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케나프(Kenaf, Hibiscus cannabinus L.) 는 아욱과(Malvaceae) 의 무궁화속(genus Hibiscus)의 1년생 식물로 꽃이 아름답고개화기간이 길어 경관조성용 관상식물로 유망한 작물이다(Dempsey, 1975; Alexopoulou et al., 2013). 케나프는 기원전 4000 년부터 아시아와 아프리카에서 주로 밧줄 및 포대 생산을 위해 재배되어 왔으며, 1980 년대 이후에는 케나프를 이용한 바이오에너지, 건축용 자재, 천연섬유, 자동차 내장소재 등 다양한 바이오복합 소재와 조사료 활용이 증가되고 있다(Lee et al., 2012; Alexopoulou et al., 2013; Ryu et al., 2013; Kang et al., 2014; Ryu et al., 2016). 케나프는 단위면적당 이산화탄소 흡수량이 삼나무(Cryptomeria japonica)의 7배 이상이며, 지하수와 토양의식물환경복원(phytoremediation) 에도 효과적인 것으로보고되어 있다(Alexopoulou et al., 2013). 따라서 케나프를 대단위 경관 조성 작물로 이용할 경우 환경 정화효과와 바이오산업소재원료 생산이 동시에 가능하다(Alexopoulou et al., 2013; Kang et al., 2014). 또한 인도의 전통의학인 ‘아유르베다(Ayurveda)’ 와아프리카의 민간의학에서는 잎과 줄기껍질, 종자 기름을해열, 빈혈, 진통, 항균, 최음, 구충 등의 소재로 오랜 기간 활용하였다(Alexopoulou et al., 2013; Ryu et al., 2013).

작물의 주요육종방법인교배육종법을 적용하기 위해서는 다양한 유전자원의확보가 필요하나, 국내 유전자원이 부족한케나프의 경우 단기간에 신품종을 육성하기 어렵다. 돌연변이 육종은 유전자원이 빈약한 외국에서 신규로 도입한 작물의 형질개량에 유용하다(Kang et al., 2007; IAEA, 2014; Kim et al., 2015; Ryu et al., 2016). 현재 네덜란드, 일본, 중국 및 동남아시아를중심으로 다양한 화훼작물이 돌연변이 육종 기술로 육성되고 있으며, 국내에서도 무궁화(Hibiscus syriacus), 국화(Chrysan-themum morifolium), 장미(Rosa hybrida Hort.) 등 많은 원예작물이 육성되었다(Kang et al., 2007; Koh, 2011; IAEA, 2014; Park et al., 2014; Kim et al., 2015). 방사선에 의한돌연변이품종의 특성을 보면 색소체의 변이가 가장 많으며, 형태, 내병성, 불임, 왜성 형질 등 다양하다(IAEA, 2014; Park et al., 2014; Kim et al., 2015).

안토시아닌은 자연계에 널리 분포되어 있는 플라보노이드 화합물 중 하나로 식물체에서 적색, 자색, 청색 등을 나타내는 색소이다(Ali et al., 2005; Chen et al., 2016; Mumivand et al., 2017). 무궁화속 식물에 보고되어 있는 안토시아닌은 delphinidin-3-O-glucoside, delphinidin-3-O-sambubioside, cyanidin-3-O-sambubioside 등이 대표적이며, 항산화(antioxidant), 간보호(hepatoprotective), 항비만(anti-obesity), 항콜레스롤(anticholesterol), 항암(anticancer), 항박테리아(antibacterial), 항고혈압(antihypertensive) 등의 효능이보고되어 있다(Ali et al., 2005; Chen et al., 2016; Mumivand et al., 2017).

본 연구팀은 방사선 돌연변이 육종기술을 이용하여 관상가치가 뛰어나고, 고기능성 성분인 안토시아닌이 다량 함유되어 있는 케나프신품종 ‘적봉’ 품종의 육성에성공하였다.

육성 경위

2004 년 농촌진흥청 농업유전자원센터에서 이탈리아원산‘C14’ 품종의 종자를 분양 받아 증식하였고, 2005 년도에 종자에감마선 300 Gy 를 처리한 M1종자를 파종하였다. 파종한 종자에서 M1세대 500 여 개체에서 M2종자를 벌크로 수확하였다. 2006 년도에 M2세대를 전개한 결과, 줄기색이 적자색으로 변이된 2개체를 1차 선발하였다. 2007(M3세대)년에 전년도에 선발한 변이체의 종자를타가수정 방지를 위해 계통간에 격리 거리를3m로 하여파종하였다. 이중 줄기색이 적보라색이면서 영양생장과 종자 채종이 양호한 변이 개체를 채종하였다. 2008 년에서 2009 년까지(M4-M5세대) 계통 선발과 유전적 고정화를 반복하였으며, 최종적으로 우수한C14-DRS 계통을 선발하였다. 생육 특성검정은2010 년에서 2012 년까지 한국원자력연구원 정읍 첨단방사선연구소 육종포장에서 18m2 (3 × 6m) 의 면적에 난괴법 3반복으로 재식밀도20 × 60cm 로 파종하여 실시하였다. 생육특성 검정 결과 그 원품종과 다른 우수성이 인정되어 2012년 12월에 ‘적봉’으로 명명하고 품종출원(2012-537 호) 하였다(Fig. 1). 주요 생육특성은 국립종자원 신품종 심사를 위한 작물 별 특성조사요령(18-293; 양마)에 준하여 실시하였다.

Fig. 1.

Pedigree diagram of ‘Jeokbong’ by mutation breeding.

재료및방법

안토시아닌 함량 분석

‘적봉’의 줄기에 안토시아닌 함량 분석은 수확한 줄기 껍질(bark) 을 동결 건조하여 분쇄한 시료 1g에 1% 염산이 함유된 80% 메틸알콜 10mL 로 4°C 에서 24시간 추출하였다. 추출한 용액을 0.45µL syringe filter 로 여과하여 실험에 이용하였다. 안토시아닌 분석은 HPLC-MS(Agilent Technologies 1260 series, Agilent Technologies, USA) 를 이용하여 분석하였다. 분석컬럼은 Poroshell 120 SB-C18 column(150 × 4.6mm I.D., 2.7µm particle size, Agilent Technologies, USA) 와 compatible C18 guard column(4 × 3mm I.D., 3µm particle size, phenomenex, USA) 을 사용하였다. Mobile phase 조건은0-3min A: 95%, B: 5%, 3-16min B: 100% 로 하였다. 시료주입량은 10µL, 유속은0.5µL·min-1으로 하여 520nm 에서 분석하였다. Mass spectrum 분석조건은 가스온도 350°C, 가스압12.0L·min-1, capillary voltage 3000 Volt, Nebulizer gas pressure 35psi(Lb·in-2) 조건으로 하였다. 표준시료는delphinidin-3-O-sambubioside(Extrasynthese, Genay, France) 를 사용하였다.

케나프줄기추출물 조제

항산화 활성 및 Angiotensin converting enzyme(ACE) 저해 활성 측정을위한케나프 시료는 첨단방사선연구소 육종포장에서파종 후100일간 재배하여 수확한4개 품종(‘적봉’, ‘C14’, ‘ 장대’, ‘홍마300’) 의 줄기 껍질을 건조 및 분쇄하여 추출용 시료로사용하였다. 각 시료는70% 에탄올로 3회 반복 추출 및 감압 농축하여 실험에 이용하였다.

DPPH radical-scavenging 활성

케나프 줄기 추출물의DPPH radical-scavenging 활성측정은Abe et al.(2000) 의 방법을 변형하여 실시하였다. 각 농도별로희석한 케나프줄기추출물 2mL 에 메탄올로 용해한 0.15mol·mL-1 DPPH(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl, Sigma Aldrich, USA) 용액1mL 를 가하여, 37°C 암조건에서 30분간 반응시켰다. 이 반응액을 흡수분광광도계(UV-1800 Spectrophotometer, Simazuda, Japan) 를 사용하여 517nm 에서 흡광도를측정하였다. DPPH radical-scavenging 활성은 다음과 같이 구하였다.

A

DPPH radical-scavenging activity (%) = × 

B

A: Absorbance of sample, B: Absorbance of control (without sample)

ACE 저해활성

케나프 줄기 추출물의 ACE 저해 활성 측정은Nakamura et al.(1995) 의 방법을 변형하여 측정하였다. 각기 다른 농도의 추출물 용액에 2mM ACE 20µL를 첨가하였고, 대조구는 에탄올과 1N 염산을 먼저 첨가한 후 ACE를 첨가하였다. 효소 반응은 37°C 에서 5분간 반응 후, 0.3M 의 염화나트륨이 포함된 0.1M 붕산나트륨 용액(pH 8.0) 에 5mM 의 hippuryl-L-histidyl-L-leucine 을 첨가한기질을50µL 첨가하여37°C 에서30분간 반응시켰다. 이렇게 생성된 히프르산(hippuric acid) 에 0.1M 염산을 첨가하여 반응을 중지시킨 후 각튜브에 에틸아세테이트1.7mL 를 넣고 혼합한 후 3,000rpm 에서 5분간 원심 분리하여 상징액을 취하였다. 이것을 완전히 건조시킨 후 증류수 3mL 를 가하여 용해시키고 228nm 의 흡광도를측정하여 아래의 식에 의해 ACE 저해율을 계산하였다.

B  A

ACE inhibitory activity (%) = × 

B  C

A: absorbance of HA generated in the presence of ACE inhibitor component

B: absorbance of HA generated without ACE inhibitors

C: absorbance of HA generated without ACE (corresponding to HHL autolysis in the course of enzymatic assay).

수량조사 및사료가치 분석

케나프 신품종 ‘적봉’과 원품종인 ‘C14’, 대조품종인 ‘장대’, ‘ 홍마300’ 의 생육조사(초장, 엽수, 경직경, 생체수량, 건물수량) 및 사료가치 분석은 파종 후 100 일에 실시하였다. 각 품종의 종자를 5월 15일에 파종하여100 일간 재배한 후 지상에서20cm 높이에서 수확하여 생체수량(fresh yield) 과 건물수량(dry yield), 조단백(crude protein), 조섬유(crude fiber), neutral deter-gent fiber(NDF), acid detergent fiber(ADF) 함량을 분석하였다. 모든 분석은 AOAC(1990) 방법에 준하여 3반복 실시하였다.

주요특성

‘적봉’의 엽형은완전엽(entire) 이며, 원품종(‘C14’) 의 장상엽(palmate) 과 구분된다. 엽색은 원품종은 녹색이고, ‘적봉’은 부

분적으로 적자색을 나타낸다. ‘적봉’의 줄기, 엽맥, 배축, 가지, 화관은 모두 적자색인 반면 원품종 ‘C14’ 는 줄기와 가지는 녹갈

색을, 엽맥과 화관은 녹색을 나타냈고, 배축색은 동일한 적자색을 나타내었다(Table 1, Fig. 2).

Table1. Origin and morphological characteristicsofanewcultivar,‘Jeokbong’,compared tothethreedifferentkenaf(Hibiscuscannabinus L.) cultivars

zNon-flowering.

Fig. 2.

Comparison of stem and leaf colors in kenaf ‘Jeokbong’ (A) and its original cultivar ‘C14’ (B).

Table2. Plant characteristics and yield traits of a new cultivar, ‘Jeokbong’, compared to the three different kenaf (Hibiscuscannabinus L.) cultivars

zNon-flowering. yMean separation within columns by Duncan’s multiple range tests (p≤0.05, n = 3).

개화기는 파종 후 70일 내외로 원품종C14와 동일하며, 중만생 품종인 ‘장대’보다30일 빠르고, 국내 채종이 불가능한 것으로 알려져 있는 만생종인 ‘홍마300’은 개화하지않았다. 개화기 이후 개화 지속 기간은‘적봉’이 36일로 원품종보다 8일 길고, ‘장대’의 26일과 비교하여 10일 길었다. 평균 초장은 281.2cm 로 원품종인 ‘C14’ 의 287.6cm 보다 약간 작았고, ‘장대’와 비교하면 약 40cm, ‘ 홍마300’보다는 50cm 이상 작았다. 엽수는 평균 65.5 매로 원품종의 58.2 매 보다 많고, ‘장대’보다 20매 이상 적다. 경직경은 2.3cm 로 대조 품종에 비해 약간 작았다. ‘적봉’의 파종 100일 후 생체수량과 건물수량은 각각75.0ton·ha-1, 14.8 ton·ha-1로원품종과는 유의적 차이가없었다. ‘장대’와 ‘홍마300’ 의 생체수량과 건물수량은 적봉 보다10-20% 높은 수준이다(Table 2). 그러나 파종120-150 일의생체수량과 건물수량은 조생종에서변화가 없거나 하엽으로 인해 감소하지만중만생종과 만생종은 건물 수량이 22-28ton·ha-1까지 증가하는 점을 감안하면 연간총 수량은 장대의 60% 수준이다(Kang et al., 2014; Ryu et al., 2016).

‘적봉’의 줄기에 함유되어 있는 안토시아닌을 분석한 결과, molecular ion [M+]로 597 로 delphinidin-3-O-sambubioside 와

일치하였다(Fig. 3). 이는 로젤(Hibiscus sabdariffa L.) 에서 보고된 delphinidin-3-O-sambubioside 와 동일하며(Ali et al., 2005;

Mourtzinos et al., 2008), 원품종‘C14’ 와 대조품종 ‘장대’, ‘ 홍마300’ 은 모두 안토시아닌이 검출되지 않았다.

DPPH radical-scavenging 활성(Fig. 4A) 과 ACE 저해 활성(Fig. 4B) 은 ‘적봉’ 줄기의 추출물이 58.3% 로 타 품종의 4배 이상의 활성을 나타냈다. 케나프의 항산화활성에 관한연구는 주로잎을 대상으로 수행되었으며, ‘적봉’ 줄기의항산화 활성은 케나프 잎의 열수(hot water) 추출물과 유사한 수준이다(Jin et al., 2013). ACE 는 renin-angiotensin-aldosterone 시스템의 중요한물질로서 angiotensin I 을 강력한 혈관수축제인 angiotensin II 로 전환시키는 효소로서 무궁화속 식물 중 로젤에서추출한delphinidin-3-O-sambubioside 및 cyanidin-3-O-sambubioside 에서활성이 보고되어 있다(Nakamura et al., 1995; Ali et al., 2005). ‘ 적봉’에서 나타난 강한 ACE 저해 활성은 줄기에함유된 delphinidin-3-O-sambubioside 성분에 기인한 것으로판단된다. 그러나 본 연구 결과 나타난ACE 저해 활성이 생체 내에서도 같은 효과를 낼 수 있는지의 여부는 추가적인 실험이 필요하다.

Fig. 3.

HPLC chromatogram and mass spectrum of ‘Jeokbong’ bark anthocyanin (delphinidin-3-O -sambubioside). A: Mass spectrum (molecular ion [M+] 597), B: HPLC chromatogram at 520 nm.

Fig. 4.

2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) radical scavenging activities (A) and angiotensin converting enzyme (ACE) inhibition activity

(B)ofkenafstembark. zThelettersabove eachpointindicatea significantdifferenceatthe 5%level(Duncan’smultiplerange tests,n =3).

Table 3. Chemicalcomposition ofanewcultivar,‘Jeokbong’,comparedtothethreedifferentkenaf(Hibiscuscannabinus L.)cultivars at100 days after seeding (%)

zNetural detergent fiber. yAcid detergent fiber.Kang et al. 2016. xKang et al. 2016. xMean separation within columns by Duncan's multiple range test (p≤ 0.05, n = 3).

‘적봉’의 사료가치를 분석한 결과(Table 3), 파종 100일 후 전초의 조단백 함량은 9.2% 로 원품종과는 유의적 차이가 없었으나, ‘장대’ 및 ‘홍마300’과 비교해서는 유의적으로 낮았다. 조섬유, NDF 와 ADF 성분 함량은 ‘적봉’과 모든 품종에서 차이가 없었다. 케나프는 개화기 이후에 영양가치가 지속적으로 낮아지며, 품종간 나타난 조단백 함량의 차이는 조생종‘적봉’과 C14 의 줄기 성숙이 개화기 이후 빠르게 진행된 것으로 사료된다(Alexopoulou et al., 2013; Kang et al., 2014; Ryu et al., 2016). 케나프는 수량은 8-30 톤 내외로 옥수수와 유사하거나 높고, 습해에 강하며, 멧돼지 등야생동물의피해가없기 때문에 산간지역에 사료작물로 재배가 유리하다(Kang et al., 2014; Kang et al., 2016). 특히‘적봉’은 줄기 및 잎이 적자색으로경관조성용으로 유망하며, 단기재배용 조사료 자원으로도 활용이 가능하다. 또한 국내에서 가축사료에 항생제 사용을 전면금지함에 따라 천연기능성 사료 개발이 요구되고 있는점(Song et al., 2012) 을 고려할 때, 안토시아닌을 함유하고 있는 ‘적봉’의 기능성 조사료 개발이 기대된다.

재배상유의점

신품종 ‘적봉’의적정 파종시기는 최저온도가15°C 이상인 5월 초·중순이며, 적정 파종량은8-12kg·ha^-1이다(Alexopoulou et al., 2013; Kang et al., 2014). 케나프는 고온에서 생장이촉진되는 작물로 5월 초․중순 파종 시 7월부터 생장 속도가 빨라진다(Alexopoulou et al., 2013). 재배가능 지역은 전국에서 재배 및 채종이 가능하다.

유용성

‘적봉’은 2015 년에 품종등록이 완료(품종보호 제5286 호)되었으며, 관상가치와 기능성 성분이 향상된 품종으로 경관조성과산업소재용으로 활용도가 높을 것으로 보인다. 특히 신품종 ‘적봉’의 줄기껍질에 함유되어 있는 안토시아닌은 항산화 활성및ACE 저해 활성을 나타내어 기능성 물질 생산 자원으로 개발이 기대된다. 조사료 이용을 목적으로 재배할경우 5월초에서7월말 사이 단기재배로 유용하며, 중만생 품종‘장대’와 비교하여 수량은 60-70% 수준이다. 관상가치와 기능성이 우수한 품종‘적봉’은 추후 기술이전을 통해 농가에 보급할 예정이다.