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심비디움은 난과(Orchidaceae) 심비디움속(Cymbidium Genus)으로 1화경에 13-18개 정도의 꽃들이 착생하는데 개화기간이 2개월 정도로 길고, 서늘한 곳에서 잘 생육하는 상록성 다년초이다. 현재 우리나라, 일본, 중국, 호주, 네덜란드 등 전 세계에서 분화 또는 절화로 유통되고 있는 국제적으로 중요한 화훼작물이다(Lee et al., 2012). 우리나라에서는 주로 분화로 재배되고 있으며 재배면적은 79ha(MAF, 2013)로 양난 전체 재배면적(155ha)의 50.9%를 차지하는 대표적인 양란이다. 국내에서 재배되고 있는 심비디움은 300여 품종인데 그 중 120여 품종이 분화로 경매시장에서 유통되고 있다(Yae et al., 2011). 이 때 분화의 수명은 상품성을 결정하는 중요한 특성 중 하나이다.

한편 화훼류의 품종육성은 주로 화색의 다양화에 치중해왔으나 최근에는 향기 산업의 발전과 더불어 꽃에서도 향기가 강한 품종의 육성이 요구되고 있다. 향기는 꽃에 있어 중요한 질적 특성으로 다양한 농도에서 각각 서로 다른 다양한 저분자 휘발성 분자의 특정 조합에 의해 생산된다(Dudareva and Pichersky, 2006). 이러한 성분들은 대부분 페닐프로파노이드, 지방산 유도 체, 터르페노이드 등 3가지 경로를 통해 식물체내에서 생합성 된다(Guterman et al., 2002). 식물학적으로 식물체에서 생합성 된 방향성분은 열매, 꽃, 잎의 표면에 존재하는 선모(glandular hair), 유선(oil gland) 등 주로 표피세포에 저장된다(Park, 1999). 최근 Guterman et al.(2002)은 장미의 향기 연구에서 장미 꽃이 발달하면서 꽃의 표피세포가 커지고 이로 인해 향기가 증가한 다고 보고한 바 있다.

이러한 꽃의 향기는 매개충을 유인할 뿐만 아니라 식물에 해를 끼치는 진딧물과 병원성 미생물에 대한 방어 기능을 하고 종 자나 포자의 발아를 억제하기도 한다(Gardner et al., 1990). 또한 최근에는 사람에게 안정감을 주고 행복감과 위안을 느끼게 해 주는 역할을 하는 등(Kim, 2006) 긍정적인 효과가 알려짐에 따라 화훼류의 향기에 대한 연구의 중요성은 날로 증가하고 있다 (Guterman et al., 2005)

향을 측정하기 위한 방법으로는 관능검사와 Gas Chromatograph/Mass spectrophotometry(GC/MS) 분석법 등이 사용되고 있다. 그러나 관능검사법은 훈련이 잘 된 관능검사 패널이 필요하고 기호도 차이, 표현 방법의 차이 등에 의해 재현성 있는 결 과를 얻기 힘들며, GC/MS와 GC linked to olfactometry(GC/O) 등에 의한 기기분석 방법은 향에 관여하는 여러 성분의 종류 와 농도를 밝힐 수는 있으나 각 향기 성분들의 상호 작용에 의한 향 특성을 표현해 낼 수 없다. 따라서 최근에는 사람의 코처럼 미묘하고 복잡한 향기와 냄새성분을 감지할 수 있는 보다 객관적이고 자동화된 기기인 전자코 장치(electronic nose)가 개발되 어 이용되고 있다(Noh et al., 1998; Satples, 1999; Lee et al., 2003). Metal oxide sensor 유형의 전자코는 특정향기 또는 냄새 성분이 각각의 센서에서 전기 화학적 반응을 일으켜 전기적인 신호로 변환되는 원리로서 사람의 후각인지 체제를 모방한 판별 함수분석(Discriminant function analysis; DFA)과 주성분분석(Principal component analysis: PCA) 등의 패턴인식 소프트웨 어를 사용하여 냄새를 감별하고 시료간의 분별을 가능하게 한다S(hin et al., 2003).

배수체 육종은 많은 원예식물에서 널리 적용되어온 육종방법 중 하나로 화훼류에서는 꽃의 크기, 꽃잎 두께의 증대뿐만 아 니라 꽃의 수명 연장 및 꽃 향기의 증대 등의 효과를 얻을 수 있다(Grisebach, 1981; Wimber et al., 1987; Ranney, 2006). 심비 디움 배수체 유도에 관한 연구는 오래 전부터 수행되어 왔으나(Menninger, 1963; Wimber and Van Cott, 1966; Kim et al., 1998, 2003, 2006, 2008) 배수성에 따른 분화수명이나 꽃 향기 비교에 관한 연구는 거의 보고된 바가 없다. 따라서 본 연구에서 는 인위적 처리를 통해 얻은 심비디움 4배체와 정상 2배체 꽃의 분화수명과 전자코를 이용한 꽃 향기의 강도 및 패턴 비교 분석 을 통해 화훼류에서 방향성 배수체 육종의 기초자료를 얻고자 하였다.

재료 및 방법

식물재료

식물재료는 국립원예특작과학원 유리온실에서 재배하고 있는 Cymbidum Golden Elf ‘Sundust’와 C. Elma ‘Orient Toyo’의 2배체와 기내 배수화 처리를 통해 육성된 4배체의 꽃을 사용하였다(Fig. 1). C. Elma ‘Orient Toyo’(이하 ‘Toyo’라고 명함)는 은 은한 향기의 연두색 꽃을 피우는 가을 개화품종으로 분화수명조사에서만 사용하였고 C. Golden Elf ‘Sundust’(이하 ‘Sundust’ 라고 명함)는 은은한 향기의 노랑색 꽃을 피우는 가을 개화품종으로 분화수명과 향기분석에 사용하였다(Fig. 2). 향기분석을 위한 시료는 꽃이 개화 할 때마다 날짜를 표기해 두었다가 4일째가 된 꽃을 맑은 날 오후 3시30분-4시에 채취하여 분석에 사용 하였다. 분화수명 및 화경의 특징 조사는9 월 초 개화하기 시작한 화경을 대상으로1 0월 말까지 조사하였다.

전자코를 이용한 2배체와 4배체 심비디움의 꽃 향기 강도 및 분포패턴 분석

배수성에 따른 심비디움 꽃 향기 분석을 위해 ‘Sundust’ 2배체와 4배체 꽃에서 상악편, 꽃잎, 예주, 설판, 하악편을 각 한 개씩 20mL vial에 한데 모아 담아 10반복으로 분석하였다(Fig. 3). 또한 심비디움의 화기조직별 향기 분석을 위해 ‘Sundust’ 2배체 꽃에서 꽃잎, 예주, 설판를 분리한 후 3가지 실험재료의 무게를 같게 하기 위해 꽃잎 2장, 설판 1개, 예주 1개(약 0.43g)를 각 10mL vial에 담아 3반복으로 분석하였다.

분석에 이용한 전자코(α-FOX 2000 Electronic Nose System, Alpha M.O.S., Toulouse, France)는 6개의 metal oxide sensor(MOS), 즉 T30/1, P10/1, P10/2, P40/1, T70/2, PA2로 구성되어있다. 그 중 P10/1, P10/2 센서는 non polar volatiles를, PA2, T30/1 센서는 유기용매들을, P40/1 센서는 fluoride 및 chloride를, T70/2 센서는 식품향기와 휘발성분들을 감지한다 (FOX User Manual, 1998). 분석조건은 air 흐름은 150mL/min으로 설정하여 준비한 시료를 vial에 넣은 후 incubation을 실시 하였고, incubation 시간은 2분, incubation 온도는 40°C, 진탕은 500rpm으로 하여 휘발성 성분을 함유한 물질들을 포집하였 다. 이와 같은 과정으로 얻어진 향기 성분은 오토샘플러를 통해 0.5mL/sec의 속도로 injection port에 주입하였다. 분석 간격은 2분으로 설정하여 센서가 안정된 후, 다음 분석을 실행하였다.

2배체와 4배체 심비디움의 분화수명 및 화경의 특성

배수성에 따른 심비디움의 분화수명 및 특성 조사를 위해 한 온실 같은 베드에서 생육중인 ‘Sundust’와 ‘Toyo’를 각 품종별로 생육의 정도가 비슷한 2, 4배체 분화를 이용하여 개화기간과 화경 당 화수, 화경장을 조사하였다. 분화의 감상기간은 일반적으 로 개화하여 시들기 전까지이지만 한 화경 당 여러 송이의 꽃이 피는 심비디움의 특성상 명확한 분화의 수명을 알기 어려워 첫 개화-마지막 개화, 첫 개화-첫 낙화, 첫 낙화-마지막 낙화, 첫 개화-마지막 낙화날짜로 세분화하여 조사하였다. 반복수는 ‘Sundust’는 9반복, ‘Toyo’는 14반복으로 조사를 실시하였다.

통계처리

전자코 분석은 6가지 MOS의 반응을 조합하여 Alpha Soft Version 12.45 통계프로그램의 principle component analysis(PCA, 주성분분석)와 discriminant factor analysis(DFA, 판별함수분석) 통계분석법을 통해 향기패턴을 그래프로 나타냈으며 모든 분 석에서 공기를 대조구로 사용하였다. 또한 전자코 6개 센서별 감응도(공기 저항 값에 대한 시료 휘발성성분의 저항값)와 분화 수명 및 특성조사결과는 Statistical Analysis System(SAS)를 이용하여 Duncan's multiple range test로 통계 처리한 후 유의성 을 검증하였다.

결과 및 고찰

전자코를 이용한 2배체와 4배체 심비디움의 꽃 향기 강도 및 분포패턴 분석

향기 통계분석에 이용한 PCA는 일반적으로 데이터를 처리할 때 가장 먼저 사용하는 방법으로, 각각의 성분들이 얼마나 분 리가 되었는지 discrimination index를 사용하여 나타낸다. DFA는 미지시료를 분석 할 때 사용되는 방법으로 서로 다른 대표 적인 향기계통들을 분석한 데이터를 사용하여 모델을 작성한 뒤, 동일한 조건으로 미지시료를 분석하면 어느 향기 패턴에 속 하는지를 쉽게 확인할 수 있다(Park et al., 2011). 본 연구에서는 배수성에 따른 심비디움 꽃 한 송이와 화기별 강도와 패턴을 비 교 분석하기 위해 PCA와 DFA통계분석을 모두 이용하였다. 그래프상의 도형들은 샘플의 반복을 나타내며, PCA에서 대조구 (Air)를 기준으로 멀어질수록 향기의 강도가 강하다고 볼 수 있다

꽃 한 송이로 분석한 결과, 10개 중 3개를 제외한 4배체 꽃들에서 2배체에 비해 대조구로부터 먼 곳에 도형이 나타났기 때문 에 전반적으로 2배체보다 4배체의 꽃 향기가 강하다고 판단되었다(Fig. 4A). Guterman et al.(2002)는 대부분의 화훼에서 꽃잎 의 표피세포가 향기를 발생하는 가장 주요한 부위이고 향기의 발생은 꽃이 발달하는 동안 세포가 신장할 때 가장 강하다고 한 바 있다. 본 연구에서 4배체의 꽃잎세포는 배가 된 DNA 함량으로 인해 2배체 세포보다 크고 이로 인해 향기도 더 강해진 것으 로 생각 된다. 또한 2배체와 4배체가 겹치는 부분은 배수성은 다르지만 동일품종이기 때문에 향기에 큰 차이가 없거나 개화단 계가 다소 차이가 나기 때문인 것으로 생각된다

한편 DFA분석에서 가로축의 제1주성분 값의 기여율은 99.585%로 나타남에 따라 제1주성분 값이 향기 패턴구분에 크게 영 향을 주는 것을 알 수 있었는데 2배체와 4배체는 거의 같은 위치에 분포하여 제1주성분 값에 의해서는 구별할 수 없었고, 세로 축의 제2주성분 값에 의해 그래프에서 상하로 나뉘는 모습을 볼 수 있었다(Fig. 4B). 센서별 향기의 감응도 데이터로 유의성을 검정해 본 결과 6개의 센서에서 모두 2배체와 4배체의 유의적 차이가 나타나 4배체 꽃 한 송이는 2배체 꽃 한 송이에 비해 향기 가 강한 것으로 판단되었다(Table 1).

심비디움 화기조직별 향기의 강도 및 패턴을 알아보기 위해 ‘Sundust’ 2배체 꽃을 꽃잎, 예주, 설판으로 구분하여 분석하였 다. PCA를 통해서 본 화기조직별 향기는 예주에서 가장 강하게 나타났고 설판과 꽃잎이 그 뒤를 잇는 것으로 나타났다(Fig. 5A). DFA분석을 통해서 본 화기조직별 향기의 패턴은 꽃잎과 설판은 가로축의 제1주성분 값과 세로축의 제2주성분 값이 유 사하게 나타나 향기의 패턴이 유사한 것으로 판단되었다. 하지만 예주는 제1주성분 값과 제2주성분 값 모두 꽃잎과 설판에서 멀리 떨어진 곳에 나타나 꽃잎과 설판과는 다른 향기의 패턴을 가진 것으로 판단되었다(Fig. 5B). 화기조직별 센서 감응도 데 이터를 비교해 본 결과 P10/2센서에서 꽃잎과 설판의 데이터를 제외한 모든 센서에서 화기조직별 향기의 유의적 차이가 나타 났다(Table 2). Lee et al.(2012)의 연구에서는 전자코를 이용하여 심비디움 품종 ‘환희’의 화기조직별 향기를 분석하였는데 꽃잎과 설판은 대조구를 기준으로 비슷한 거리수치를 보였으나 주두(본 실험의 예주와 같은 부위를 사용)는 거리수치가 더 높아 주두의 향기가 가장 강하게 나타났다고 보고하였다. 이는 본 실험에서와 일치하는 결과였다. 그러나 Byun et al.(2007)의 연구 에서는 아시아틱 나리, 나팔나리, 오리엔탈나리의 화기조직을 구분하여 암술, 수술, 내화피, 외화피, 화탁, 소화병의 향기를 분 석한 결과 아시아틱 나리는 외화피에서, 나팔나리는 화병에서, 오리엔탈나리는 내화피에서 향기함량이 가장 많이 나타나 작물 또는 종에 따라 방향성이 가장 큰 화기조직은 달라질 수 있는 것으로 판단되었다

즉, ‘Sundust’의 2배체와 4배체 꽃 한 송이의 향기는 4배체에서 더 강하며, 화기조직별 향기는 예주에서 가장 강하고 설판, 꽃 잎이 그 뒤를 잇는 것으로 나타났으며 설판과 꽃잎은 비슷한 향기패턴을 가진 반면, 예주는 두 화기와는 다른 향기패턴을 가진 다고 판단되었다. 또한 방향성 식물 육종을 위해 전자코로 향기를 분석할 때 재배환경이나 채취 시간, 생육단계의 미묘한 차이로도 분석 결과가 달라질 수 있기 때문에 작물별로 향기가 가장 잘 발현될 수 있는 조건을 구명하고 동일 조건에서의 반복 수를 늘려 검정하는 것이 중요할 것으로 판단되었다

2배체와 4배체 심비디움의 분화수명 및 화경 특성

배수성에 따른 심비디움 분화의 수명과 화경의 특성을 알아보기 위해 ‘Sundust’와 ‘Toyo’의 2, 4배체를 이용하여 개화기간과 화경 당 화수, 화경장을 조사하였다. 화경 당 화수는 ‘Sundust’의 2, 4배체에서 각각 8.44개, 9.55개로 나타났고, ‘Toyo’의 2, 4배 체에서 각각 15.36개, 15.57개로 나타나 두 품종모두 배수성에 따른 차이가 나타나지 않았다(Table 3). 화경장은 두 품종 모두 4배체에 비해 2배체가 평균적으로 약 5cm씩 길게 나타났지만 같은 배수성의 화경에서도 반복간 차이가 크게 나타나 통계적 유의성은 나타나지 않았다(Table 3).

개화기간을 조사해 본 결과, 일반적 분화감상기간인 첫 개화에서 첫 낙화까지의 기간이 ‘Sundust’는 2, 4배체 각각 14일, 13.22일, ‘Toyo’는 14.64일, 13.29일 소요되어 2배체가 4배체에 비해 약 하루 정도 길었지만 통계적 유의성은 나타나지 않았다. 한편 첫 개화에서 마지막 낙화까지의 기간은 ‘Sundust’는 2, 4배체 각각 19.27일, 21.78일, ‘Toyo’는 26.07일, 23.79일 소요되어 품종에 따라 기간은 달랐으나 두 품종 모두 배수성에 따른 유의적 차이는 나타나지 않았다. 그 밖에 ‘Toyo’에서 첫 개화부터 마 지막 개화까지의 소요기간이 2, 4배체 각각 7.57일, 4.93일로 꽃이 모두 피는데 걸리는 기간은 4배체가 더 짧게 나타나 유의적 차이를 보였다. 첫 낙화부터 마지막 낙화까지의 기간은 두 품종 모두 통계적 차이가 나타나지 않았다(Table 3).

일반적으로 배수체는 식물체 내 DNA의 양이 배가 되어 건조, 염분, 온도 등 환경에 대한 저항성도 증가하는 것으로 알려져 있다(Inoue et al., 2006; Liu et al., 2011). 이러한 보고들로 미루어 4배체는 환경에 대한 내성이 증가 되어 환경스트레스에 의한 노화가 지연 되고 이로 인해 개화기간도 2배체에 비해서 다소 연장 될 것이라고 추측하였으나 본 연구결과 2배체와 4배체의 개 화기간은 유사한 것으로 나타났다. 형태적으로 4배체는 2배체에 비해 영양생장 기관과 함께 꽃, 화사(filament), 악편(calyx) 등 화기의 크기도 증가하는 것이 참오동나무(Tang et al., 2010), 야생감국(Liu et al., 2011), 아이리스(Inoue et al., 2006) 등 여러 식 물에서 보고된 바 있다. 이러한 형태적 크기의 증가와 함께 화색 등도 진해져서 화훼류에서 배수체 육성에 대한 연구는 꾸준히 보고되어 왔다. 그러나 대부분의 연구가 꽃의 크기 증가에 초점을 맞추고 있고 본 논문과 같이 개화수명 등에 대해 다룬 보고는 거의 찾을 수 없었다.

꽃의 수명은 상품성으로 직결될 수 있는 중요한 요인이므로 심비디움뿐만 아니라 그 밖의 난과식물에서도 생육환경, 생육의 정도, 조사 시기를 균일하게 하고 외부 접촉에 의한 화분괴의 탈락이나 곤충에 의한 수분 등의 분화수명의 변동요인을 최소화 하여 배수성에 따른 분화수명과 절화수명의 연장 유무에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각되었다. 또한 개화 관련 세 포학적, 분자생리적 분석을 추가하여 추후 배수성과 분화 및 개화수명에 대한 유기적인 해석이 필요할 것으로 여겨진다