[논문]맥류 종자의 페룰산(ferulic acid) 함량과 붉은곰팡이 저항성

백슬기; 김소수; 장자영; 김점순; 이데레사

doi:10.5423/rpd.2020.26.4.250

[국내논문] 맥류 종자의 페룰산(ferulic acid) 함량과 붉은곰팡이 저항성
Ferulic Acid Content of Barley and Wheat Grains and Head Blight Resistance 원문보기

Research in plant disease = 식물병연구, v.26 no.4, 2020년, pp.250 - 255

백슬기 (국립농업과학원 유해생물팀) , 김소수 (국립농업과학원 유해생물팀) , 장자영 (국립농업과학원 유해생물팀) , 김점순 (국립농업과학원 유해생물팀) , 이데레사 (국립농업과학원 유해생물팀)

초록
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페룰산 함량이 붉은곰팡이병과 곰팡이독소 저항성 곡류 육종의 선발지표가 될 수 있는지 알기 위해 밀, 보리, 벼 육성 품종 80점의 페룰산 함량을 조사하였다. 페룰산 함량은 보리 20품종이 1.66-2.77 mg/g, 밀 40품종이 0.56-1.53 mg/g이었으며 벼 20품종은 0.91-2.13 mg/g이었다. 이 중 페룰산 함량이 다른 밀과 보리 각 7품종을 선정하여 F. graminearum과 F. asiaticum 각 2균주의 붉은곰팡이병과 독소 생성량을 분석하였다. 밀 품종의 평균 병원성은 페룰산 함량이 높은 보리에 비해 유의하게 낮았고 밀 품종 간에는 상관관계가 없었다. 곰팡이독소도 병원성과 같이 페룰산 함량이 낮은 밀이 보리보다 생성량이 낮았다. 그러나 보리에서는 F. asiaticum 균주의 병원성과 독소 생성량이 페룰산 함량과 음의 상관관계를 나타내었다. 이 결과는 페룰산 함량이 밀과 보리에서 F. graminearum과 F. asiaticum에 의한 붉은곰팡이병과 독소 생성에 저항성 요인이 아님을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to find if a ferulic acid (FA) can be used as a selection index in cereal breeding for resistance to head blight and mycotoxin production, we analyzed FA in the grains of 80 cultivars of barley, rice, and wheat. FA content ranged 1.66-2.77 mg/g in barley (n=20), 0.56-1.53 mg/g in wheat (n=40), and 0.91-2.13 mg/g in rice (n=20). Among these, 7 cultivars each of barley and wheat with different FA content were tested for head blight and mycotoxin production by 2 Fusarium graminearum and 2 F. asiaticum strains. Mean pathogenicity of the wheat cultivars was significantly less than that of barley with higher FA and among wheat cultivars, there was no correlation between FA content and pathogenicity. Mycotoxin production was also lower in the wheat than in the barley as pathogenicity. However, pathogenicity and toxins produced by F. asiaticum were negatively correlated with FA content in barley. These results indicate that FA is not a resistance factor to head blight by F. asiaticum and F. graminearum or its mycotoxin production in barley and wheat.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. Ferulic acid content of the cereal grains by cultivar tested in this study
표 Table 2. Comparison of barley and wheat pathogenicity by head blight pathogens
그림 Fig. 1. Pathogenicity of barley and wheat cultivars by head blight pathogens and ferulic acid content. The cultivars with w and b indicate wheat and barley, respectively. The pathogen names appear in parentheses. Fg, Fusarium graminearum; Fa, F. asiaticum; Mean, mean of pathogenicity; FA, ferulic acid.
표 Table 3. Correlation of ferulic acid content with barley and wheat pathogenicity and trichothecenes by head blight pathogens
그림 Fig. 2. Trichothecenes produced by head blight pathogens in barley and wheat cultivars and ferulic acid content. The cultivars with w and b indicate wheat and barley, respectively. The pathogen names appear in parentheses. DON, deoxynivalenol; NIV, nivalenol; Mean, mean of toxin levels; FA, ferulic acid.
표 Table 4. Comparison of barley and wheat for trichothecenes produced by head blight pathogens

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구에서는 곡류 품종에서 페룰산 함량이 붉은 곰팡이 저항성 육종의 선발지표가 될 수 있는지 확인하기 위해 밀과 보리 등 국내산 육성 품종별 종자의 페룰산 함량을 조사하고 페룰산 함량에 따른 붉은곰팡이 병원성과 독소 생성량을 분석하였다.
culmorum 균주의 독소 생성을 직접 저해한다는 것을 보여준다. 반면 이 연구에서는 붉은곰팡이(F. graminearum, F. asiaticum)와 페룰산 간의 관계를 작물에서 품종간에 비교함으로써 확인하고자 하였으며 밀과 보리의 페룰산은 붉은곰팡이와 독소 생성을 저해하는 것이 아니라 오히려 증가와 관련이 있는 것으로 나타났다. 한편 곰팡이독소 저해효과를 나타내기 위해 페룰산을 처리할 때는 고농도가 필요한 것으로 보고되었다.
이 연구는 곡류의 페룰산 함량과 붉은곰팡이와 그 생성독소의 관계를 밀과 보리 품종에서 분석한 최초의 보고이다. 페룰산 함량을 기준으로 밀과 보리를 비교했을 때 페룰산 함량이 낮은 밀이 높은 보리보다 붉은곰팡이 병원성과 독소(DON과 NIV) 생성량이 낮았다.

제안 방법

곡류 육성 품종 총 80점(밀 40점, 보리 20점, 벼 20점) 의 종자 각 100 g을 국립식량과학원으로부터 분양받았다(Table 1, Supplementary Table 1). 각 품종별 종자는 실험용도 정기(Fujiara JP/VP-30T, Japan)로 도정비율 10%으로 도정하여 외피부분(밀기울, 맥강, 미강) 약 10 g을 얻었으며 이를 페룰산 추출 시까지 ‒20^oC에 보관하였다.
13 mg/g이었다. 이 중 페룰산 함량이 다른 밀과 보리 각 7품종을 선정하여 F. graminearum과 F. asiaticum 각 2 균주의 붉은곰팡이병과 독소 생성량을 분석하였다. 밀 품종의 평균 병원성은 페룰산 함량이 높은 보리에 비해 유의하게 낮았고 밀 품종 간에는 상관관계가 없었다.
asiaticum #73이었다. 접종 후 3주후에 접종 이삭을 수확하여 병원성(%=병든 낟알수×100/총 낟알수)을 측정하였다.
붉은곰팡이 병원성 검정. 페룰산 함량이 다양한 밀(W1, W6, W17, W26, W35, W39, W40)과 보리(B1, B2, B5, B8, B14, B19, B20) 각 7품종씩 총 14종을 선정하여 온실에서 품종별 5포트 (4‒5 종자/포트)에 재배하였다. 이들의 개화기에 실험실에서 보유하고 있는 붉은곰팡이 균주 4종을 Jang 등의 방법(2019)에 따라 각각 다른 포트에 심어진 품종별 5개의 이삭에 분무 접종하였다(포자 농도 1×10⁵/ml).
페룰산 함량이 붉은곰팡이병과 곰팡이독소 저항성 곡류 육종의 선발지표가 될 수 있는지 알기 위해 밀, 보리, 벼 육성 품종 80점의 페룰산 함량을 조사하였다. 페룰산 함량은 보리 20품종이 1.
이 과정을 3회 반복한 후 회전농축기(Eyela DPE-2120, Shanghai, China)로 농축한 후 농축액을 acetonitrile:water (1:1, v/v) 3 ml에 용해하여 냉장 보관하였다. 페룰산은 high-performance liquid chromatography (Waters Acquity UPLC H-Class, Waters, Singapore)로 분석하였으며 ACQUITY UPLC HSS C₁₈ 1.8 um (2.1×100 mm) 컬럼을 사용하였고 이동상은 1% acetic acid solution (A 용액)과 acetonitrile (B 용액)을 순차적으로 사용하였다.

대상 데이터

곡류 품종. 곡류 육성 품종 총 80점(밀 40점, 보리 20점, 벼 20점) 의 종자 각 100 g을 국립식량과학원으로부터 분양받았다(Table 1, Supplementary Table 1). 각 품종별 종자는 실험용도 정기(Fujiara JP/VP-30T, Japan)로 도정비율 10%으로 도정하여 외피부분(밀기울, 맥강, 미강) 약 10 g을 얻었으며 이를 페룰산 추출 시까지 ‒20^oC에 보관하였다.
수확한 이삭은 건조한 후 Jang 등의 방법(2018)에 따라 액체크로마토그래프 질량분석기(Waters e2695 separation module-Water 3100 MS detector, Waters) 를 이용하여 DON과 NIV의 발생량을 분석하였다. 컬럼은 Zorbax SB Aq C₁₈ (4.6×150 mm, 5 μm, Agilent, Santa Clara, CA, USA)를 사용하였고, 이동상 용매는 0.2% formic acid와 5 mM ammonium formate가 첨가된 물(A)과 100% 메탄올(B)을 농도 구배(gradient) 조건으로 사용하였다.

데이터처리

통계분석. 밀과 보리 간 병원성과 독소 생성량의 평균 간 비교를 위해 엑셀 도구의 t-검정(P<0.05)를 실시하여 유의성 검증을 수행하였다.

이론/모형

붉은곰팡이 독소 분석. 수확한 이삭은 건조한 후 Jang 등의 방법(2018)에 따라 액체크로마토그래프 질량분석기(Waters e2695 separation module-Water 3100 MS detector, Waters) 를 이용하여 DON과 NIV의 발생량을 분석하였다. 컬럼은 Zorbax SB Aq C₁₈ (4.
페룰산 분석. 시료의 페룰산 함량은 Tilay 등의 분석법 (2008)에 따라 분석하였다. 40^oC 오븐에서 12시간 건조한 bran 시료 중 2 g을 250 ml 플라스크에 담은 후 NaOH (2 N) 60 ml과 sodium bisulfite 0.
페룰산 함량이 다양한 밀(W1, W6, W17, W26, W35, W39, W40)과 보리(B1, B2, B5, B8, B14, B19, B20) 각 7품종씩 총 14종을 선정하여 온실에서 품종별 5포트 (4‒5 종자/포트)에 재배하였다. 이들의 개화기에 실험실에서 보유하고 있는 붉은곰팡이 균주 4종을 Jang 등의 방법(2019)에 따라 각각 다른 포트에 심어진 품종별 5개의 이삭에 분무 접종하였다(포자 농도 1×10⁵/ml). 접종 균주는 DON 생성균인 F.

성능/효과

페룰산 함량과 붉은곰팡이 독소. 곰팡이 독소도 페룰산 함량이 높은 보리에서 생성량이 높았다. NIV의 생성량은 보리에서 유의하게 높은(P=0.
이 결과는 붉은곰팡이병과 마찬가지로 페룰산 함량이 낮은 밀에서 붉은곰팡이독소 생성량이 낮은 것을 의미한다. 그러나 보리 품종 내에서 NIV 생성량은 페룰산 함량이 증가함에 따라 감소(r²=‒0.74) (Table 3) 경향을 나타냈고 NIV 생성 균주와 같은 F. asiaticum 종인 w1d 균주도 보리에서 DON 생성량이 페룰산과 음의 상관관계(r²=‒0.63)를 보였다. 이는 각각 단일 균주의 결과이기 때문에 추가 균주를 이용한 확인이 필요하다.
페룰산 함량을 기준으로 밀과 보리를 비교했을 때 페룰산 함량이 낮은 밀이 높은 보리보다 붉은곰팡이 병원성과 독소(DON과 NIV) 생성량이 낮았다. 그러므로 페룰산은 맥류에서 F. graminearum 과 F. asiaticum에 의한 붉은곰팡이 병원성과 곰팡이독소 생성에 저항성 요인으로 작용하지 않으며 따라서 붉은곰팡이와 붉은 곰팡이독소 저항성 맥류 품종 개발을 위한 육종 소재 선발의 지표가 될 수 없는 것으로 보인다. 한편, 붉은곰팡이병과 독소 생성이 밀보다 보리에서 모두 높았던 것은 보리가 붉은곰팡이에 더욱 취약한 작물임을 암시한다.
1). 모든 균주에서 병원성과 페룰산의 상관관계는 r²=0.5 내외로 낮았다(Table 3). 밀 품종에서 페룰산 함량과 병원성 상관관계는 이보다 더 낮았지만 보리에서는 음의 상관관계(r²=‒0.
asiaticum 각 2 균주의 붉은곰팡이병과 독소 생성량을 분석하였다. 밀 품종의 평균 병원성은 페룰산 함량이 높은 보리에 비해 유의하게 낮았고 밀 품종 간에는 상관관계가 없었다. 곰팡이독소도 병원성과 같이 페룰산 함량이 낮은 밀이 보리보다 생성량이 낮았다.
페룰산 함량과 붉은곰팡이병. 밀과 보리에서 페룰산 함량이 다양한 14품종을 대상으로 4종의 붉은곰팡이를 접종한 결과, 전체적으로 페룰산 함량이 높은 보리의 붉은 곰팡이 병원성 평균이 페룰산 함량이 낮은 밀에 비해 유의하게 높았다(P=0.007) (Table 2, Fig. 1). 모든 균주에서 병원성과 페룰산의 상관관계는 r²=0.
culmorum의 DON 생성이 약 67% 감소하였다(Pani 등, 2014). 이상의 결과는 페룰산을 균주에 직접 처리한 결과로서 페룰산이 F. culmorum 균주의 독소 생성을 직접 저해한다는 것을 보여준다. 반면 이 연구에서는 붉은곰팡이(F.
페룰산 함량을 기준으로 밀과 보리를 비교했을 때 페룰산 함량이 낮은 밀이 높은 보리보다 붉은곰팡이 병원성과 독소(DON과 NIV) 생성량이 낮았다. 그러므로 페룰산은 맥류에서 F.

후속연구

맥류의 붉은곰팡이병 방제법에는 저항성 품종 재배, 감염시기(출수기‒개화기) 배수관리, 화학적 약제처리, 농산물 우수관리 재배법 등이 있으며 친환경 방제를 위해서는 저항성 품종 육성과 친환경 방제 약제 개발을 위한 지속적인 연구가 필요하다. 식물에 존재하는 페놀화합물은 항산화와 항균효과가 있어 다양한 식물병에 저항성을 나타낸다.
한편, 붉은곰팡이병과 독소 생성이 밀보다 보리에서 모두 높았던 것은 보리가 붉은곰팡이에 더욱 취약한 작물임을 암시한다. 밀과 보리 간에 다른 결과가 도출된 것은 국내 재배기간이 밀보다 긴 보리와 국내 곡류의 우점 붉은곰팡이인 F. asiaticum의 오랜 기간 동안 공진화한 결과로 추정되나 추가 연구를 통한 증명이 필요하다.
그러나 밀과 보리 등 옥수수를 제외한 다른 작물에서는 아직까지 페룰산과 붉은곰팡이 병 저항성에 대한 보고가 없었다. 이 연구에서는 옥수수를 포함하지 않아 기존의 결과를 검증할 수 없으나 왜 맥류에서는 페룰산이 붉은 곰팡이에 저항성이 아닌지 옥수수와의 비교를 포함한 추가 연구가 필요하다.

참고문헌 (11)

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Bily, A. C., Reid, L. M., Taylor, J. H., Johnston, D., Malouin, C., Burt, A. J. et al. 2003. Dehydrodimers of ferulic acid in maize grain pericarp and aleurone: resistance factors to Fusarium graminearum. Phytopathogy 93: 712-719.

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Tilay, A., Bule, M., Kishenkumar, J. and Annapure, U. 2008. Preparation of ferulic acid from agricultural wastes: its improved extraction and purification. J. Agric. Food Chem. 56: 7644-7648.

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U. S. Wheat and Barley Scab Initiative. 2017. Fusarium Focus 17(1). URL https://scabusa.org/pdfs/fus-focus_newsletter_v1_2-2017.pdf [25 September 2020].

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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