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국화 원종은 전세계에 약 200여종이 분포한다고 알려져 있 으며(Hodgins et al. 2014), 식물은 기본염색체 수가 9개 이며 배수성은 2배체에서 10배체까지 다양하고 이형접합성이 높고 유전체 크기가 9.4Gb 이상으로 거대하다(Won et al. 2016). 재배 국화(Dendranthema grandiflourm Kitamura)는 감국 과 구절초의 자연교잡 등에 의해 장기간 육성되어 6배체 (2n=6x=54)로 추정되고 있다. 뿐만 아니라 이수성이 높아 체 세포에 47~63개의 염색체가 존재하는 것으로 보고되어 있고 whole genome duplication(WGD)이 발생하여 복잡한 유전체 구조 양상을 보인다(Anderson and Main 2006;Barker et al. 2008;Won et al. 2016;Zhang et al. 2014). 다양한 생태적 특성, 자가불화합성과 자식약세 현상을 가지고 있다(Won et al. 2016).
절화 국화는 우리나라에서 재배면적 303ha, 생산량 112백 만본, 생산액 37,675백만원이며 분화 국화는 44ha, 7백만분, 8,414백만원, 국화 종자는 5L, 170백만원이나 화단용, 식용 등 에 대한 별도의 통계자료는 집계되지 않고 있다(MIFAFF 2020). 2020년 재배현황에서 전년도 대비 절화 국화의 경우 면적 2%, 생산량 15.9%, 생산액 19.5%이 감소하였으며, 분화 국화는 면 적 2%, 생산액 6.0% 감소하였다. 하지만 코비드-19 팬데믹 이 후 실내 인테리어, 정서적 교감 및 일상생활 제약 극복 등 분 화류의 관심을 반영하여 오히려 분화 국화의 생산량은 4.3% 증가하였다(MIFAFF 2020).
경상남도농업기술원 화훼연구소에서는 홑꽃 화형의 가야시 리즈, 아네모네 화형의 돌연변이 품종 에그시리즈, 홑꽃 중형 화형의 하모니시리즈, 겹꽃 화형의 펄시리즈, 겹꽃 중형 화형 의 코로나시리즈 등 품종을 육성하여 농가에 보급하고 있으며 국내 생산량의 70%를 점유하고 있다.
분화 국화의 경우 유통 시 다양한 화색을 가진 4~5개의 품 종들을 박스 당 20개를 넣어 시장에 출하하고 있다. 화형과 화색의 다양성을 가지고 개화기, 초장 등이 균일하면 유통 상 품성이 향상이 되나 품종 별로 생태적 특성이 다르므로 적합 한 품종들을 선발하기가 어렵다. 또한, 높은 배수성과 복잡한 유전양상으로 인하여 같이 출하하는 품종 육성은 기존의 교잡 육종으로 달성하기 어려운 부분이 있다.
돌연변이 육종은 소수 형질의 특성변화를 인위적으로 유도 하여 육종연한을 단축시키고 효율을 높인다. 돌연변이 품종은 71개국 220종 3,232계통으로 식량작물이 약 67%, 화훼류 및 관상식물이 22% 차지하고 있다. 화훼류 돌연변이는 국화, 장 미, 다알리아, 알스트로메리아 등에 적용되어 육성되고 있다 (FAO/IAEA META 2016). 국화는 균일하고 안정적 처리가 가 능하고 20~40Gy 감마선 처리에 의해 특정형질 돌연변이 유기 가 가능하다(Goo et al. 2003;Tanaka et al. 2010). 특정형질 만 변이된 패밀리 품종을 육성 및 재배 시 재배관리와 박스 구성에 용이하다.
따라서 본 연구는 조기개화성과 꽃 관상기간이 긴 특징을 가진 분홍색 아네모네 화형의 ‘포인트에그’ 품종의 감마선 처 리를 통해 개화기, 화색, 화형은 유사하나 꽃과 잎, 초장이 커 진 ‘솔라에그(Solar Egg)’ 품종을 육성하였다. 이에 그 육성과 정과 주요 특성을 알리고자 한다.
재료 및 방법
분화용 국화 감마선 처리는 2015년 7월에 분홍색 아네모네 화형 ‘포인트에그’ 품종의 삽수를 500본 사용하여 한국원자력연 구원 첨단방사선연구소(Advanced Radiation Technology Inst., Korea)에서 20Gy 선량으로 처리 한 후 2주간 삽목하였다. 삽 목된 개체는 화훼연구소 국화온실에서 15cm 화분에 정식하여 화색, 꽃크기 등 형질이 변화된 2개체(PE15-1, 2)를 선발하여 꽃잎 조직배양을 실시하였다. 2016년 조직배양으로 획득한 2 개체의 배양묘를 순화하고 15cm 화분에 정식하여 삽수를 획 득하여 계통번호를 부여하였다. 2개의 계통은 10cm 화분에 정식하여 증식 후 비닐 온실에서 농촌진흥청 표준재배법에 준 하여 재배하였다. 특성검정 결과 분홍색 꽃잎과 적자색 화심 색이 안정되고 특성이 우수한 PE15-1를 1차 우수개체를 선발 하고 2017년부터 2018년까지 총 3회의 특성검정을 거쳐서 안 정성, 균일성에 대한 연차별 재연성, 주년 재배성 및 생산자와 소비자 기호성 평가를 통해 품종등록을 하였다. ‘솔라에그’와 대조품종인 ‘포인트에그’ 간 변이품종의 생육 및 개화특성을 조사하기 위하여 발근된 모종을 원예용 상토로 채운 10cm 화 분에 정식하여 2주간 장일조건의 온실에서 생육을 시켰다. 자 연일장에서 재배는 2018년 8월 16일 정식하여 비닐온실의 자 연일장에서 재배하여 개화와 품질을 조사하였고 봄 재배는 2020년 4월 17일 10cm 화분에 정식하여 장일처리하고 2020 년 5월 13일부터 13시간 암기처리하여 개화와 품질을 비교 조 사하였다. 가변특성 조사를 위하여 정식 1주후 적심하고 적심 일에 13시간 암기처리 하였으며 적심 후 1, 3주에 생물생장억 제제인 Daminozide 2,000mg·L-1 농도로 각 1회 엽면에 분무 하여 생육과 개화특성을 조사하였다. 분화 국화의 고유특성과 가변특성은 2003년 농촌진흥청의 조사기준(RDA 2003)과 영 국 왕립원예학회 칼라차트를 이용하여 조사하였다. ‘솔라에그’ 의 품종 출원과 심사를 위한 특성검정은 2003년 국립종자원 신품종 특성조사 기준(KSVS 2003)에 준하여 실시하였다.
배수성 분석
배수성 증가 여부를 분석하기 위하여 분화국화의 어린 잎 을 5~10mm2의 크기로 잘랐다. 페트리디쉬에 0.5mL의 nuclei extraction buffer(Sysmex, Germany)를 넣은 후 칼날로 잘 게 조각 내었다. 시료 용액을 30μm 필터으로 여과한 후 2mL staining buffer으로 염색하여 CyFlow® Ploidy Analyser(Sysmex, Germany)로 DNA 함량을 조사하였다.
RAPD 및 전기영동
분화국화의 genomic DNA을 추출하기 위해 신선한 잎에 액체질소로 급속동결 시킨 후 막자사발을 이용하여 조직을 곱 게 파쇄하였다. 파쇄한 조직은 파쇄한 조직은 i-genomic plant DNA extraction(iNtRON Biotechnology, Korea) 키트를 이용 하여 게놈 DNA를 추출하였다. 추출한 DNA는 1% 아가로스젤 (Invitrogen, USA)을 이용한 전기영동에서 추출 상태를 확인 한 후 BioSpectrometer fluorescence(Eppendorf, Germany)으 로 정량 후 20ng·μL-1로 희석하여 PCR 분석에 사용하였다.
RAPD(Random Amplified polymorphic DNA) PCR 반응은 50ng의 주형 DNA, 10mM Tris-HCl, 50mM KCl, 200μM dNTP, 1.5mM MgCl2, 0.5unit e-Taq polymerase(Solgent, Korea), 10pmole의 Primer가 포함된 25μL의 PCR 반응용액을 이용하 였으며, 48종 Premade Random Primer(Bioneer, Korea)를 사 용하였다. 95℃에서 5분간 반응시킨 뒤 94℃에서 30초, 40℃ 에서 30초, 72℃에서 1분 30초 조건으로 35반복하였으며 마지 막 반응은 72℃에서 5분간 수행하였다. 반응산물은 SafeView (ABM, Canada)가 포함된 Agarose gel(1.5%)에 전기영동 하여 확인하였다.
세포크기와 개수 측정
식물체 꽃잎의 표피세포와 잎의 책상세포 관찰은 ‘포인트에 그’와 ‘솔라에그’ 품종을 삽목하여 온실에서 2주간 재배하였다. 발근된 식물체는 온도 22℃, 습도 60%, 광량 280μ㏖·m-2·s-1, 주간 11시간과 야간 13시간의 식물공장에서 재배하였다. 재배 된 분화 국화의 기부에서 3번째 성숙된 잎과 완전 개화된 꽃 의 외각에서 3번째 꽃잎을 수집하여 사용하였다. 수집된 잎의 중앙을 0.5cm2 크기로 잘라서 잎 조각을 만들고 슬라이드글라 스 위에 커버글라스를 덮고 평탄화하여 조직을 고정시킨 뒤에 광학 현미경(Carl Zeiss, DE/Axioplan 2, Germany)을 사용해 책상 세포와 꽃잎 표피 세포를 100배, 200배 배율로 단위면적 1,370,000㎛2(13.7㎝2) 내에서 세포의 수와 크기를 관찰하였다.
결과 및 고찰
육성경위
소비자 기호도가 높고 꽃 관상 기간이 긴 ‘포인트에그’의 화 형, 화색 등 유용 형질이 변화된 품종을 육성하기 위해 2015 년 한국원자력연구원 첨단방사선연구소에서 20Gy의 감마선을 처리하였다. 꽃이 커지고 화색의 변화가 있는 2개의 변이체를 선발하여 기내조직배양을 통해 재분화 시켰다. 유기된 식물체 를 유리온실에서 순화한 뒤 정식하여 1차 선발을 실시하였다. 원품종과 비교하여 특정형질이 다른 2계통(PE15-1, PE15-2)을 선발하고 최종 특성검정을 통해 우수 계통 ‘PE15-1’을 선발하 였다. 선발된 ‘PE15-1’은 2017년부터 2018년까지 3회에 걸쳐 균일성, 연차별 재현성에 대한 특성검정을 실시하고 2018년 경상남도종자심의회 상정 후 심의를 통과하여 ‘솔라에그’로 명 명하였다. ‘솔라에그’는 식물신품종보호법 54조에 의거하여 2019년 1월 28일 본 품종에 대한 품종보호권을 출원(출원번 호 제2019-70)하였고, 2021년 5월 10일 최종등록(품종보호 제 8569호) 되었으며 품종의 육성과정은 Fig. 1에 제시하였다.
주요특성
‘솔라에그’는 아네모네 화형으로 화색이 분홍색(84D)이고 화심의 색깔은 적자색(59B)인 분화용 국화이다. 잎은 짙은 녹 색(N137A)이고 줄기 강도가 강하여 식물체가 단단한 편이다 (Table 1, Fig. 2). 감마선 처리에 의해 ‘포인트에그’에서 돌연 변이로 육성된 품종이며 꽃 크기와 초장이 커지고 화형, 화색, 잎, 줄기 등 주요 형태적 특성은 전반적으로 ‘포인트에그’와 매 우 유사하다. 자연재배 조건에서의 ‘솔라에그’는 개화기는 10 월 20일경으로 대조품종 ‘포인트에그’와 비슷하였다. ‘솔라에 그’의 초장은 34.2cm로 대조품종 ‘포인트에그’보다 6.4cm 크 고, 꽃의 직경과 꽃의 중심부 직경 또한 ‘포인트에그’에 비해 1.1cm, 0.6cm로 더 큰 편이었다. 꽃잎수는 대조품종과 비슷 하고 착화수는 13.3개로 이로 대조품종인 ‘포인트에그’보다 5.7개 적었다(Table 2). 춘계재배에서 단일 처리를 했을 때에 도 ‘솔라에그’가 ‘포인트에그’에 비해 초장, 꽃의 직경 및 꽃의 중심부 직경이 더 크나 착화수가 적은 경향을 보였다(Table 3)
‘솔라에그’의 가변특성을 보면 개화소요일수는 평균 42일 정도로 짧아 조기개화성 품종이며 대조품종과는 큰 차이를 보 이지 않았다. 초장은 18.9cm로 대조품종 보다 3.3cm, 꽃직경 은 3.3cm로 대조품종 보다 0.6cm 크다. 분지수와 착화수는 대조품종과 유사했고 봄 재배와 가을재배에서 개화소요일 변 화는 적어 연중개화가 가능한 품종이다. 3회에 걸친 특성검정 에서 방사선 처리에 의한 유용 형질의 변이가 안정적으로 발 현이 되고 다른 변이는 발현되지 않았다(Table 4).
배수성 및 유전자 분석
관상용 식물에서 동질배수성의 증가는 기관의 크기, 내충성 및 가뭄 저항성 등에 영향을 끼친다(Manzoor et al. 2019). 솔 라에그’의 꽃, 잎 등 기관 크기 변화가 배수성 증가와 연관성 이 있는지 배수성을 분석하였다. 재배용 국화품종은 대부분 6 배체로 이수체를 다수 포함하고 있으나 정확한 염색체 수에 대한 연구가 많지 않다. 6배체로 알려진 화단용 국화 ‘누리 볼’(Kim et al. 2015)을 100으로 기준하여 ‘포인트에그’와 ‘솔라 에그’의 배수성 변화를 분석하였다. ‘포인트에그’와 ‘솔라에그’ 는 화단용국화 ‘누리볼’보다 nuclei population이 앞쪽에서 나 타나는 것을 보아 6배체보다 배체수가 적거나 염색체 크기가 작을 가능성을 나타낸다(Fig. 3). ‘포인트에그’와 ‘솔라에그’의 nuclei population 차이가 거의 없는 것을 보아 배수성 증가에 의한 표현형 변화가 아닌 것으로 나타났다.
방사선에 의한 돌연변이는 무작위로 DNA 손상을 유도하여 점돌연변이 또는 역위, 전좌, 중복, 결실 등 염색체 이상이 야기 되는 것으로 알려져 있다(Tankaka et al. 2010). 모본인 ‘포인트 에그’와 돌연변이체 ‘솔라에그’의 유전자 변화 양상을 확인하기 위해서 염색체 DNA기반의 Random amplified polymorphic DNA(RAPD)로 분석하였다. 총 48종의 RAPD 프라이머를 이 용하여 ‘포인트에그’와 ‘솔라에그’간의 DNA 밴드 패턴을 비교 하였을 때 DNA 단편의 크기, 수 등 일정한 패턴 양상을 보였 고 특이적으로 증폭되는 밴드는 없었다(Fig. 4, Table 5). 분석 을 통하여 ‘솔라에그’는 염색체의 큰 변화보다는 ‘포인트에그’ 의 유전자 일부가 변형되어 꽃의 대형화가 유도되었을 것이라 고 사료된다.
세포크기 분석
‘솔라에그’와 ‘포인트에그’간의 생육단계별 비교에서는 화아 분화, 분지 발생 시기, 개화시기 등 식물 분화 과정 차이는 거 의 보이지 않았다. 꽃, 잎 크기 등 차이점을 보기 위해서 ‘솔라 에그’와 ‘포인트에그’의 꽃잎 표피세포와 잎 책상세포를 관찰 하였다. ‘솔라에그’의 꽃잎 세포 수는 동일면적당 평균 22개가 더 많았으며, 세포의 크기는 평균 13.5㎛가 작았다(Fig. 5). 잎 에서도 ‘솔라에그’에서 세포 수가 많고 크기가 작은 경향을 보 였다. 따라서 ‘솔라에그’는 ‘포인트에그’의 감마선 유기과정에 서 배수성 증가, 유전적 큰 변화, 분화과정 이상 등 보다는 세 포분열과 관련된 유전자 또는 경로 등의 변화로 세포 수가 증 가되어 꽃과 잎의 크기가 증가된 형태적 특징에 영향을 준 것 이라고 추정된다. 향후 상호간의 유전체 분석 등을 통해서 관 련 연구가 필요할 것으로 보인다.
재배상 유의점
‘솔라에그’는 자연일장에서는 10월 20일경에 개화하는 추국 이며 일장조절에 의해 연중재배가 가능하나 하계 고온기 재배 는 고온으로 개화가 늦어지고 화색이 탈색되는 경우가 많다. 이 시기에는 한 낮에 차광이 필요하고 환풍기를 통한 공기순 환과 포그 처리 등으로 온도를 낮추어 주어야 품질이 좋아진 다. 화분재배 할 경우 초장조절을 위해 생육억제제의 처리가 필요하며 분지수가 조금 적어 10cm 화분에 재배 할 경우 3~4 주를 심어야 충분한 꽃을 확보할 수 있다.
유용성
분화국화는 수입 꽃과 경쟁이 심한 절화와 다르게 국내 생 산량과 소비량에 의해 가격이 결정되고 반려식물과 정원용 소 비량이 늘어나고 있어 우수한 품종 확보와 고품질 생산이 가 능한 농가에서는 고소득이 가능한 작목이다. 주로 가을(8월 중순~11월 상순)에 출하되며 재배기간이 짧고 밀식재배가 가 능하며 유통이 용이하다. 그러나 출하가 가을에 편중되고 고 온, 장마 등 환경변화에 영향을 많이 받아 출하량과 가격변동 이 큰 편이다.
2019년 12월 중에 통상실시권으로 국내 종묘업체에 매각 하였으며 2021년에 김해, 고양 등 10여 농가에서 1ha 정도 재 배되고 있다. ‘솔라에그’는 ‘포인트에그’에서 초장과 화형이 커 진 돌연변이 품종으로 다른 화색의 ‘에그시리즈’와 같이 재배 하여 출하하면 개화기와 초장이 유사해 박스 출하 시 상품성 을 높일 수 있다.
