[논문]벼 등숙기 기온 및 수발아가 종실 품질 및 이화학적 특성에 미치는 영향

이현석; 이윤호; 황운하; 정재혁; 양서영; 이충근; 최명구

doi:10.7740/kjcs.2020.65.4.294

[국내논문] 벼 등숙기 기온 및 수발아가 종실 품질 및 이화학적 특성에 미치는 영향
Investigation of Changes in Grain Quality and Physicochemical Properties of Rice According to the Temperature during the Ripening Stage and Preharvest Sprouting 원문보기

Korean journal of crop science = 韓國作物學會誌, v.65 no.4, 2020년, pp.294 - 302

이현석 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과) , 이윤호 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과) , 황운하 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과) , 정재혁 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과) , 양서영 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과) , 이충근 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과) , 최명구 (농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과)

초록
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등숙기간 동안의 온도에 따라서 동일한 출수 후 일수가 경과하더라도 출수 후 적산온도가 달라져 종실의 등숙단계가 달라지기 때문에 수발아에 영향을 줄 수 있는 종실의 특성이 달라지게 된다. 그렇기 때문에 수발아 검정을 위한 처리 시점은 출수 후 일수가 아닌 출수 후 특정 적산온도에 조건을 맞춰 시험을 진행해야 한다. 한편 수발아 발생은 등숙기간 동안의 온도에 따라서 크게 달라진다. 이에 따라서 발생하는 전분립의 구조, 전분함량 및 ABA함량의 변이 등은 수발아 발생에 영향을 줄 것으로 생각되며, 특히 고온등숙 시 수발아 발생율의 증가와 종실 전분립의 구조, 유리당 함량 등 종실 이화학적 특성 변이와의 관계에 대한 추가적인 검토가 필요할 것으로 생각된다. 또한 고온등숙시 수발아 발생율이 증가하기 때문에 등숙기 고온에 노출되지 않도록 이앙시기를 조절하여 수발아 발생위험을 감소시켜야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Studies on the occurrence of rice preharvest sprouting (PHS) have primarily focused on temperature and rainfall duration at the time of PHS induction, but average temperature during grain filling can have a great influence on PHS. This study analyzed the effect of average temperature during grain filling on PHS occurrence and subsequent changes in grain quality after PHS. For two consecutive years, average temperature differences during grain filling were produced by varying the transplanting date. Artificial rainfall was treated under identical accumulated temperatures of 1200℃ after heading. It was confirmed that the occurrence of PHS was higher under high average temperature conditions during grain filling. In addition, the degree of grain quality reduction caused by PHS occurred more severely under high temperature conditions during grain filling. In order to reduce the risk of PHS occurrence and subsequent quality damage, it is important to control the planting date to avoid high-temperature conditions during grain filling.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Rainfall treatment to induce pre-harvest sprouting with the panicle still on the stem. Uniform rainfall was treated as follows: 5.2 mm h-1 of rainfall was provided by an artificial weather facility at the National Institute of Crop Science.
표 Table 1. Changes in heading date and average temperature during the ripening stage according to transplanting dates in 2018 and 2019.
그림 Fig. 2. Changes in the occurrence rate of pre-harvest sprouting (PHS) according to the average temperature (in parentheses next to the variety name) during the ripening period and rainfall treatment. A: Early maturing type, B: Medium maturing type, C: Mid-late maturing type.
그림 Fig. 3. Changes in milling recovery according to the average temperature (in parentheses next to the variety name) during the ripening period and rainfall treatment. A: Early maturing type, B: Medium maturing type, C: Mid-late maturing type.
그림 Fig. 4. Changes in head rice ratio according to the average temperature (in parentheses next to the variety name) during the ripening period and rainfall treatment. A: Early maturing type, B: Medium maturing type, C: Mid-late maturing type.
그림 Fig. 5. Changes in the proportion of each appearance grain quality (average of six varieties) by rainfall treatment and average temperature during the ripening period. A: 23.2°C (optimum temperature treatment in the ripening period for the average of six varieties). B: 26.3°C (high temperature treatment in the ripening period for the average of six varieties).
그림 Fig. 6. Changes in starch gelatinization of rice grains by rainfall treatment and average temperature during the ripening period. y-axis: peak, trough, and final viscosity (left); breakdown and setback (right). Visc: viscosity. A: 23.2°C (optimum temperature treatment in the ripening period for the average of six varieties). B: 26.3°C (high temperature treatment in the ripening period for the average of six varieties).
그림 Fig. 7. Piecewise (segmented) regression analysis between the preharvest sprouting rate and protein content for each cultivar. A: Odae, B: Jopyeong, C: Daebo, D: Hiami, E: Saenuri, F: Sindongjin. Only insignificant changes in protein content occurred up to the break point in each case, followed by a rapid fall after the break point (preharvest sprouting rate).

AI 본문요약
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문제 정의

본 시험에서는 이앙시기를 조절하여 등숙 특성에 영향을 미치는 큰 요인 중 하나인 평균기온 변이에 따른 수발아 발생 정도를 분석하고, 각 등숙온도 조건에서 수발아 발생 정도 별 종실의 품질 및 이화학적 특성 변이에 대한 결과를 분석하였다.

제안 방법

완전미율 등의 외관품위는 Rice Quality Analyzer (RN300 model, Kett, Japan)을 이용하여 측정하였다. 단백질함량의 분석은 분쇄한 시료(종실) 250 mg을 Elementar Analyzer System (Vario Macro, Germany)을 이용하여 분석한 총 질소함량 값과 켈달장치를 이용하여 분석한 값을 비교하여 보정계수를 구하고 보정계수를 각 분석 값에 곱하여서 구하였다. 호화특성은 Rapid-Visco Analyser (Newport Scientific Model RVA-4, Australia)를 이용하여 AACC Method 61-02에 의하여 peak viscosity (최고점도), trough viscosity (최저점도), breakdown (강하점도), final viscosity (최종점도)를 측정하였다.
본 시험에서는 등숙기 온도별 수발아 발생정도에 따른 완전미율, 도정율 뿐만 아니라 이에 따른 종실의 이화학적 특성 변이 결과를 함께 연결하여 분석하였다. 종실이 고온 등숙되는 조건에서는 상대적으로 전분을 합성하는 효소의 활성은 증가하지만, 전분합성에 필요한 종실에 공급되는 동화산물의 양은 그 수요를 맞추지 못하고 지속기간이 짧아져 등숙에 필요한 충분한 기간이 주어지지 못하게 된다(Lee et al.
생태형 및 품종 간의 수발아율 발생 차이를 비교하는 것이 아닌 각 생태형 및 품종별 등숙기 평균기온에 따른 수발아 발생 변이를 확인하는 실험이기 때문에, 강우 처리 시 온도는 생태형별로 실제 포장에서 수발아가 발생할 수 있는 시기의 강우 온도를 설정하기 위하여 출수 후 적산 온도 800℃~1200℃ 시기의 평균기온을 고려하여 조생종은 24℃, 중생·중만생종은 평균온도 22℃로 설정하였다.
수발아 처리를 위한 재료는 각 이앙시기 및 생태형 품종별 출수 후 적산온도 1200℃에 도달하는 날을 기준으로 포장에서 뿌리 위 바로 위쪽에서 절단하여, Fig. 1에서 보는 바와 같이 이삭이 줄기에 달려있는 상태로 국립식량 과학원 인공기상시설에서 강우 강도 5.2 mm/hr 조건에서 조생종은 평균온도 24℃ (최고 29℃/최저 19℃), 중생·중만생종은 평균온도 22℃ (최고 27℃/최저 17℃)으로 0, 24, 48, 72, 96, 120, 144시간까지 처리하였다.

대상 데이터

본 시험에서는 출수 생태형별로 2품종씩 조생종은 오대, 조평, 중생종은 대보, 하이아미, 중만생종은 새누리, 신동진을 시험 재료로 이용하였다. 2018년과 2019년 모두 육묘상자에서 20일동안 육묘한 후 1차 시기는 조생종은 6월 6일, 중생·중만생종은 5월 16일, 2차 시기는 모든 생태형 및 품종 동일하게 6월 26일에 이앙하였다.
1차 이앙 시기를 달리한 이유는 등숙기 온도 차이를 유사하게 설정하기 위해 비교적 비슷한 시기에 출수할 수 있도록 조생종은 중생, 중만생종보다 늦은 6월 6에 이앙하였다. 비료는 N-P₂O₅-K₂O: 9-4.5-5.7 (kg/10a)을 기준으로 시비하였으며, 그 밖의 재배 관리는 국립식량과학원의 벼 표준재배법에 준하여 재배하였다. 수발아 처리를 위한 재료는 각 이앙시기 및 생태형 품종별 출수 후 적산온도 1200℃에 도달하는 날을 기준으로 포장에서 뿌리 위 바로 위쪽에서 절단하여, Fig.

데이터처리

각 실험결과의 통계처리는 R 통계프로그램(Version 3.2.2)를 이용하여 T-검정 및 분산분석(ANOVA)후 Duncan’s multiple range test로 p < 0.05 수준에서 유의적 차이를 검정하였다.
2 mm/hr 조건에서 조생종은 평균온도 24℃ (최고 29℃/최저 19℃), 중생·중만생종은 평균온도 22℃ (최고 27℃/최저 17℃)으로 0, 24, 48, 72, 96, 120, 144시간까지 처리하였다. 각 처리 별 수발아 율은 30개 이삭을 분석하여 평균하였다. 수발아율은 수발아 처리 후 종실의 수분이 마르게 되면 확인이 어려워질 수 있기 때문에 강우처리 후 즉시 유아가 왕겨를 뚫고 나온 것을 확인하였다.

이론/모형

Breaking point x = c일 때 아래의 piecewise regression 모델이 사용되었다(Ryan & Porth, 2007).
05 수준에서 유의적 차이를 검정하였다. piecewise regression (segmented regression) 분석은 sigmaplot 11.1을 이용하여 분석을 진행하였다. Breaking point x = c일 때 아래의 piecewise regression 모델이 사용되었다(Ryan & Porth, 2007).
완전미율 등의 외관품위는 Rice Quality Analyzer (RN300 model, Kett, Japan)을 이용하여 측정하였다. 단백질함량의 분석은 분쇄한 시료(종실) 250 mg을 Elementar Analyzer System (Vario Macro, Germany)을 이용하여 분석한 총 질소함량 값과 켈달장치를 이용하여 분석한 값을 비교하여 보정계수를 구하고 보정계수를 각 분석 값에 곱하여서 구하였다.
단백질함량의 분석은 분쇄한 시료(종실) 250 mg을 Elementar Analyzer System (Vario Macro, Germany)을 이용하여 분석한 총 질소함량 값과 켈달장치를 이용하여 분석한 값을 비교하여 보정계수를 구하고 보정계수를 각 분석 값에 곱하여서 구하였다. 호화특성은 Rapid-Visco Analyser (Newport Scientific Model RVA-4, Australia)를 이용하여 AACC Method 61-02에 의하여 peak viscosity (최고점도), trough viscosity (최저점도), breakdown (강하점도), final viscosity (최종점도)를 측정하였다.

성능/효과

지속강우가 처리되지 않은 종실에서는 등숙기 고온조건에서는 적온조건 대비 최고, 최저, 최종점도 및 강하점도가 증가하였으며, 치반점도가 감소한 결과를 보였다. 강우처리에 따라서 두 등숙기온도 조건에서 모두 수발아율 1% 까지는 최고점도가 다소 증가하였다가 그 이후부터는 감소하는 경향을 보였다.
먼저 강우를 처리하지 않은 조건에서 온도 별로 비교하였을 때 상대적으로 고온처리구에서 도정률 및 완전미율 자체가 낮았으며, 강우처리에 따라서는 수발아율이 증가하였을때 도정률 및 완전미율 감소 정도가 고온처리구에서 적온처리구 대비 컸던 결과를 보였다. 결국 동일한 강우조건에서도 등숙기 고온조건에서 도정률 및 완전미율이 훨씬 낮아 품질이 불량하게 되었던 결과를 확인할 수 있었다.
지속강우가 처리되지 않은 조건에서는 상대적으로 고온처리구에서 적온처리구 대비 싸라기가 약 7%, 분상질립이 1% 높아 완전미율이 감소하였으며, 강우처리에 따른 수발아율 증가 시 분상질립 및 싸라기의 증가로 완전미율이 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 등숙기 적온 처리구에서 강우처리 144시간 노출로 수발아가 24% 발생했던 종실에서는, 강우 처리전 대비 싸라기가 8% 증가되었는데, 고온 처리구에서는 96시간 노출에 따라서 수발아가 21%로 적온 처리구 대비 약 3% 더 낮게 발생 되었음에도 강우 처리전 대비 싸라기가 11% 증가되어, 고온처리구에서는 더 낮은 수발아 피해가 발생했음에도 불구하고 외관품위 감소율이 더 컸던 결과를 확인 할 수 있었다.
본 시험에서도 마찬가지로 상대적으로 등숙기에 고온인 조건에서 립중, 완전미율, 도정률이 감소하고, 단백질 함량, 분상질립 등이 증가하였던 결과를 확인하였다. 또한 수발아율 증가에 따라서 완전미율이 감소하였으며, 이는 싸라기 및 분상질립의 증가 때문이었다(Fig. 5). 이러한 분상질립의 증가는 단순 외관품이의 저하뿐만 아니라 이화학적 특성 변화에 크게 영향을 미친다.
온도에 따라서는 오대의 경우 등숙기 고온조건에서 단백질함량이 감소하는 시점(BreakPoint)이 적온 조건 대비 수발아율이 높은 조건이었지만, 그외 모든 품종에서는 등숙기 고온조건에서 감소 시점이 수발아율이 더 낮은 조건이었던 것을 확인 할 수 있었다. 또한 온도조건이 높을수록 수발아 발생율 증감에 따른 단백질 함량의 변이가 다소 컸던 결과를 확인할 수 있었다.
3, 4에 나타낸 바와 같다. 먼저 강우를 처리하지 않은 조건에서 온도 별로 비교하였을 때 상대적으로 고온처리구에서 도정률 및 완전미율 자체가 낮았으며, 강우처리에 따라서는 수발아율이 증가하였을때 도정률 및 완전미율 감소 정도가 고온처리구에서 적온처리구 대비 컸던 결과를 보였다. 결국 동일한 강우조건에서도 등숙기 고온조건에서 도정률 및 완전미율이 훨씬 낮아 품질이 불량하게 되었던 결과를 확인할 수 있었다.
, 2000; Tashiro & Wardlaw, 1991). 본 시험에서도 마찬가지로 상대적으로 등숙기에 고온인 조건에서 립중, 완전미율, 도정률이 감소하고, 단백질 함량, 분상질립 등이 증가하였던 결과를 확인하였다. 또한 수발아율 증가에 따라서 완전미율이 감소하였으며, 이는 싸라기 및 분상질립의 증가 때문이었다(Fig.
, 2020). 수발아 발생정도에 따라서 최고, 최종 최저 점도가 감소해 호화특성이 감소하였지만, 치반점도는 감소해 노화속도가 낮아지는 것처럼 보이는 결과를 나타내었다(Fig. 6). 하지만 이를 통해 호화특성이 감소하였지만 노화에 대한 지표가 좋아졌다고 하기 어려우며 이러한 결과는 추가적인 실험을 통해 구명할 필요가 있을 것으로 생각된다.
BreakPoint는 piecewise 회귀분석에 의하여 결정되는 계수로 회귀선의 기울기가 변이되는 시점을 나타낸다. 온도에 따라서는 오대의 경우 등숙기 고온조건에서 단백질함량이 감소하는 시점(BreakPoint)이 적온 조건 대비 수발아율이 높은 조건이었지만, 그외 모든 품종에서는 등숙기 고온조건에서 감소 시점이 수발아율이 더 낮은 조건이었던 것을 확인 할 수 있었다. 또한 온도조건이 높을수록 수발아 발생율 증감에 따른 단백질 함량의 변이가 다소 컸던 결과를 확인할 수 있었다.
5에 나타낸 바와 같다. 지속강우가 처리되지 않은 조건에서는 상대적으로 고온처리구에서 적온처리구 대비 싸라기가 약 7%, 분상질립이 1% 높아 완전미율이 감소하였으며, 강우처리에 따른 수발아율 증가 시 분상질립 및 싸라기의 증가로 완전미율이 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 등숙기 적온 처리구에서 강우처리 144시간 노출로 수발아가 24% 발생했던 종실에서는, 강우 처리전 대비 싸라기가 8% 증가되었는데, 고온 처리구에서는 96시간 노출에 따라서 수발아가 21%로 적온 처리구 대비 약 3% 더 낮게 발생 되었음에도 강우 처리전 대비 싸라기가 11% 증가되어, 고온처리구에서는 더 낮은 수발아 피해가 발생했음에도 불구하고 외관품위 감소율이 더 컸던 결과를 확인 할 수 있었다.
, 2006; Chun, 2009). 지속강우가 처리되지 않은 종실에서는 등숙기 고온조건에서는 적온조건 대비 최고, 최저, 최종점도 및 강하점도가 증가하였으며, 치반점도가 감소한 결과를 보였다. 강우처리에 따라서 두 등숙기온도 조건에서 모두 수발아율 1% 까지는 최고점도가 다소 증가하였다가 그 이후부터는 감소하는 경향을 보였다.
2에 나타낸 바와 같다. 출수 후 적산온도 1200℃시점에서 동일한 강우조건으로 144시간까지 처리했음에도 불구하고 등숙기 평균기온이 상대적으로 고온이었던 처리구에서 오대의 경우 8%, 조평은 13%, 대보는 24%, 하이아미는 17%, 새누리는 16%, 신동진은 22%까지 모든 품종에서 수발아 발생률이 증가한 것을 확인 할 수 있었다.

후속연구

한편 수발아 발생은 등숙기간 동안의 온도에 따라서 크게 달라진다. 이에 따라서 발생하는 전분립의 구조, 전분함량 및 ABA함량의 변이 등은 수발아 발생에 영향을 줄 것으로 생각되며, 특히 고온 등숙 시 수발아 발생율의 증가와 종실 전분립의 구조, 유리당 함량 등 종실 이화학적 특성 변이와의 관계에 대한 추가 적인 검토가 필요할 것으로 생각된다. 또한 고온등숙시 수발아 발생율이 증가하기 때문에 등숙기 고온에 노출되지 않도록 이앙시기를 조절하여 수발아 발생위험을 감소시켜야 한다.
, 2011). 추후 이러한 수발아가 발생된 종실의 유용기능성 물질을 분석하고 이를 활용 할 수 있는 방법을 고안하여, 농가에서 수발아 발생 종자를 활용 할 수 있는 방법을 제시하는 추가적인 실험이 검토될 필요가 있을 것으로 생각된다.
6). 하지만 이를 통해 호화특성이 감소하였지만 노화에 대한 지표가 좋아졌다고 하기 어려우며 이러한 결과는 추가적인 실험을 통해 구명할 필요가 있을 것으로 생각된다. 등숙기 온도 증가에 따라서 치반점도가 감소했지만 노화특성이 좋아지는 것이 아니었다는 다음과 같은 기존의 결과가 있다.

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Yao, D., J. Wu, Q. Luo, J. Li, W. Zhuang, G. Xiao, Q. Deng, D. Lei, and B. Bai, 2020. Influence of high natural field temperature during grain filling stage on the morphological structure and physicochemical properties of rice (Oryza sativa L.) starch. Food Chemistry 310 : 125718. doi:10.1016/j.foodchem.2019. 125817.

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Yang, W. H., T. S. Park, K. S. Kwak, K. J. Choi, and M. H. Oh. 2007. Association of duration and rate of grain filling with grain yield in temperate japonica rice (Oryza sativa L.). Korean Journal or Crop Science 52 : 112.
Zhang, Z., J. Chen, S. Lin, Z. Li, R. Cheng, C. Fang, H. Chen, and W. Lin. 2012. Proteomic and phosphoproteomic determination of ABA's effects on grain-filling of Oryza sativa L. inferior spikelets. Plant Science 185-186 : 259-273. doi:10.1016/j.plantsci.2011.11.012.

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Zhu, D., Z. Qian, H. Wei, B. Guo, K. Xu, Q. Dai, H. Zhang, and Z. Huo. 2019. The effects of field pre-harvest sprouting on the morphological structure and physicochemical properties of rice (Oryza sativa L.) starch. Food Chemistry 278 : 10-16. doi:10.1016/j.foodchem.2018.11.017.

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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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