수량 및 품질이 우수한 계통을 최종 선발하여 농가실증시험을 거쳐 2016년 농촌진흥청 신품종심의위원회를 거쳐 국립종자원에 ‘ 도원홍초 2호’로 품종 출원하였다. 단포자 분리는WA(Water agar)배지가 분주된 페트리디쉬에 자낭포자를 낙하하여 24oC 인큐베이터에서 2일간 발아시킨 후 단핵균주로 추정되는 균사체를 각각 분리하여 YMA(Yeast malt agar)배지에 접종하여 24oC에 10일간 배양한 후 접종원으로 사용하였다.
본 연구는 밀리타리스 동충하초의 교배형 유전자인 MAT1-1과 MAT1-2 두 종류에 특이적인 프라이머를 사용하여 multiplex PCR을 실시하였고, 그 결과 형성된 MAT1-1과 MAT1-2에 대한 233-bp와 191-bp에서 DNA밴드를 통해 교배형 및 교배여부를 확인하였고 자실체 특성검정을 통해 품종특성이 우수한 새로운 동충하초 ‘도원홍초 2호’를 개발하였다.
서로 다른 온도에서의 균사생장을 측정하기 위해 항온기 10, 15, 20, 25, 30oC에서 20일 경과 후 3반복으로, 한반복당 3방향에서 측정한 다음 평균값을 사용하였다. 각각의 배지별 균사생장은 YMA 배지상에서 자라고 있는 균사의 가장자리 끝 부분에서 직경 5mm의 균총을 떼어내 동충하초 균사생장이 양호하였던 MCM(Mushroom complete media), SDAY(Sabouraud’s dextrose agar yeast extract), YMA 배지를 사용하였다(Lee et al, 2013).
각각의 배지별 균사생장은 YMA 배지상에서 자라고 있는 균사의 가장자리 끝 부분에서 직경 5mm의 균총을 떼어내 동충하초 균사생장이 양호하였던 MCM(Mushroom complete media), SDAY(Sabouraud’s dextrose agar yeast extract), YMA 배지를 사용하였다(Lee et al, 2013). 이와 같은 배지실험은 완전임의배치 3반복으로 2회 실시하였다.
자실체 발생을 위해서는 Polypropylne 배양병(850 ml)에 현미 80 g과 증류수 100 ml를 넣어 30분간 고압 멸균하여 각각의 단포자 분리균주에 대한 자실체 및 자낭각을 검정하는 방법으로 단핵균주를 확인하였고, 이렇게 확인된 단핵균주는 24oC, 조도 500lux 조건의 YMB(Yeast Malt Broth) 액체배지에서 2~3일간 혼합접종 하여 교배를 실시한 후, 버섯발이를 위해 생육실에서 20~22oC, 조도500lux, 습도 80~90% 조건을 유지하면서 50~60일후 인공자실체를 형성하였다.
PCR 반응조건은 94oC에서 3분간 반응시킨 뒤, 94oC에서 30초, 53oC에서 30초, 72oC에서 30초로 총 35 cycle을 실시하였으며, 최종 DNA 합성은 72oC에서 10분으로 하여 multiplex PCR을 시행하였다. 증폭된 PCR산물은 4% agarose gel에서 전기 영동한 후, Gel Documentation system을 사용하여 DNA band를 확인 하였다.
코디세핀에 대한 정량분석은 Nano Space SI-1 (Shiseido, Japan), Culumn은 Water PLC C-18을 사용하였으며, 25oC로 유지하면서 20nM-KH2PO4 유출용매를 1.0 μl/min로 흘려보냈으며 UV 검출기로 254 nm에서 흡광도를 측정하였다.
특히 신품종 ‘도원홍초 2호’ 및 대조품종 ‘도원홍초’ 그리고 교배에 사용된 단핵균주 CM031209-29와 CM031238-63에 교배형 유전자 분석을 multiplex PCR 조건에서 실시하였다.
대상 데이터
각각의 배지별 균사생장은 YMA 배지상에서 자라고 있는 균사의 가장자리 끝 부분에서 직경 5mm의 균총을 떼어내 동충하초 균사생장이 양호하였던 MCM(Mushroom complete media), SDAY(Sabouraud’s dextrose agar yeast extract), YMA 배지를 사용하였다(Lee et al, 2013).
본 시험에 이용된 균주는 2012년 충남 예산 및 부여지역에서 채집된 밀리타리스 동충하초에서 단포자를 채취하여 분자마커를 사용한 교배형 확인 및 교배 그리고 특성검정과 선발과정을 수행하였으며, 그 중 수량 및 품질이 우수한 계통을 최종 선발하여 농가실증시험을 거쳐 2016년 농촌진흥청 신품종심의위원회를 거쳐 국립종자원에 ‘ 도원홍초 2호’로 품종 출원하였다.
이론/모형
일반성분 분석은 AOAC법에 준하여 분석하였고 농촌진흥청 토양 및 식물체 표준분석법에 따라 전탄수화물은 Tyurin법으로 전질소는 Kjeldahl법, P2O5는 비색법, CaO, MgO 및 K2O는 원자흡광분석법으로, pH는 건조시료 5g을 증류수 25 ml에 30분간 침적시킨 후 pH-Meter(Fisher model-50)으로 분석 측정하였고, 색도측정은 색차계(Chromameter, CR-200, Minolta, Japan)를 이용하여 L(명도)값, a(적색도)값 및 b(황색도)값을 측정하였고 색차(∆E) = √(L-L’)2+(a-a’)2+(b-b’)2으로 계산하였다.
성능/효과
‘도원홍초’와 비교할 때, 새로운 ‘도원홍초 2호’의수량은 7%가 증수되었고 경도가 높은 특징을 보였다.
대조품종인 ’도원홍초‘의 141개/병의 발이수보다 자실체가 적게 발생하였으나, 자좌의 길이 및 굵기가 큰 특징을 나타냄으로써 기호성이 높을 것으로 판단된다(Table 2).
대조품종인 ’도원홍초‘의 L값, a값, b값 61.64, 23.14, 45.81과 비교할 때 신품종인 ‘도원홍초 2호’의 적색도 및 황색도가 다소 감소하였으나, ΔE 값이 2.13을 나타내어 육안으로도 구별되는 미세한 차이가 확인되었다(Table 3).
동충하초 신품종인 ‘도원홍초 2호’의 자실체의 형태적인 특성에 있어서는 ‘도원홍초 2호‘의 병당 발이수는 124개 였고 자좌의 굵기는 3.5 mm, 자좌의 길이는 7.1 cm였다.
현미배지를 이용한 신품종 동충하초 ‘도원홍초 2호’ 자실체의 일반성분 함량의 경우 병재배에서 수확된 자실체의 수분함량은 약 86%였고, 영양성분 중에서 탄수화물은 7~8%, 단백질은 약 5%로 분석되었으며, 지방 및 회분의 함량은 미량으로 존재하였다. 두 품종 간에 일반성분 함량은 거의 유사한 것으로 조사되었다(Table 5).
신품종 ‘도원홍초 2호’ 및 ‘도원홍초’의 온도별 균사생장을 보면 두 품종 모두 15oC~25oC 범위에서 양호하였으며, 10oC와 30oC에서는 균사의 생장이 현저하게 느렸다.
신품종 ‘도원홍초 2호’의 자실체는 곤봉형이고 밝은 주황색을 띠었으며, 코디세핀 함량은0.33%였고 자좌의 굵기와 길이는 각각 3.5 mm와 7.1 cm였다.
신품종 동충하초 ‘도원홍초 2호‘ 자실체의 주된 무기성분은 K와 P가 가장 많았고, 그 다음으로 Ca, Mg, Na 순이었으며, 그 외에 Fe, Zn, Cu, Mn 등은 소량으로 분석되었다(Table 6).
이러한 결과를 바탕으로 25oC조건에서 배지의 종류에 따른 동충하초 신품종 및 대조품종에 대한 균사생장을 조사한 결과, 두 품종간에 다른 양상을 보였는데, ‘도원홍초’의 경우 배지별 생육 차이가 크게 나타나지 않은 가운데, SDAY 및 MCM 배지에서 YMA 배지에 비해 다소 양호한 상태를 보인 반면, 신품종 ‘도원홍초 2호’의 경우 배지에 따른 급격한 차이를 확인할 수 있었으며, 특히 SDAY 배지에서 균사생장이 매우 우월하게 나타나 ‘도원홍초’와 비교했을 때에도 월등하게 빠른 생장을 보였다(Fig. 4).
중금속 성분이 검출되지 않았는데, 이는 식재료로서 양호함을 나타내는 것으로 판단된다. 이상에서 볼 수 있듯이 밀리타리스 동충하초 신품종은 자실체의 생육 및 수량성 뿐 아니라 코디세핀, 단백질, 그리고 무기성분 등이 풍부하여 농가의 새로운 소득원이 될 것으로 판단된다.
이와 같이 두 종류의 유전자에 특이적인 프라이머를 사용하여 얻어진 PCR 분석은 MAT1-1과 MAT1-2에 대하여 각각 233-bp와191-bp에서 DNA 밴드를 형성하였고, 이를 통해 신품종 ‘도원홍초 2호’와 대조품종 ‘도원홍초’의 교배형 유전자는MAT1-1과 MAT1-2 두 종류를 포함하는 것으로 나타나 두 품종 모두 교배된 것을 확인할 수 있었으며, ‘도원홍초 2호’의 교배를 위해 사용된 단핵균주는 각각 MAT1-1과 MAT1-2의 유전자형을 갖고 있는 것으로 확인되었다(Fig. 2).
재배적 특성을 보면 균배양시에는 두 품종간에 별 다른 차이를 보이지 않았으나, 자실체 생육시에는 소요기간의 차이를 나타내었는데, 동충하초 신품종인 ‘도원홍초 2호’ 의 균배양시 15.6일이 소요되었고, 이후 자실체 발생까지는 34.1일이 소요되어 접종부터 자실체 수확까지 전체 생육일수는 49.7일이었으며, ‘도원홍초’의 45.6일과 비교할때 4.1일이 지연되었다(Table 1).
품종간 차이를 보면 신품종 ‘도원홍초 2호’가 대조품종인 ‘도원홍초’에 비해 균사생장이 다소 양호한 것으로 나타났으며, ‘도원홍초 2호’의 경우 20oC 및 25oC에서 다른 온도에 비해 균사의 생장이 가장 빠르게 나타난 것으로 보아 균사생장 적온은 20oC~25oC로 판단된다(Fig. 3).
현미배지를 이용한 신품종 동충하초 ‘도원홍초 2호’ 자실체의 일반성분 함량의 경우 병재배에서 수확된 자실체의 수분함량은 약 86%였고, 영양성분 중에서 탄수화물은 7~8%, 단백질은 약 5%로 분석되었으며, 지방 및 회분의 함량은 미량으로 존재하였다.
후속연구
6 g/병에 비해 7% 증수되었다. 따라서 신품종은 재배에서의 수량적 측면과 함께 저장 및 유통과정에서 유리한 요인이 될 것으로 기대된다(Table 4).
신품종 ‘도원홍초2호’는 교배형 분자마커를 육종과정에 이용하여 효율성을 높였으며, 우수한 재배적 특성으로 동충하초 인공재배 및 산업적 생산에 기여할 것으로 판단된다.
버섯은 식품학적 측면에서의 유용성분 뿐 아니라, 각종성인병의 예방에 크게 기여할 수 있는 다양한 기능성 물질이 함유되어 있어 식품 신소재로써의 연구개발이 요구된다(Oh and Lee, 2010). 이에 따라 식용버섯에 함유된 각종 기능성 물질 및 영양성분을 활용한 다양한 식품개발로 국내외적으로 경쟁력을 높일 수 있는 품목으로써의 발전과 농가 소득증대에 기여할 것으로 전망된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
버섯이 식품 신소재로써 연구개발이 요구되는 이유는?
버섯은 식품학적 측면에서의 유용성분 뿐 아니라, 각종성인병의 예방에 크게 기여할 수 있는 다양한 기능성 물질이 함유되어 있어 식품 신소재로써의 연구개발이 요구된다(Oh and Lee, 2010). 이에 따라 식용버섯에 함유된 각종 기능성 물질 및 영양성분을 활용한 다양한 식품개발로 국내외적으로 경쟁력을 높일 수 있는 품목으로써의 발전과 농가 소득증대에 기여할 것으로 전망된다.
‘도원홍초 2호’ 및 ‘도원홍초’의 품종간 차이는 무엇인가?
신품종 ‘도원홍초 2호’ 및 ‘도원홍초’의 온도별 균사생장을 보면 두 품종 모두 15oC~25oC 범위에서 양호하였으며, 10oC와 30oC에서는 균사의 생장이 현저하게 느렸다. 품종간 차이를 보면 신품종 ‘도원홍초 2호’가 대조품종인 ‘도원홍초’에 비해 균사생장이 다소 양호한 것으로 나타났으며, ‘도원홍초 2호’의 경우 20oC 및 25oC에서 다른 온도에 비해 균사의 생장이 가장 빠르게 나타난 것으로 보아 균사생장 적온은 20oC~25oC로 판단된다(Fig. 3).
밀리타리스 동충하초가 자실체를 형성하는 방법은 무엇인가?
militaris (L.) Link)는 땅속 나비목(Lepidoptera)의 번데기에 기생하는 곤충기생균(Entomopathogenic fungi)으로서 곤충의 유충, 번데기, 성충 등에 침입하여 이를 기주로 자실체를 형성한다(Holliday and Cleaver, 2008). 분류학적으로 자낭균문(Ascomycota), 자낭균강(Ascomycetes),육좌균목(Hypocreales) 맥각균과(Clavicipitaceae), 동충하초속(Cordyceps)에 속하고 있으며 한국을 비롯해서 중국,일본, 영국, 노르웨이, 네팔 등 전 세계적으로 400여종, 국내에 80여종이 자생하고 있는 것으로 알려져 있다(Mains, 1958; Hawkworth and Rossman, 1997; Liang, 2001; Isaka et al, 2005; Stensrud et al, 2005; Ma et al, 2007; Sung et al, 2007; Wang et al, 2008).
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