보고서 정보
주관연구기관 |
국립식량과학원 National Institute of Crop Science |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2015-02 |
과제시작연도 |
2014 |
주관부처 |
농촌진흥청 Rural Development Administration(RDA) |
등록번호 |
TRKO201500010434 |
과제고유번호 |
1395038916 |
사업명 |
작물시험연구 |
DB 구축일자 |
2015-07-11
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201500010434 |
초록
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Ⅳ. 연구개발결과
1. 주요 밭작물 재배조건별 과습 피해기준 설정을 위한 검정지표 구명콩은 부정근 발생정도, SPAD값, 광합성 관련 형질 등을 분석한 결과 , 대풍콩이 황금콩에 비해 내습성이 강하고, 위 형질들의 내습성 검정지표 가능성 확인하였다. 담수기간이 길어질수록 생식생장단계의 진전이 더욱 지연되고 수량의 감소정도가 더욱 컸으며 5일간 담수처리 시 대풍콩은 40%, 황금콩은 64% 정도 감수하였다. 담수처리 기간이 길어질수록 피해립의 발생정도는 대풍콩에 비해 황금콩이 더욱 급격하게 증가하였으며, 15일간 담수처리 시 황
Ⅳ. 연구개발결과
1. 주요 밭작물 재배조건별 과습 피해기준 설정을 위한 검정지표 구명콩은 부정근 발생정도, SPAD값, 광합성 관련 형질 등을 분석한 결과 , 대풍콩이 황금콩에 비해 내습성이 강하고, 위 형질들의 내습성 검정지표 가능성 확인하였다. 담수기간이 길어질수록 생식생장단계의 진전이 더욱 지연되고 수량의 감소정도가 더욱 컸으며 5일간 담수처리 시 대풍콩은 40%, 황금콩은 64% 정도 감수하였다. 담수처리 기간이 길어질수록 피해립의 발생정도는 대풍콩에 비해 황금콩이 더욱 급격하게 증가하였으며, 15일간 담수처리 시 황금콩의 피해립은 42% 정도 발생하였다. 콩은 침수일 부터 5일 이내에 배수를 실시하여야 생육 및 수량의 피해를 최소화 할 수 있으며 침수일로부터 10일이 경과하면 수량이 65%이상 감소하였다. 담수처리 기간을 5일, 10일, 15일로 하였을 때의 대풍콩은 개체당 종실중이 각각 40%, 52%, 61%, 황금콩은 64%, 79%, 84% 정도 감소하였다. 개화 후 6일간 담수처리시 신기, 소명, 흑미가 습해 저항성이 강하게 나타났고, 대원, 명주나물, 대흑은 습해에 약하게 나타났다. 옥수수는 일액량(xylem sap)의 분석을 통한 뿌리의 활력을 조사한 결과 광평옥이 강다옥에 비해 내습성이 강하고, 위 형질들의 내습성 검정지표 가능성 확인하였고, 담수처리로 인해 생육이 지연되어 출사 지연과 이삭발육이 저하되고, 암이삭 발육이 대조구보다 5일 처리는 3일, 10일 처리는 6일, 15일 처리는 8일 지연되었다. 담수기간이 길어질수록 강다옥이 광평옥에 비해 이삭중과 이삭장의 감소정도와 피해립 비율이 커지는 등 종실의 외관품위 손상이 더욱 컸다. 담수기간이 길어질수록 옥수수 수량의 감소정도가 더욱 컸으며, 5일간 담수처리 시 광평옥은 11%, 강다옥은 36% 정도 감수하였고, 출사 후 6일간 담수처리 시 광평옥, 양안옥은 습해저항성이 강하게, 강다옥, 신강옥은 약하게 나타났고, 4품종 모두 담수처리 후 이삭크기가 감소하였다.
나. 대사산물의 Profiling을 통한 내습성 기작 구명
습해처리에 따른 유묘기에 옥수수 식물체의 길이 및 생체중의 무게를 측정한 결과가 Table 2-1이다. 습해처리에 따라 광평옥 길이는 무처리에서 45.3cm이었으며, 습해처리 기간이 진행될수록 감소하여 8일간 처리할 경우 29.3cm였다. 강다옥도 광평옥과 비슷한 경향을 나타내었으나 광평옥보다 빠른 옥수수 식물체 길이의 감소를 나타내었다.
또한 옥수수 식물체의 생체중을 비교하였을 때도 광평옥과 강다옥 모두 식물체 길이 변화와 거의 같은 경향을 나타내고 있었다. 따라서 습해처리에 따른 생장 감소시 옥수수 식물체 내에 효소활성 변화를 측정하기 위하여 ADH activity, LDH activity, α-amylase activity, β-amylase activity을 측정하였다.
옥수수 유묘기에서 담수처리 후 ADH 효소 활성을 비교한 것이 Fig. 2-2이다. ADH 효소 활성은 광평옥과 강다옥 모두 3일간 과습처리시에 무처리에 비하여 활성이 감소하였지만, 5일 및 8일에 ADH activity에서 광평옥은 증가하였고 강다옥은 감소하는 결과를 나타내었다. Kennedy et al (1992)는 옥수수의 생장에 있어서 ADH가 필수적인 요소는 아니지만 담수상태에서 생존시에는 반드시 필요한 효소라 하였다. LDH는 몇몇 식물 종에서 무산소 상태에서 유발되는 효소라는 보고가 있는데(Hook and Crawford, 1978), 본 실험에서는 LDH activity 평가에서 광평옥과 강다옥 모두 습해 초기 조건에서부터 모두 대조구에 비해서 증가하는 경향을 나타내었다. 산소 결핍상태에서 대사체의 반응은 탄수화물의 이용성과 이동성에 의해 통제되며(Drew. 1997). 낮은 산소나 습해 조건에서 amylase의 유도는 전분에서 당으로 전환을 촉진시킨다. Abdelbagi et al.(2009)는 습해에 저항성을 가진 식물체에서 amylase 활성과 줄기 신장, 뿌리 길이 식물 생존과 정의 상관관계를 가진다고 하였다.
습해 처리에 따른 α-amylase activity 활성 변화에서 광평옥은 습해 상태에서 3, 5, 8일 조사 결과 대조구에 비해서 활성이 모두 크게 나타났다. 그러나 강다옥의 경우에는 습해 상태 초기부터 대조구에 비해 활성이 낮은 것으로 평가되었다. β-amylase activity 활성의 경우 광평옥과 강다옥 모두 생육초기 과습처리기간이 길어질수록 대조구에 비해 모두 활성이 높은 것으로 나타났다. 일반적으로 광평옥이 강다옥에 비해서 습해 등 불량환경에서 보다 안정적인 생육상황을 보이는 것으로 알려져 있다. 또한 본 실험에서도 옥수수 식물체 길이와 생체중에서도 강다옥에 비해서 광평옥의 과습 조건에서 감소폭 반응이 늦었다. 과습상태에서 옥수수 2가지 품종인 광평옥과 강다옥을 이용한 효소 활성 변화 분석이 ADH activity, LDH activity, α-amylase activity, β-amylase activity을 이루어졌다. 이번 연구에서는 ADH 와 α-amylase activit가 광평옥과 강다옥의 생장과 비교했을 때 차이를 나타내었다. ADH가 식물체의 혐기적 상태에서 ethanol을 acetaldhyde로 환원시키는 가장 중요한 효소라고 보고 되었는데 (Liu and Porterfield, 2014), 본 실험에서도 광평옥이 강다옥에 비해서 생장량이 감소가 적은 것은 ADH 활성 정도와 관련 있는 것으로 생각되지만 이에 대한 정밀한 연구가 필요할 것으로 생각된다. 또한 Fukao et al. (2006)은 침수된 벼 잎에서 α-amylase 유전자 발현이 조절되며, 그 결과 침수된 식물체에서 탄수화물 함량 수준은 호르몬에 의해서 조절된다고 하였다. 본 실험에서는 과습상태에서 옥수수 품종간 차이가 나타났으며 α-amylase 활성 변화와 옥수수 식물체의 길이와 생체량을 비교했을 때 강다옥에 비해서 광평옥이 α-amylase 활성이 높아 이러한 결과가 옥수수 식물생장량과 관련이 있을 것으로 생각되어졌으며 이에 대한 연구가 더 필요할 것으로 생각된다. 따라서 이러한 효소 활성과 옥수수 식물체의 과습과의 관계가 분자적 수준에서 연구가 더 필요하며, 이러한 정보가 옥수수 내습성 품종 개발연구의 기초 자료로 제공 되어 품종개발에 기초자료로 이용할 필요가 있다. 옥수수를 이용한 온도별 과습처리에 땨른 발아양상을 조사하였다. 15℃에서 과습 처리와 무처리에 따른 발아양상에는 큰 차이을 보이지 않았다. 20℃에서 무처리에서 과습처리에 비해 발아율 및 생장이 좋았다. 발아율 조사에서 무처리에 비해 과습처리시 발아율이 낮은 경향을 나타내었다. 온도에 따라서는 과습처리시 발아율은 온도가 15℃보다는 20℃에서 매우 높은 경향을 나타내었다. 황금콩과 대풍콩을 이용한 과습 및 온도에 따른 발아율에서도 옥수수와 같은 경향을 나타내었고, 조품밀과 금강밀에서도 역시 같은 경향을 나타내었다. 그러나 옥수수의 경우 온도가 낮을 때 콩, 밀과 비교시 더욱 낮은 발아율을 나타내었다. 일반적으로 LDH 활성은 과습처리에 비해 무처리에서 발아일수가 진행 될수록 증가하는 경향을 나타내었다. 낮은 온도(15℃)에서 과습처리시 ADH 활성은 발아 2일을 기점으로 모두 감소하는 경향을 나타내었다. 높은 온도(20℃)에서는 과습처리시 ADH 활성이 증가하였지만 무처리에 비해서는 증가율이 매우 낮았다. LC/MS/MS을 이용한 IAA, Jasmonic acid, Salicylic acid 식물 호르몬분석을 실시한 결과, IAA 함량은 담수처리에 비해 무처리에서 함량이 모두 증가하는 경향을 나타내었으며, 특히 높은 온도에서 과습처리할 경우에 호르몬의 함량이 높아지는 것으로 분석되었다.
다. 밭작물의 과습 상태에 따른 유전자 발현 패턴구명
두 품종 모두 담수처리 기간에 따라 부정근 발생이 많았고, 대풍콩이 황금콩보다 많이 증가하였다. 두 품종(대풍/황금)의 담수처리 시기별 단백질의 발현 Pattern을 SDS-PAGE로 확인한 결과 1, 3, 4번 단백질은 담수처리 기간에 따라 증가하였고, 대풍에서는 2, 5번 단백질이 감소하였다. 담수처리 기간에 따른 콩의 2-DE 분석을 통한 단백질 발현패턴을 보면 대풍콩의 담수처리 기간에 따른 단백질 발현을 보면 1, 3, 4 spot은 처리기간이 경과함에 따라 발현량이 증가하였고, 2, 5 spot은 처리기간에 따라 감소하였다(Fig 3-3). 담수처리 기간에 따라 황금콩은 1, 3, 5 spot만 증가하였다. 정상지하수위에서만 발현되는 특이 단백질은 추후 검토를 통하여 과습 또는 습해 저항성 선발 지표로 활용이 가능할 것으로 판단되어진다. 대풍콩, 황금콩 모두 15일간 담수처리에 의한 단백질 발현 패턴에 차이가 있는 spot중 11개와 대풍콩에서만 감소하는 2개의 spot을 찾았다. 정상 지하수위에서만 발현되는 특이 단백질은 추후 검토를 통하여 과습 또는 습해 저항성 선발 지표로 활용이 가능할 것으로 보여진다. 두 품종 모두 담수처리 기간에 따라 부정근 발생이 많았고, 대풍콩이 황금콩보다 많이 증가하였다. 대풍콩과 황금콩의 담수처리 시기별 단백질의 발현 Pattern을 SDS-PAGE로 확인한 결과 총 13종의 단백질 발현이 뚜렷하였는데 1, 3, 4번 단백질은 담수처리 기간에 따라 증가하였고, 대풍에서는 2, 5번 단백질이 감소하였다. 대풍콩의 담수처리 기간에 따른 단백질 발현을 보면 1, 3, 4 spot은 처리기간이 경과함에 따라 발현량이 증가하였고, 2, 5 spot은 처리기간에 따라 감소하였고, 황금콩은 1, 3, 5 spot만 증가하였다. 정상 지하수위에서만 발현되는 특이 단백질은 추후 검토를 통하여 과습 또는 습해 저항성 선발 지표로 활용이 가능할 것으로 판단되어진다. 담수처리에 따른 콩 단백질 13개를 MALDL-TOF MS 분석한 결과 6번은 이소플라본과 13번은 레그 헤모글루빈에 관여하는 것으로 나타났다. 담수처리에 따른 콩 단백질 유전자 Gene Ontology분석을 통해 13개의 단백질이9개의 functional category 열로 나누어짐을 확인하였다. 담수처리에 따른 콩 뿌리를 Isoflavone RT-PCR 결과 황금콩보다 대풍콩에서 담수처리 기간이 길수록 높게 나타났다. 담수처리에 따른 콩 뿌리를 Leghemoglobin RT-PCR 결과 황금콩보다 대풍콩에서 담수처리 기간이 길수록 높게 나타났다. 생육기간에 따른 근류 변화(대조구) 분석해보면 생육일수가 증가함에 따라 근류 내무의 레그헤모글루빈이 급격히 증가하고 파종 후 60일이 지나면 밀도가 최고에 달한다. 황금, 대풍콩 모두 담수처리 후 5일부터 근류 세포 내의 레그헤모글루빈이 증가하고, 15일 처리구에서 가장 밀도 높다.
Abstract
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The climate change such as high temperature, cold weather damage, flooding, drought stresses and other disasters were reported that cause to reduce productivity of soybean and corn. One of the climate changes, flooding is severe environment factor that effect on upland crops in paddy field during th
The climate change such as high temperature, cold weather damage, flooding, drought stresses and other disasters were reported that cause to reduce productivity of soybean and corn. One of the climate changes, flooding is severe environment factor that effect on upland crops in paddy field during the early growth of soybean and corn. Therefore, physiological studies were needed for elucidating the reducing degrees of the growth and yield of soybean by flooding. In this study, we used 2 soybean cultivars (Daepung & Hwanggumkong) which were planted at 5 June 2013. In this study, we used 2 corn (Kwangpeonok & Gangdaok) which were planted at 10 April 2013. And then, they were treated with flooding at early growth stage(V3 stage) for 5 days, 10 days and 15 days, respectively. The growth responses of soybean plants after treatment with flooding were investigated with 1/5,000 plastic pot. Waterlogging for 5 days did not effect on the flowing and grin filling in Daepung cultivar. Waterlogging for 10days causing flowering time delay and reducing photosynthesis because nutrients may be not moved from source to sink, and nitrogen deficiency in leaves may be caused by flooding. Waterlogging for 15days at R5~R6 stage, growth of Daepung and Hwanggumkong cultivar is delayed around 5 and 8 days, respectively. The longer the waterlogging caused more severe and rapidly grain size and weights in Hwanggumkong cultivar compared to the Daepung cultivar. Waterlogging for 15days caused approximately 42% grain damage in Hwanggumkong cultivar. Waterlogging for 5, 10 and 15days the seed weight of Daepung cultivar were decreased around 40%. 52% and 60% respectively, whereas seed weight of Hwanggumkong cultivar were decreased around 64%, 79% , and 84% respectively. Waterlogging for 15days at flowering stage, growth of Kwangpeonok and Gangdaok cultivar is delayed around 8 days, respectively.
Waterlogging for 5, 10 and 15days the seed weight of Kwangpeonok were decreased around 11%. 38% and 56% respectively, whereas seed weight of Gangdaok were decreased around 30%, 55% , and 89% respectively.
This study was carried out to evaluate the change of upland crop under the flooding condition. In this study, maize, soybean and wheat were subjected by flooding stress. at enzyme activities (ADH activity, LDH activity, α-amylase activity, β-amylase activity), phenolic compound, hydrocarbone and plant hormone etc. In enzyme activities, ADH and α-amylase activity showed the difference of enzyme activity betweem Kwangpyeongok and Gangdaok. Kwangpeonok showed that ADH and α-amylase activity under the flooding condition were the high enzyme activity compared as non flooding treatment. In plant hormone, IAA, jasmonic acid and salicylic acid were increased at high temperature. Major phenolic compounds were detected by pyrogollol, bezonic acid, gentisic acid protocatechuic acid,gentisitc acid, coumaric acid and salicylic acid in maize. Important phenolic acids of soybean and wheat were gentisitc acid, coumaric acid, salicylic acid, coumairc acid, hydrobenzoic acid and ferulic acid. Also, the detected hyrodcarbone under flooding condition was 8 type including undecanoic acid, methyl ester and hexadecanoic acid.
Understanding the complex response mechanism of a crop to flooding is the major step in the developing of tolerant genotypes. Therefore, physiological studies were needed for elucidating the reducing degrees of the growth and yield of soybean by flooding. In this study, we used 2 soybean cultivars (Daepung & Hwanggumkong) which were planted at 5 June 2013. And then, they were treated with flooding at early growth stage(V3 stage) for 5 days, 10 days and 15 days, respectively. The growth responses of soybean plants after treatment with flooding were investigated with 1/5,000 plastic pot. The ubsequent analysis of their physiological parameters revealed a decreased relative leaf water content, net CO2 assimilation rate, and water use efficiency, resulting in severe growth retardation of leaf area, stem length and width, aerial part, and root waterlogging matter at 5, 10 and 15 days after withholding water. To understand the proteome dynamics during the 5, 10, 15-day waterlogging stress in 2 soybean cultivars (Daepung & Hwanggumkong), comparative proteome analysis was carried out between the well-watered and waterlogging-treated leaves. Proteins were extracted using phenol extraction method from leaves with/without waterlogging, and then separated by 2-DE. After 2-DE gel analyses, 13 differentially expressed protein spots were identified by MALDITOF mass spectrometry. Out of 13, eleven and three protein spots were found to be up- or down-regulated, respectively. Interestingly, stress-related proteins such as glutathione S-transferase, abscisic stress-ripening proteins, and pathogenesis-related proteins were increased by flooding. Our study may provide molecular mechanisms and selective markers for waterlogging tolerant soybean genotypes.
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