Background: Sophora flavescens AIT root is used as a herbal medicine in Asian culture. This study was aimed at selecting the best cultivars, by comparing growth characteristics, active ingredients, and antioxidant activities. Methods and Results: A total twenty nine accessions of S. flavescens were ...
Background: Sophora flavescens AIT root is used as a herbal medicine in Asian culture. This study was aimed at selecting the best cultivars, by comparing growth characteristics, active ingredients, and antioxidant activities. Methods and Results: A total twenty nine accessions of S. flavescens were collected from five different regions in Korea. Plant height, leaf length, peduncle length, fresh root weight, and seed weight were the growth characteristics selected. Antioxidant activity was determined by measuring the total polyphenol (TPC) and total flavonoid contents (TFC) as well as the radical scavenging activity of DPPH, ABTS and FRAP. Oxymatrine and matrine, active ingredients in S. flavescens were analyzed by HPLC. Results indicated that accession YS-11 had the highest plant height (152.5 cm) and peduncle length (54.0 cm). The fresh root weight was highest in JA-01 at 4.9 kg, while the highest total seed weight was recorded in accession BH-04 at 77.7 g. The YS-03 accession contained the highest oxymatrine and matrine total contents (0.9616% and 0.9638%, respectively). Accessions BH-02, YS-11, YS-05, and MJ-03 had the highest levels of antioxidant activity (p < 0.05). Oxymatrine showed a high correlation with TPC and FRAP. TPC showed high correlations with TFC, DPPH, ABTS and FRAP. TFC showed a high correlation with DPPH. Conclusions: The superior lines can be selected for use as standard variety breeding material by comparing the growth characteristics of the accessions.
Background: Sophora flavescens AIT root is used as a herbal medicine in Asian culture. This study was aimed at selecting the best cultivars, by comparing growth characteristics, active ingredients, and antioxidant activities. Methods and Results: A total twenty nine accessions of S. flavescens were collected from five different regions in Korea. Plant height, leaf length, peduncle length, fresh root weight, and seed weight were the growth characteristics selected. Antioxidant activity was determined by measuring the total polyphenol (TPC) and total flavonoid contents (TFC) as well as the radical scavenging activity of DPPH, ABTS and FRAP. Oxymatrine and matrine, active ingredients in S. flavescens were analyzed by HPLC. Results indicated that accession YS-11 had the highest plant height (152.5 cm) and peduncle length (54.0 cm). The fresh root weight was highest in JA-01 at 4.9 kg, while the highest total seed weight was recorded in accession BH-04 at 77.7 g. The YS-03 accession contained the highest oxymatrine and matrine total contents (0.9616% and 0.9638%, respectively). Accessions BH-02, YS-11, YS-05, and MJ-03 had the highest levels of antioxidant activity (p < 0.05). Oxymatrine showed a high correlation with TPC and FRAP. TPC showed high correlations with TFC, DPPH, ABTS and FRAP. TFC showed a high correlation with DPPH. Conclusions: The superior lines can be selected for use as standard variety breeding material by comparing the growth characteristics of the accessions.
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문제 정의
따라서 본 연구는 국내에 자생되고 있는 다양한 고삼 재래종을 수집하여 생육 특성 및 고삼 주요성분인 matrine과 oxymatrine 함량이 우수한 자원을 선발하여 새로운 품종으로 육성하는데 중요한 기초자료로 활용하고자 하였다.
제안 방법
7.4 mM ABTS 용액과 2.6 mM potassium persulfate (Daejung, Siheung, Korea)을 1 : 1 (v/v)로 혼합하여 상온, 암소에서 15 시간 방치하여 양이온 (ABTS+)을 형성하고, 흡광도가 732 ㎚에서 1.0 이하가 되도록 phosphate saline buffer (PBS, pH 7.4)을 이용하여 희석한 것을 측정용 시약으로 이용하였다.
4 ㎖를 혼합하여 실온에서 10 분간 반응시킨 후 732 ㎚에서 흡광도를 측정하였다. ABTS+ radical 소거능 (%)은 1에서 시료첨가구의 흡광도를 시료 무첨가구의 흡광도로 나눈 수치를 뺀 후 100을 곱하여 ABTS 전자 radical 소거능을 비교하였다. Positive control로 Vitamin C (Sigma-Aldrich Co.
HPLC 분석에 사용한 acetonitrile, water, potassium phosphate (TEDIA Inc., Fairfield, OH, USA)는 HPLC 등급의 시약을 사용하였으며, matrine과 oxymatrine (SigmaAldrich Co., St. Louis, MO, USA) 함량 측정은 Table 1에 명시한 조건으로 Agilent 1200 Infinity HPLC (Agilent Technologies Inc., Santa Clara, CA, USA)를 이용하여 분석 하였다.
고삼 추출액 1.0 ㎖ 에 1.5×10-4 M DPPH 용액 3 ㎖을 넣고 혼합한 뒤 실온에서 30 분간 반응 시킨 다음 517 ㎚에서 흡광도를 측정하여 초기 흡광도의 값에 대한 차이 값을 백분율로 환산하여 DPPH radical 소거능을 비교 검토하였다.
고삼의 DPPH radical 소거능은 Brand-Williams 등 (1995)의 방법을 변형하여 평가하였고, positive control은 Vitamin C (0 - 1000 ㎍/㎖, Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)를 사용하였다. 고삼 추출액 1.
본 연구는 충남 금산 등 5개 지역에서 수집한 고삼 재래종을 대상으로 하여 생육특성과 항산화 활성을 평가하고, 유효성분 oxymatrine과 matrine 함량, 총 폴리페놀 함량 및 총 플라보노이드 함량을 측정하여 항산화 활성과의 상관관계를 조사하였다. 생육 특성 조사 결과 YS-11은 초장, 화경장에서 우수한 생육 특성을 나타냈고, JA-01은 생근 무게에서 주당 4.
상층액을 취해 분광광도계로 760 ㎚에서 흡광도 측정 하였고, 측정된 흡광도는 tannic acid (0 ㎍/㎖ - 500 ㎍/㎖; Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)를 이용하여 표준 곡선을 작성한 뒤 각 시료 추출물의 흡광도 수치를 대입하여 총 페놀성 화합물 함량을 구하였다.
시료의 총 플라보노이드 함량은 다양한 농도의 quercetin (0 ㎍/㎖ - 500 ㎍/㎖; Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)을 측정한 표준 검량 곡선으로부터 플라보노이드 화합물을 정량하여 추출물 100 g 당 quercetin equivalence (㎎·QE/100g)로 나타내었다.
정량분석을 위해 각 표준물질을 25, 50, 100 ppm의 농도에서 분석을 실시하여 matrine은 y = 17817.660x - 16.624, R2 = 0.9997, oxymatrine은 y = 18130.761x - 51.458, R2 = 0.9981의 검량선식을 확인하였고, 이 식을 이용하여 고삼 수집자원에 들어있는 matrine, oxymatrine을 정량분석을 실시하였다.
플라보노이드 함량 측정은 Kim 등 (2005)의 방법에 따라 질산알루미늄법으로 실시하였다. 추출액 시료 0.5 ㎖, 10% aluminium nitrate 0.1 ㎖와 1 M potassium acetate 0.1 ㎖ 을 순차적으로 넣은 후, 80% ethanol 4.3 ㎖을 첨가하여 상온에서 40 분간 반응시킨 후 0.45 ㎛ membrane filter로 여과하여 X-ma 1200 spectrophotometer (Human Co. Ltd., Seoul, Korea) 415 ㎚에서 흡광도를 측정하였다.
추출액에 대한 환원력은 FeSO4·7H2O 시약을 이용하여 0 mM - 1.25 mM 범위의 표준액에 대한 흡광도를 측정하여 검량곡선을 만든 후 각 추출액의 흡광도를 FeSO4·7H2O mM로 환산한 값으로 환원력을 나타내었다.
희석된 ABTS+ 용액 4 ㎖에 20 배로 추출한 고삼추출물을 0.4 ㎖를 혼합하여 실온에서 10 분간 반응시킨 후 732 ㎚에서 흡광도를 측정하였다. ABTS+ radical 소거능 (%)은 1에서 시료첨가구의 흡광도를 시료 무첨가구의 흡광도로 나눈 수치를 뺀 후 100을 곱하여 ABTS 전자 radical 소거능을 비교하였다.
대상 데이터
고삼 (Sophora flavescens AIT.) 우량자원 GS-01 - GS-05는 충청남도 금산, YS-01 - YS-11는 충청남도 예산, JA-01 및 MJ-01 - MJ-06은 전라북도 진안과 무주, BH-01 - BH-06은 경상북도 봉화에서 수집하였다. 수집된 자원은 시험포장에서 적응시킨 후 평가하였으며, 생육특성 결과는 Table 2와 같다.
생육 특성 평가에 사용된 고삼은 2017년도에 전국 5 개 지역에서 자생하고 있는 29 개 자원을 재래종으로 수집하였으며, 수집 당시의 개체는 종자로 번식된 초장 50 ㎝ 크기의 2년생을 뿌리에 상처가 생기지 않도록 수집하여 충청남도농업 기술원 인삼약초연구소 시험포장에 식재한 후 생육 적응하였다.
데이터처리
고삼 수집자원의 항산화 활성과 총 폴리페놀, 총 플라보노이드, oxymatrine 및 matrine의 상관관계를 알아보기 위하여 Pearson’s correlation coefficient 분석을 시행하였으며 그 결과는 Table 5와 같다.
생육 특성은 2년간 반복 실험으로 얻은 결과와 뿌리 추출물의 활성 및 성분 분석 실험의 결과 (n = 3)를 SAS EG (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA) 프로그램을 이용하여 각 측정군의 평균과 표준편차를 산출하고, p < 0.05 수준에서 Duncan’s Multiple Range Test (DMRT)로 유의성을 검정하였으며, 상관관계는 Pearson의 적률 상관계수 (Pearson’s correlation coefficient)를 이용하여 유의성을 표기하였다.
이론/모형
ABTS radical cation decolorization 분석법 (Re et al., 1999)을 이용하여 2,2-azino-bis (3-ethylbenthiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS, Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA) radical 소거능을 측정하였다.
각각의 개체를 50 ㎝ 간격으로 식재하여 2018, 2019년에 조사된 3년, 4년생의 성적을 사용하였고, 생육 특성조사는 산림청 국립산림품종관리센터에서 발간하는 ‘신품종 심사를 위한 식물별 특성조사 요령-고삼’ (NFSV, 2016) 방법에 따라 수행하였다.
고삼 수집자원별 총 폴리페놀 함량 측정은 Coseteng and Lee (1987)의 방법에 따라 실시하였다. 시료의 20 배 추출액 1 ㎖에 Folin-ciocalteu‘s phenol reagent 0.
산화 및 환원 반응을 측정하는 FRAP 활성은 Benizie와 Strain (1996)의 방법에 따라 측정하였다. 0.
플라보노이드 함량 측정은 Kim 등 (2005)의 방법에 따라 질산알루미늄법으로 실시하였다. 추출액 시료 0.
성능/효과
ABTS radical 소거능 또한 BH-02 자원이 76.32 ± 0.50%로 가장 강했으며 DPPH radical 소거능과 동일한 결과를 나타내었다.
ABTS radical 소거능의 상관관계는 oxymatrine (r = 0.391, p < 0.01)과 양의 상관관계를 보였고, 총 폴리페놀 함량 (r = -0.441, p < 0.001) 및 DPPH radical 소거능 (r = -0.233, p < 0.05)과 음의 상관관계를 보였다.
DPPH radical 소거능은 oxymatrine (r = -0.306, p < 0.01) 및 ABTS radical 소거능 (r = -0.233, p < 0.05)과 음의 상관관계를 나타내었고 총 폴리페놀 함량 (r = 0.746, p <0.001) 및 총 플라보노이드 함량 (r = 0.880, p < 0.001)과는 양의 상관관계를 나타내었다.
각 유효성분을 합한 총량의 평균값은 0.7701 ± 0.1343%를 나타냈으며, YS-03 자원이 0.9638 ± 0.0041%로 유의하게 가장 높은 총 함량을 나타냈다.
각 자원별 평균값은 무주에서 수집한 MJ03이 17.40 ± 0.25 mM/g으로 가장 높았고 MJ-06 (17.36 ± 0.21 mM/g), MJ-05 (16.95 ± 0.04 mM/g), MJ-04 (16.73 ± 0.07 mM/g), YS-01 (16.25 ± 0.33 mM/g)의 순으로 측정되었으며 지역 간에는 무주에서 수집한 자원들의 값이 높게 나타났다.
변이계수로 볼 때 생근중 (62.63%)과 주당 채종량 (86.86%)의 변이가 컸으며 엽장 (10.04%), 초장 (17.69) 및 화경장 (23.06%)의 변이는 낮은 경향이었다. 이와 같이 생육 특성에 많은 차이를 보이고 분포가 넓은 것은 본 연구에 이용된 수집종들이 유전적 다양성이 높은 것으로 해석된다.
0156%의 함량을 보였다. 변이의 분포는 0.0013% - 0.1921%로 넓게 분포되어 있는 것으로 보아 수집자원 간에 함량 변이가 심한 것을 확인 하였다 (Table 3).
항산화 활성은 주로 폴리페놀 및 플라보노이드 등의 기능성 물질 함량과 밀접하게 연관되어 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구 결과 고삼 뿌리의 항산화 활성은 oxymatrine과 폴리페놀 함량과 매우 밀접하게 연관되어 있음을 알 수 있었으며 이는 폴리페놀 화합물의 종류 및 성분에 따라 항산화 활성의 차이가 있다는 Kim 등 (2012)과 Lee 등 (2019)의 연구 결과와 일치하였다.
, 2018). 본 연구 결과에서 항산화 성분인 총 폴리페놀과 총 플라보노이드 함량이 많은 자원에서 DPPH radical 소거능 활성도 높게 나타나 항산화 활성에 영향을 줄 수 있다는 보고와도 일치하는 결과를 보였다 (Han et al., 2019; Lee et al., 2019; Choi et al., 2020).
뿌리 추출물의 DPPH radical 소거능 활성을 측정한 결과 전체 평균은 67.86 ± 16.77% 이었다.
초장이 긴 개체들이 엽장도 큰 경향을 보였다. 생근중은 JA-01이 우위를 나타냈고 YS-11 자원은 화경장에서 우위를 나타냈지만 채종량에서는 평균보다 낮은 생육특성을 보였으며, BH-04 자원이 주당 채종량에서 우위를 나타냈다 (Table 2).
생근중은 전체 평균 1.7 ± 1.0 ㎏이었으며 진안에서 수집한 JA-01 유전자원이 4.9 ± 0.1 ㎏으로 가장 많은 생근 수량 특성을 나타냈다 (Table 2).
본 연구는 충남 금산 등 5개 지역에서 수집한 고삼 재래종을 대상으로 하여 생육특성과 항산화 활성을 평가하고, 유효성분 oxymatrine과 matrine 함량, 총 폴리페놀 함량 및 총 플라보노이드 함량을 측정하여 항산화 활성과의 상관관계를 조사하였다. 생육 특성 조사 결과 YS-11은 초장, 화경장에서 우수한 생육 특성을 나타냈고, JA-01은 생근 무게에서 주당 4.9 ㎏으로 우수한 생육 특성을 나타냈다. 채종량은 BH-04 자원이 주당 77.
수집된 유전자원에 대하여 고삼 유효성분인 oxymatrine과 matrine 함량을 비교하여 분석한 결과 (Table 3) 유전자원간 유의적 차이를 보였다. 고삼 우량자원에 들어있는 oxymatrine 평균 함량은 0.
수집자원의 총 플라보노이드 함량의 변이가 4.04 - 88.46 ㎎·QE/100g 으로 넓게 분포되었는데, 고삼을 수집하여 같은 환경에서 생육 적응한 후 함량을 분석하였음에도 수집종간 함량 차이가 나타났으며 이러한 차이는 고삼 유전자원 수집 환경의 차이에 기인한 것으로 생각된다.
수집자원의 평균 함량은 0.0262 ± 0.0556%로 가장 높은 함량을 나타낸 것은 무주에서 수집한 MJ-02와 MJ-01 자원으로 0.1921 ± 0.0052%, 0.1824 ± 0.0015% 이었으며 수집 자원 중 그 함량이 0.01% 이상은 9 계통뿐이었다.
수집종의 화경장은 평균 34.5 ± 8.0 ㎝로 그 분포의 범위는 20.4 ㎝ - 54.0 ㎝로 넓게 분포하였고, 지역별 평균은 예산이 39.8 ± 8.4 ㎝로 가장 높았으며 특히 YS-11 자원이 54.0 ± 14.0 ㎝로 유의하게 가장 높은 경향을 보였다 (Table 2).
이와 같은 결과를 종합해 볼 때, 고삼 수집자원의 높은 생육적 특성이 oxymatrine, matrine, 항산화 성분 및 활성을 반드시 수반하지 않는다고 볼 수 있다. 따라서 생근 수량, 채종량, 지표성분, 항산화 성분 및 활성 등 품종 육성을 위한 선발에 있어 각각의 목적에 맞도록 충분히 고려되어야 할 것으로 판단된다.
, 2012) 본 연구에서도 총 폴리페놀 함량이 높은 BH-02 자원이 총 플라보노이드 함량도 높게 나타나 선행 연구 결과와 유사하였다. 전반적으로 고삼 수집자원별 항산화 물질 중 총 폴리페놀 함량은 총 플라보노이드 함량 보다 4 배에서 많게는 64 배 정도 높았다. 수집자원의 총 플라보노이드 함량의 변이가 4.
주당 채종량 평균은 23.0 ± 20.0 g으로 3.0 g - 77.7 g까지 넓은 분포를 나타내었는데 최소 3.0 ± 0.8 g과 최대 77.7 ± 6.4 g의 수량을 보인 유전자원은 BH-02와 BH-04 수집종으로 같은 지역에서 수집되었더라도 각기 다른 생육특성을 보였다 (Table 2).
01% 이상은 9 계통뿐이었다. 지역별 함량은 무주에서 수집한 자원들이 0.0652%로 유의하게 가장 높은 함량을 나타냈고 그 다음으로 봉화에서 수집한 자원들이 0.0434%이었으며, 금산이 0.0156%의 함량을 보였다. 변이의 분포는 0.
지역별 함량은 진안과 무주에서 수집한 자원들의 함량이 각각 0.8264%, 0.8262%로 높게 나타나는 경향을 보였고 그 다음으로는 예산 0.8037%, 금산 0.6353%, 봉화 0.6286% 순이었으며, 함량이 높은 상위 10 개 자원 중에서는 예산에서 수집한 YS-03, YS-04, YS-08, YS-06, YS-09가 높은 함량 우위를 나타냈다 (Table 3).
총 폴리페놀 함량은 matrine을 제외하고 총 플라보노이드 함량 (r = 0.585, p < 0.001), DPPH radical 소거능 (r = 0.746, p < 0.001)과는 양의 상관관계를, oxymatrine (r = -0.516, p < 0.001), ABTS (r = -0.441, p < 0.001) 및 FRAP (r = -0.455, p < 0.001)과는 음의 상관관계가 있는 것으로 확인되었다 (Table 5).
총 플라보노이드 함량의 전체 평균은 32.8 ± 19.8 ㎎·QE/100g 이었으며, 가장 높은 함량을 나타낸 것은 BH-02 자원으로 88.5 ± 4.0 ㎎·QE/100g 이었다.
함량이 가장 적은 자원은 예산에서 수집한 YS-05로 4.0 ± 0.2 ㎎·QE/100g 이었으며, 변이계수가 60.4%로 크게 나타났다 (Table 4).
후속연구
고삼에서도 지역간, 수집 개체간에 생육 특성 차이를 보여 이를 새로운 품종으로 육성하는데 유용 유전자원으로서 활용될 것으로 생각된다.
이와 같은 결과를 종합해 볼 때, 고삼 수집자원의 높은 생육적 특성이 oxymatrine, matrine, 항산화 성분 및 활성을 반드시 수반하지 않는다고 볼 수 있다. 따라서 생근 수량, 채종량, 지표성분, 항산화 성분 및 활성 등 품종 육성을 위한 선발에 있어 각각의 목적에 맞도록 충분히 고려되어야 할 것으로 판단된다.
본 실험에서 고삼의 유효성분으로 사용한 matrine과 oxymatrine은 이뇨, 이질, 해열, 습진, 위출혈, 크록켈 육종, 간 세포사 등의 효과가 있다는 것이 알려져 있어 (Chen et al., 2000; Ma et al., 2008; Jin et al., 2010) 생리적 활성이나 유효 성분 함량이 높은 개체 선발로 고삼 우수자원의 확보 및 국내 생산 확대를 통해 위와 관련된 기능성에 대해 치료 효과가 클 것으로 기대된다.
최근 다양한 약용식물의 폴리페놀, 플라보노이드 함량 및 기능성 물질 탐색에 대한 연구가 진행되고 있으나 고삼 유효성분 및 항산화 활성에 관한 연구는 미진하다. 본 연구 결과 고삼 수집자원의 생육특성이 다양함을 볼 수 있었고 기능성 물질의 함량이 높고 항산화 활성이 우수한 수집종을 선발할 수 있었기에 이를 기반으로 품종을 육성함에 있어 우수한 자원으로 활용될 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고삼의 특징은?
고삼 (Sophora flavescens AIT.)은 뿌리의 주피를 벗긴 것을 한약재로 사용하고 맛은 쓰지만 인삼과 같은 효과가 있다는 뜻에서 고삼 (苦蔘)이라 하며 (Kim and Jung, 2014), 우리나라를 비롯하여 중국, 일본, 시베리아 등지에 분포하고 있다 (Park et al., 2002). 다년생 초본으로 1 m - 1.5 m 정도 곧게 자라고 잎은 호생하며 깃꼴 겹잎이 어긋나고 작은 잎은 5 개 - 21 개로 타원형 또는 피침형이다. 꽃은 5월에서 7월에 줄기와 가지 끝에 총상화서로 피며 암술 1 개, 수술 10 개이다. 한 꼬투리에 종자는 3 개에서 8 개로 흑색이고 둥글며 결실기는 7월에서 9월까지 협과로 성숙한다.
고삼의 번식은 어떻게 하나?
고삼의 번식은 종자번식과 삽목을 이용한 영양번식이 가능하며 주로 종자를 이용하여 번식한다. 그러나 현재 육성된 품종이 없고 국내 자생하는 식물을 일부 채취하여 이용하기도 하나 외국에서 수입하여 한약재 및 살충 재료 원료로 이용되고 있으며, 2018년 전체 수입량은 11,102 ㎏으로 대부분 수입에 의존하고 있어 (APQA, 2019) 우수한 품종의 확보 및 보급이 필요하다.
고삼 뿌리의 주피를 벗긴 것의 특징은?
뿌리의 성상은 원주형을 이루고 길이 5 ㎝ - 20 ㎝, 지름 2 ㎝ - 3 ㎝, 표피는 어두운 갈색 혹은 황갈색이며 세로 주름이 뚜렷하고 짧은 피목이 있다. 주피를 벗긴 것은 황백색으로 섬유성이고, 특이한 냄새가 있으며 잔류성이다 (Perry and Metzger, 1980; Huang, 1998).
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