특성평가 정보를 활용한 보리 유전자원 형태적 형질 다양성의 통계적 분석 = A Statistical Analysis of Phenotypic Diversity Based on Genetic Traits in Barley Germplasms

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Abstract - The biodiversity research of barley, a functional food, is proceeding to conserve germplasms and develop new cultivar of barley to improve its functional effects. In this study, with 25,104 barley germplasms in the National Agrobiodiversity Center, South Korea, the biodiversity index of species was much lower (1.17) than the origins (24.73) because of the presence of a biased species, Hordeum vulgare subsp. vulgare, but the species and origin of germplasms were significantly different with regard to genetic traits. In the clustering analysis based on genetic traits, we found that 97% barley germplasms could mostly be distributed between 1~7 clusters out of a total of 15 clusters; ‘normal and uzu type’, ‘lodging’, and ‘loose smut’ were commonly represented in the 1~7 clusters and some clusters showed specific differences in five genetic traits including ‘growth habit’. In correlation of each genetic trait, the infection of ‘barley yellow mosaic virus’ was highly correlated to ‘number of grains per spike’. ‘1000 grain weight’ was weakly correlated with seven genetic traits including ‘number of grains per spike’. Our analysis for barley’s biodiversity can provide a useful guide to the species’ phenotypes that need to be collected to conserve biodiversity and to breed new barley varieties.

국문 초록 (Abstract)

적 요보리는 베타글루칸, 폴리페놀, 안토시아닌 등을 이용한 건강식품 소비 증가로 최근 관심이 높아지고 있다. 따라서 보리에 대한 수요자의 기호에 맞춘 기능성 품종개발과 소재로서 유전자원 활용성을 증대시키기 위해서는 자원의 특성 분석과 종, 원산지과의 관계, 군집화(Clustering)을 통한 유사성과 대표성, 형질 간의 상호관계 등과 같은 유전자원의 다양성 연구가 선행되어야 할 것이다. 본 연구는 농업유전자원센터에서 보존하고 있는 보리 25,104 유전자원(25종, 국적미상을 포함한 102개 원산지)을 대상으로 종과 원산지에 따른 다양성 분석을 수행하였다.
특히 종에 대한 작물 유효수(ENCS)는 1.17로 원산지(24.73)에비해 매우낮게 나타났다. 이는 보존하고 있는 보리 유전자원의대부분이 Hordeum vulgare subsp. vulgare 로 확인되었는데, 원산지에 비해 보존 자원이 특정 종에 편중된것을 알 수 있지만, 형태적으로 구분한 20가지 특성평가 항목에 대하여 종과 원산지에 따라 유의적인 차이(P-value < 0.05)가 검정되었다. 비록종 다양성은 낮지만 종과 종간의 차이와 종 내에서도 다양한 특성이 존재함을 추정할 수 있었으며, 이를 토대로 특성평가 항목을 이용한 군집화를 통해서 특성에 대한 다양성을 확인하였다.
특성평가 항목을 바탕으로 cacGMS 알고리즘을 이용한 군집 분석을 수행했을 때, 전체 97%의 자원이 분류된 1번~7번 군집에서 병와성, 도복, 깜부기병 항목이 공통적으로 동일한 형질을보였다. 반면에 군집 별 특이성에서는 특성평가 항목에 대한 조합의 차이와 함께 생장습성, 망활, 한해, 파성, 보리누른모자이크병에서 다른 군집과 차별되는 특이성이 확인되었다. 이러한특성평가 항목에 의한 대표성과 특이성, 그리고 각 군집에 따른특성의 조합은 특성 간의 상호적 관계와 관련이 있을 것으로 추정되어 상관관계를 분석하였다. 그 결과 1수립수와 보리누른모자이크병이 높은 상관성(상관계수 0.79)을 보였고, 종자연구에서 중요한 지표로 사용되고 있는 천립중은 낮은 상관계수이지만 이삭조성(0.31), 이삭길이(0.23), 병와성(0.24), 이삭모양(0.28), 보리누른모자이크병(0.23), 1수립수(0.43), 조단백함량(0.29)과 관련이 있을 것으로 추정된다. 본 연구에서 사용된연구방법과 결과는 신품종개발, 육종산업에 활용가능한 정보를 제공하고, 이를 통해 농업유전자원의 활용성 제고와 연구 선진화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다

참고문헌 (Reference)

1 조철민 ; 허만규 ; 김세현 ; 조계중 ; 강창완, "한국 산딸기 집단에서 잎 형태 특성에 나타난 표현형 변이" 한국생명과학회 19 (19): 1382-1388, 2009

2 김대준 ; 노재환 ; 김정곤 ; 윤진일, "파종일 변경이 기후변화 조건에서 곡물생산량에 미치는 영향" 한국농림기상학회 15 (15): 26-39, 2013

3 김양길 ; 윤영미 ; 박종호 ; 김경호 ; 강천식 ; 박태일 ; 오세관, "춘파 적응성 내도복 다수성 겉보리‘호향’" 한국육종학회 52 (52): 448-453, 2020

4 김양길 ; 서재환 ; 김수동 ; 이중호 ; 박종철 ; 최재성, "보리호위축병(BaYMV) 이병에 따른 쌀보리 품종의 생육특성 및 품질" 한국작물학회 48 (48): 501-505, 2003

5 김형무 ; 서재환 ; 김양길 ; 박종철 ; 이재동 ; 정선기, "보리호위축병 (Barley yellow mosaic virus)에 의한 보리의 생육 피해 및 세포학적 변화" 한국식물병리학회 10 (10): 34-38, 2004

6 김정곤 ; 이종호 ; 성병렬 ; 고복래 ; 이영택 ; 권태오, "보리산업의 현황과 수매중단에 따른 대응방안 - II. 보리 수매중단에 의한 가공업체의 원료맥 수급상의 문제점과 그 대응방안 -" 한국국제농업개발학회 24 (24): 507-510, 2012

7 김정곤 ; 이미자 ; 박종철 ; 최인배 ; 김미경 ; 박철수, "보리 모자이크 바이러스 저항성 정도가 상이한 보리 품종간 생육 및 수량 비교" 한국작물학회 51 (51): 477-482, 2006

8 정재민 ; 최성환 ; 오주열 ; 김나희 ; 김다은 ; 손병구 ; 박영훈, "멜론 유전자원의 원예형질 특성 및 유연관계 분석" 한국식물생명공학회 42 (42): 401-408, 2015

9 배익현 ; 강한솔 ; 정우진 ; 유재황 ; 이오흠 ; 정희, "멜론 유전자원의 생육 평가와 과육색 유전형 분석" 한국자원식물학회 34 (34): 478-490, 2021

10 김경민 ; 강천식 ; 김양길 ; 김경훈 ; 박종호 ; 윤영미 ; 박형호 ; 정한용 ; 최창현 ; 박진희 ; 김영진 ; 정영근 ; 한옥규 ; 박태일, "맥류 연구의 과거, 현재, 그리고 미래" 한국육종학회 52 : 73-92, 2020

11 김영지 ; 이재은 ; 유은애 ; 이수경 ; Xiaohan Wang ; Awraris Derbie Assefa ; 노형준, "들깻잎의 caffeic acid와 rosmarinic acid 함량과 항산화 활성 비교를 통한 우수 유전자원 선발" 한국자원식물학회 35 (35): 1-9, 2022

12 이목희 ; 김홍림 ; 이한철 ; 곽용범 ; 헤라쓰 무디얀셀라지 ; 김진국, "다변량 분석을 이용한 키위 유전자원의 특성 평가" 한국원예학회 38 (38): 569-581, 2020

13 조성훈 ; 조차영 ; 하경수 ; 최은지 ; 강유리 ; 권영인, "국내산 보리와 밀 추출물의 항산화 및 항균 활성" 한국식품영양과학회 42 (42): 1003-1007, 2013

14 유동수 ; 강만정 ; 노나영 ; 허온숙, "cacGMS: 특성평가 정보기반 식물 유전자원 군집 알고리즘" 한국육종학회 54 (54): 16-24, 2022

15 Murtagh, F., "Ward's hierarchical clustering method : Clustering criterion and agglomerative algorithm"

16 유동수 ; 유승화, "VBioindex: A Visual Tool to Estimate Biodiversity" 한국유전체학회 13 (13): 90-92, 2015

17 Olsson, U., "The polyserial correlation coefficient" 47 (47): 337-347, 1982

18 Hallsson, L. R., "Selection in a fluctuating environment leads to decreased genetic variation and facilitates the evolution of phenotypic plasticity" 25 (25): 1275-1290, 2012

19 Carver, T. L. W., "Relationship between powdery mildew infection, green leaf area and grain yield of barley" 99 (99): 255-266, 1981

20 Rawal, S., "Predicting missing values in a dataset : challenges and approaches" 4 (4): 34-38, 2017

21 Kim, K. -W., "PowerCore : A program applying the advanced M strategy with a heuristic search for establishing core sets" 23 (23): 2155-2162, 2007

22 Benesty, J., "Pearson correlation coefficient. Noise Reduction in Speech Processing" Springer 1-4, 2009

23 Lee, J. -R., "Multiplication and Characterization of Wheat, Barely and Carrot Germplasm" National Institute of Agricultural Sciences 8-18, 2019

24 Newman, M. E. J, "Modularity and community structure in networks" 103 (103): 8577-8582, 2006

25 Jarvis, D. I., "Managing Biodiversity in Agricultural Ecosystems" Columbia University Press 19-29, 2010

26 Öztürk, Y., "Investigation of yield and some agronomical traits of the barley(Hordeum vulgare L)genotypes in Trakya region" 3 (3): 133-137, 2014

27 Caius M. Rommens, "Intragenic Crop Improvement:  Combining the Benefits of Traditional Breeding and Genetic Engineering" American Chemical Society (ACS) 55 (55): 4281-4288, 2007

28 Biselli, C., "Identification and mapping of the leaf stripe resistance gene Rdg1a in Hordeum spontaneum" 120 (120): 1207-1218, 2010

29 Jakob, S. S., "Evolutionary history of wild barley (Hordeum vulgare subsp. spontaneum) analyzed using multilocus sequence data and paleodistribution Modeling" 6 (6): 685-702, 2014

30 Caierão, E, "Effect of induced lodging on grain yield and quality of brewing barley" 6 : 215-222, 2006

31 Aguilar, J., "Crop species diversity changes in the United States: 1978-2012" 10 (10): e0136580-, 2015

32 Prematunga, R. K, "Correlational analysis" 25 (25): 195-199, 2012

33 Kang, H. C., "Clustering applications in data mining" 18 (18): 121-127, 2006

34 Ehrlich, P. R., "Biodiversity studies : Science and policy" 253 (253): 758-762, 1991

35 Park, H. -S., "A simple and fast algorithm for K-medoids clustering" 36 (36): 3336-3341, 2009

36 Tolbert, D. M., "A diversity analysis of a world collection of barley" 19 (19): 789-794, 1979

37 Dessau, R. B., ""R"--project for statistical computing" 170 (170): 328-330, 2008