한작지 (Korean J. Crop Sci.), 63(1): 8~17(2018) DOI : https://doi.org/10.7740/kjcs.2018.63.1.008 ISSN 0252-9777(Print) ISSN 2287-8432(Online) Original Research Article 벼출수후적산온도에따른수발아발생의품종간차이및변이분석 강신구 1 손지영 2 김홍식 3 김숙진 1 최종서 1 박정화 1 윤영환 1 심주미 1 양운호 1, Analysis of Genetic Variation in Pre-Harvest Sprouting at Different Cumulative Temperatures after Heading of Rice Shingu Kang 1, Jiyoung Shon 2, Hong-Sik Kim 3, Sook-Jin Kim 1, Jong-Seo Choi 1, Jeong-Hwa Park 1, Younghwan Yoon 1, Jumi Sim 1, and Woonho Yang 1, ABSTRACT Pre-harvest sprouting (PHS) refers to seed germination during ripening, due to loss of dormancy before harvest. As PHS in rice causes decrease in grain yield and quality, tolerance to PHS is an important trait of Japonica cultivars in Korea. It is important to investigate the related genes and environmental factors, because PHS is a quantitative trait. In this study, we examined PHS rates at three different times according to the cumulative daily mean temperature after heading (CTAH) for 5 rice cultivars released in Korea for 5 years from 2013 to 2017 to determine the effect of environmental factors on PHS. ABA content in ripening spikelets was analyzed to understand how it was related to PHS tolerance. PHS rate increased as CTAH increased from 800 to. PHS rate was significantly different (p < 0.001) among the cultivars, showing Dasanbyeo, Jounbyeo, and Nampyeongbyeo to be PHS-tolerant, and Jopyeongbyeo and Gopumbyeo to be susceptible at all the CTAH of 800,, and. In 2015 and 2016, PHS rates were relatively higher, because of high temperature and frequent rainfall during the ripening period. In each cultivar, ABA content decreased as CTAH increased from 800 to. However, there was no significant correlation between ABA content and PHS tolerance among the cultivars. Keywords : ABA, cumulative daily mean temperature after heading, pre-harvest sprouting, rice 수발아는종자가발아력을갖추기시작한이후에휴면성이약해지면서이삭에서발아하는현상을말한다. 벼의수발아는등숙단계로보면대체로황숙기이후발생하기시작한다 (Park & Park, 1984). 수발아성은종자의휴면정도와관련이높기때문에생태형및품종간차이가크게나타나는데자포니카형품종이인디카형및통일형보다수발아가잘되며 (Lee et al., 2016; Lee et al., 2006; Suh & Kim, 1994) 우리나라와같은온대지역에서는벼등숙기에발생하는태풍이나, 고온과잦은강우를동반하는이상기상으로인해수발아피해가발생하고 (Park & Kim, 2009; Suh & Kim, 1994), 중국남부지역및동남아시아에서는초여름부터가을까지의긴우기에발생하기쉽다고하였다 (Wan et al., 2006). 최근국내에서발생한수발아피해를보면 2016년에벼수확기의잦은강우, 고온등으로전 북 3,506 ha, 전남 11,216 ha, 경북 13 ha, 경남 42 ha, 부산 46 ha 등 14,823 ha의논에서피해가발생하였다 ( 농림축산식품부보도자료, 2016.11.8.). 벼수발아가발생하면수량이감소할뿐만아니라품질이크게떨어지므로농가의경제적손실이크며 (Kim et al., 2008; Oh et al., 1987; Park & Kim, 2009), 한번수발아된종자는발아율및입모율이크게떨어지므로종자로사용하기어려워진다 (Baek & Chung, 2014b; Shon et al., 2014). 이에벼의수발아피해를줄이기위해수발아발생의원인에대한생리생화학적연구외에도수발아내성품종의육성, 경감재배기술개발등다양한분야에서연구가수행되고있다. 벼종자의발달과휴면그리고발아에관한수많은연구가수행되어 ABA, GA, Ethylene 등식물호르몬의역할및조절기작을밝혀내고있으며 (Arc et al., 2013; Gubler et al., 2005; 1) 농촌진흥청국립식량과학원중부작물부 (Department of Central Area Crop Science, National Institute of Crop Science, RDA, Suwon 16429, Republic of Korea) 2) 농촌진흥청기술협력국 (Technology Cooperation Bureau, RDA, Jeonju 54875, Republic of Korea) 3) 농촌진흥청국립식량과학원남부작물부 (Department of Southern Area Crop Science, National Institute of Crop Science, RDA, Milyang 50424, Republic of Korea) Corresponding author: Woonho Yang; (Phone) +82-31-695-4130; (E-mail) whyang@korea.kr <Received 11 December, 2017; Revised 7 March, 2018; Accepted 19 March, 2018> c 본학회지의저작권은한국작물학회지에있으며, 이의무단전재나복제를금합니다. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
벼출수후적산온도에따른수발아발생의품종간차이및변이분석 9 Kaneko et al., 2002; Kang et al., 2015; Kim, 1995; Liu et al., 2014; Shu et al., 2016; Shu et al., 2015), 벼발아에관여하는단백질체분석연구 (He & Yang, 2013; Liu et al., 2016), 그리고벼출수후경과일수와벼이삭에서볍씨의착생위치에따라수발아율이달라진다는생리생태적인연구결과등이보고된바있다 (Baek & Chung, 2014a; Suh & Kim, 1994). 종자의휴면과수발아성에대한양적형질 (QTL) 유전자를탐색하고, 수발아를억제하는유전자 (OsPHS1 등 ) 를활용하기위한유전적인연구가수행되고있다 (Huh et al., 2013; Magwa et al., 2016; Wu et al., 2016). 최근육성된 MS11의경우편친인진미벼보다내수발아성이향상되었으나인디카와통일형품종보다는수발아성이높은편이므로열대지역에서고품벼질자포니카형품종의재배를위해서내수발아성이품종개발이요구된다고하였다 (Lee et al., 2015). 재배기술에관한연구로는재배시기및수확시기, 일장및온도가수발아의발생에영향을미치므로수발아발생을줄이기위해이앙기조절, 적기수확, 다비밀식주의, 생장조절제처리등의재배적관리가필요하다고하였다 (Cho et al., 1987; RDA, 2015). 벼의수발아성을검정하는방법은포장검정 ( 도복유인, 인공강우처리 ) 과실내검정 ( 채취이삭의발아처리 ) 으로구분되는데, 실내검정은이삭채취시기, 처리온도및항온또는변온여부, 처리일수등검정조건이다양하다. Ju et al. (2000) 은출수후 45일에 25/15 의변온을갖는항온항습기에이삭을치상하여 6일후조사하는실내검정방법이품종별수발아변이를가장잘확인할수있으며, 포장검정과고도의정상관을보이므로효율적인검정방법이라고하였다. Park & Kim (2009) 은 20여품종을공시하여실내검정방법과포장에서의검정방법 ( 도복유인, 분무처리 ) 을비교하였고, 출수후 25일, 35일, 45일의세시기별로품종별수발아성을구분하여보고한바있다. 그런데벼의수발아성은등숙환경의영향을크게받음에도기상조건에따른수발아성변이에관한보고가없으며, 현행수발아검정기준 (RDA, 2012) 은출수후 40일로생태형에상관없이동일하므로출수기가다른품종간에종자의생리적등숙상태가일정하지않은단점이있다. 따라서본연구는다년간출수후적산온도에따른수발아발생양상의품종간차이와변이정도를분석하고, 품종간수발아성차이의생리적요인을구명하고자수행하였다. 재료및방법본시험은국립식량과학원벼시험포장에서 5품종을공시하였는데, 조운벼, 고품벼, 다산벼및남평벼는 2013년부터 2017년까지 5년동안, 조평벼는 2014년에추가되어 4년동안 시험하였다. 2013~2015년은 5월 1일에파종하여 25일된모를 5월 25일에이앙하였고, 2016~2017년에는 4월 28일에파종하여 30일된모를 5월 28일에기계이앙하였으며, 재식간격은 30 14 cm로매년동일하게이앙하였다. 시비량은질소-인산-칼리를 ha당 90-45-57 kg으로주되, 질소는밑거름 50%, 가지거름 20%, 이삭거름 30% 로나누어주었으며, 인산은전량밑거름으로시용하였고, 칼리는밑거름 70%, 이삭거름 30% 로분시하였다. 가지거름은이앙후 15일에, 이삭거름은출수생태형별로구분하여조생종은 7월 5일, 중생종은 7월 19일, 중만생종은 7월 24일에주었다. 기타재배관리는농촌진흥청표준재배법에따랐다. 벼품종별등숙시기에따른수발아율변이를보기위해각품종별출수기에추출정도가비슷한이삭에표식을해두었다가출수후적산온도 800,, 되는시점에 5개씩채취하여실내검정을하였다. 실내수발아검정방법은농업과학기술조사방법 ( 농촌진흥청, 2012) 에따라온도 25 및포화습도가유지되는항온기에서 7일간처리하여조사하였다. 포화습도처리는 360 320 60 mm 크기의스테인리스트레이에페이퍼타올 (WYPALL L25 #41311, 6겹, 유한킴벌리 ) 을깔고물을충분히적신다음그위에 5이삭을놓고다시단겹의페이퍼타올을덮어수분이충분히유지되도록하였다. 수발아율 (%) 은발아립수 / 이삭의전체립수 100으로계산하였다. 출수후적산온도별종자의 ABA 함량변이를분석하기위해수발아검정시기와같은시기에채취한이삭을사용하였다. ABA 추출은 Liu et al. (2007) 의방법을따랐으며, 액체질소로마쇄한후추출용매 (25 mm KH 2 PO 4, ph3:meoh=2:8) 를넣고 30분간진탕한뒤 4 에서 20분간 13,000rpm으로추출한용액을 speed vacuum concentrator로용매를증발시켰다. 남은물질에 80% MeOH, 200 μl를넣고용해시킨다음정량에사용하였다. 정량분석은한국기초과학지원연구원 ( 서울 ) 의 Triple Quadrupole LC-Mass spectrometry (Finnigan TSQ Quantum Ultra EMR) 를이용하여분석하였다. 기상분석은기상청수원관측소 ( 지점번호 119) 의일별기상자료를활용하였고, 통계분석은 R v.3.4.1 (R Core Team, 2017) 을이용하여시험연도 (5수준) 를주구, 품종 (5수준) 을세구, 그리고출수후적산온도 (CTAH, 3수준 ) 를세세구로하여분산분석과던칸의다중범위검정으로평균간비교를하였고, 요인과수발아율간의상관분석을수행하였다. 결과및고찰품종및연차간수발아성차이비교공시된 5개품종의 5년평균수발아율을보면다산벼가
10 한작지 (KOREAN J. CROP SCI.), 63(1), 2018 Table 1. Heading date and sampling date for evaluation of pre-harvest sprouting in rice cultivars according to cumulative temperature after heading (CTAH). Cultivar Year Heading Date at CTAH* (m.d) Days after heading (DAH) Average temperature ( ) date (m.d) CTAH800 CTAH CTAH CTAH800 CTAH CTAH CTAH800 CTAH CTAH 2013 7.26 8.25 9.02 9.11 30 38 47 26.7 26.3 25.5 2014 7.23 8.24 9.01 9.10 32 40 49 25.0 24.9 24.5 Jounbyeo 2015 7.29 8.28 9.06 9.15 30 39 48 26.5 25.9 25.0 2016 7.25 8.22 8.30 9.07 28 36 44 29.0 28.0 27.3 2017 7.26 8.26 9.04 9.13 31 40 49 26.4 25.3 24.7 Mean 7.25 8.25 9.02 9.11 30 39 47 26.7 26.1 25.4 2013 - - - - - - - - - - 2014 7.26 8.28 9.04 9.14 33 40 50 25.1 24.7 24.4 Jopeyong 2015 7.28 8.27 9.05 9.14 30 39 48 26.6 26.0 25.1 2016 7.28 8.25 9.02 9.11 28 36 45 29.1 27.5 26.9 2017 7.30 8.30 9.08 9.18 31 40 50 25.6 24.9 24.2 Mean 7.28 8.27 9.04 9.14 31 39 48 26.6 25.8 25.1 2013 8.14 9.16 9.25 10.06 33 42 53 23.9 23.7 22.6 2014 8.18 9.22 10.01 10.13 35 44 56 23.0 22.5 21.5 Gopumbyeo 2015 8.20 9.24 10.04 10.17 35 45 58 22.8 22.1 20.8 2016 8.12 9.12 9.22 9.30 31 41 49 25.8 25.1 24.3 2017 8.17 9.22 10.02 10.13 36 46 57 23.1 22.6 21.9 Mean 8.15 9.18 9.28 10.09 34 43 54 23.8 23.3 22.3 2013 8.11 9.13 9.22 10.01 33 42 51 24.4 24.1 23.3 2014 8.10 9.14 9.22 10.02 35 43 53 24.3 23.1 22.6 Dasanbyeo 2015 8.17 9.20 9.30 10.11 34 44 55 23.2 22.9 21.6 2016 8.08 9.07 9.17 9.26 30 40 49 26.7 26.0 24.6 2017 8.11 9.15 9.24 10.05 35 44 55 22.4 21.9 21.1 Mean 8.11 9.13 9.22 10.02 33 43 52 24.2 23.7 22.7 2013 8.19 9.23 10.03 10.14 35 45 56 23.1 22.3 21.8 2014 8.20 9.25 10.05 10.18 36 46 59 22.2 21.6 20.5 Nampyeong 2015 8.21 9.25 10.05 10.18 35 45 58 22.7 22.0 20.6 2016 8.16 9.18 9.26 10.06 33 41 51 25.0 24.2 23.5 2017 8.23 9.30 10.11 10.24 38 49 62 21.5 20.9 19.5 Mean 8.19 9.24 10.03 10.15 35 45 57 22.9 22.2 21.3 2013 8.09 9.11 9.20 9.30 33 42 52 24.5 24.1 23.3 2014 8.07 9.10 9.18 9.29 34 43 53 23.9 23.4 22.7 Average 2015 8.12 9.15 9.25 10.06 33 42 53 24.4 23.8 22.6 2016 8.07 9.07 9.16 9.25 30 39 48 27.1 26.1 25.3 2017 8.11 9.15 9.24 10.05 34 44 55 23.8 23.7 22.3 Mean 8.09 9.11 9.21 10.01 33 42 52 24.7 24.2 23.3 * CTAH: Cumulative temperature after heading ( ) 6.0% 로가장낮았던반면, 고품벼가 74.9% 로가장높게나타났다 (Table 2). Table 3의분산분석결과를보면수발아율은품종간에고도로유의한차이를보이는데 (p < 0.001), 출수후적산온도 (CTAH) 및시험연도와의교호작용도존재함을알수있다. 고품벼는 CTAH 기준에서 72.7~89.0% 의연차간변이를보였다. 수발아성을보면우리나라에서재배되고있는품종은대부분자포니카형으로인디카형에비해휴면성이매우약하며, 특히조생종품종은휴면성이없는품종도있다고하였는데 (KRRA, 2010), 중생종인고품벼의경우휴면성이매우낮은것으로보인다 (Fig. 1B). 또한고품벼는 CTAH800 에서부터수발아율이높은것으로보아다른품종에비해종자의발아능력획득시기도빠른것으로보인다. 조평벼의 4년평균수발아율은 52.6% 로 CTAH 기준에서 25.9~68.9% 까지의변이를보였다. 2017년에 CTAH80 0 에서처럼수발아율이매우낮은경우도있으나, 대체적으로조평벼도고품벼처럼종자의성숙이빠른것으로생각된다. 조평벼은는 2015년과 2016년에서처럼 CTAH 의수발아성이 42.9~43.9% 로급격히높아지기도하는등연차간변이계수가 (CV=105%) 남평벼 (CV=90%) 보다높은것으로보아남평벼보다기상환경의영향을더크게받는것으로생각된다.
벼출수후적산온도에따른수발아발생의품종간차이및변이분석 11 Table 2. Pre-harvest sprouting rate by cultivar and cumulative temperature after heading (CTAH) in 2013 2017. Cultivar Heading ecotype CTAH* Pre-harvest sprouting (%) 2013 2014 2015 2016 2017 Average CV (%) 800 1.6 0.0 2.5 27.4 0.3 6.4 173 Jounbyeo Early 3.3 12.3 3.5 6.3 42.9 47.4 43.9 64.3 2.9 3.3 19.3 26.7 105 95 Mean 5.7 3.3 30.9 45.2 2.2 17.5 c 123 800-44.1 41.8 60.9 4.6 37.8 57 Jopyeongbyeo Medium - - 25.9 51.8 68.9 90.2 65.9 88.8 32.6 55.2 48.3 71.5 42 27 Mean - 40.6 67.0 71.9 30.8 52.6 b 47 800 42.2 51.7 55.9 54.6 37.5 48.4 22 Gopumbyeo Medium 84.6 97.1 87.7 96.0 89.0 92.5 72.7 82.0 87.5 93.0 84.3 92.1 9 7 Mean 74.6 78.4 79.1 69.8 72.6 74.9 a 28 800 1.0 0.1 0.1 4.4 0.9 1.3 134 Dasanbyeo Medium 1.7 3.6 1.2 3.9 2.4 17.2 12.9 33.0 0.7 6.5 3.8 12.8 130 93 Mean 2.1 1.7 6.6 16.7 2.7 6.0 d 151 800 1.3 0.3 3.8 5.5 0.4 2.3 108 Nampeyong Mid-late 4.6 25.1 4.0 46.9 27.3 65.3 26.1 30.7 3.7-13.2 42.0 90 39 Mean 10.4 17.1 32.1 20.8 2.1 17.5 c 112 800 12.0 19.3 20.8 30.6 8.7 18.5 c 124 Total 23.4 34.7 24.5 41.0 46.1 62.5 44.3 59.8 25.5 39.5 33.2 b 48.4 a 99 71 Mean 23.2 28.2 c 43.1 b 44.9 a 23.5 d 33.1 99 * CTAH: Cumulative temperature after heading ( ) : Means between the cultivars followed by the same letter are not significantly different by DMRT (p = 0.01). : Means between the years followed by the same letter are not significantly different by DMRT (p = 0.01). : Means between the CTAHs followed by the same letter are not significantly different by DMRT (p = 0.01). Table 3. ANOVA for pre-harvest sprouting (PHS) in rice. Source of Variation df Sum Sq Mean Sq F value Pr (>F) Year 4 32068 8017 589.636 <0.0001 *** Cultivar 4 241829 60457 2610.97 <0.0001 *** Year Cultivar 15 21066 1404 60.652 <0.0001 *** CTAH 2 48691 24346 793.213 <0.0001 *** CTAH Year 8 4108 514 16.731 <0.0001 *** CTAH Cultivar 8 13407 1676 54.602 <0.0001 *** CTAH Year Cultivar 29 12491 431 14.033 <0.0001 *** *** Significant at p < 0.001 조운벼는조평벼와같은조생종품종임에도수발아율이 17.5% 로낮은수준이었으며, CTAH 기준에서 2.9~43.9% 의변이를보였다. 조운벼은는 CTAH800 에서수발아율은 6.4% 로매우낮았는데, 이는조운벼의휴면성이높은것으로보인다 (Fig. 1A). 한편 2016년에는 CTAH800 에서 27.4% 로시작하여 CTAH 에서 64.3% 로수발아율이매우높았고, 2015년에는 CTAH 에서 42.9% 로급격히수발아율이증가하였다. 다른해에는등숙이진행되어 CTAH 에도달하더라도수발아율이 3.3~12.3% 까지낮게유지가되는것을볼때, 이는 2015년과 2016년의기상환경의영향을받아발아를억제하는기작이급격히감소하였던것으로생각된다. 2016년의기상조건을보면적산온도 CTAH800 까지의일평균기온은 29.0 이었고, CTAH 까지는 28.0 로시험기간중기온이비교적낮았던 2014년에비해각각 4.0 와 3.1 가높았음을알수있다 (Table 1). 기온은종자의발달에 가장큰영향을미치는기상요소중의하나로써, 온도가높을수록천립중의증가속도가빨라져등숙기간이짧아진다고하였는데 (KRRA, 2010), 실제 2016년의경우각적산온도별도달일수가 2014년에비해 3~5일빨라진것을알수있다. 남평벼의평균수발아율은 17.5% 로다른자포니카형품종에비해수치가낮았으며, CTAH 기준에서 3.7~26.1% 의변이를보였다. 남평벼의경우조운벼과와마찬가지로 2015년과 2016년에수발아율이가장높게나타났다. 이두해의남평벼의수발아율은 CTAH 에서는 27.3% 와 26.1% 로조운벼의 60% 정도수준이었는데, 이는남평벼의출수기가조운벼보다대략 20일정도늦어등숙기간의평균기온이 22.0 및 24.2 로보다낮은온도에서등숙을하였기때문으로생각된다. 따라서남평벼는 CTAH800 및 CTAH 에도달에소요된날수를보면조운벼보다 5일이더길었던것으로나타났다. 한편 CTAH 에서는높은수발아율을보였는
12 한작지(KOREAN J. CROP SCI.), 63(1), 2018 Fig. 1. Differences in appearance between PHS in the tolerant cultivar Jounbyeo (A) and the susceptible cultivar Gopumbyeo (B) at CTAH 800,, and. 데, 이는 남평벼의 등숙 후기 기온이 높고, 비가 내리는 기상환 경의 영향 때문으로 판단된다. 실제 2016년의 경우 9월말~10 월초 고온다습한 기상으로 인해 남부지역을 중심으로 수발아 피해가 심하게 발생하였다. 다산벼는 통일형 품종으로 다른 통일형 품종과 마찬가지로 CTAH 시점의 수발아성이 3.8%로 매우 낮았다. 2016년에는 12.9%로 다소 높아지기도 하였으나 여전히 수발아성이 매우 낮았다. 벼 품종의 수발아성은 연차간에 뚜렷한 차이를 보였다(Table 2). 공시된 품종의 평균하여 볼 때 수발아율(CTAH 기준) 이 가장 높았던 해는 2016년(44.6%)과 2015년(44.3%)으로, 2014년(23.5%) 및 2017년(25.5%)에 비해 80% 가량 높게 나 타났다. 2013년은 조평벼가 누락되어 있어 연차간 비교에서 는 제외하였으나, 이 품종을 제외한 다른 품종의 수발아율 평 균은 23.4%로 수발아율이 낮았던 두 해와 비슷하였다. 수발아 율이 높았던 두 해의 기상환경을 보면 2016년에는 등숙기간 동안의 평균기온은 26.1 로 5년 평균보다 1.9 높고 비가 자 주 내렸던 반면(Fig. 1D), 2015년은 23.8 로 5년 평균보다 다 소 낮았으나, 등숙 후기에 높은 기온을 경과한 것으로 나타났 다(Fig. 1C). 등숙기간 동안의 일평균기온이 높으면 적산온도 또한 빠르게 증가하는데 CTAH 에 도달하는데 소요되 는 일수가 2016년에는 39일로 가장 빨랐고, 2017년에 44일로 가장 느리게 나타났다. 벼 수발아 발생에 있어 기온이 주로 종자의 등숙속도에 영 향을 미친다면, 강수는 발아를 유도하는 조건으로 작용하는 것 으로 보인다. 밀에서는 고온에서 등숙을 하게 될 경우 수발아율 이 높아진다고 하였고, 등숙기간 중 기상요인 중 총강수량과는 상관이 없고, 종자의 성숙기 이후 평균기온이 높고 강우일수가 많을수록 수발아율이 높아진다고 하였다(Nakazono et al., 2013). 이는 대략 출수 후 25~30일이 경과하여 종자가 발아할 수 있는 능력을 가지게 되었을 때 기온이 높은 날 비가 자주 와 서 이삭이 젖어 있는 상태에서 수발아가 발생할 수 있음을 의 미한다. 그런데 밀의 수발아 발생과 관련하여 품종과 환경과 의 상호관계가 있지만, 설명도가 6%로 매우 낮다고 하였다 (Biddulph et al., 2008). 5년간 벼 품종의 수발아율 발생 양상을 보면 벼의 수발아성 은 밀과 동일하게 기본적으로 기상환경보다는 유전적인 영향 이 보다 큰 것으로 보이는데, 수발아에 강한 특성을 보이는 조 운벼의 예와 같이 조생종 품종이라고 하더라도 휴면성과 관련 된 품종의 내재적인 요인에 따라 수발아성의 차이가 크다고 할 수 있겠다. 벼 품종의 수발아성 평가 기준을 보면 Park &
벼출수후적산온도에따른수발아발생의품종간차이및변이분석 13 Kim (2009) 은출수후 45일에수확한이삭의수발아율이 10% 이하를나타낼경우수발아내성품종이라고하였는데, 본시험에서는통일형중생종인다산벼가이에해당한다고볼수있다. 자포니카형품종중에서는수발아율이 20% 이내인조생종조운벼와중만생종남평벼를수발아에강한품종이라고구분할수있을것으로생각된다. 출수후적산온도별수발아성차이비교품종간차이는있으나전체공시품종에걸쳐공통적으로출수후적산온도가증가할수록수발아성이높아졌다 (Table 2, 3). 이는종자의발아정도는품종에관계없이볍씨의성숙정도에따라증가하는경향을보인다는여러보고와같다 (Park & Kim, 2009; Suh & Kim, 1994). 적산온도에따른수발아율은공시품종전체의평균으로볼때 CTAH800 에서는 18.5%, CTAH 에서는 33.2%, 그리고 CTAH 에서는 48.4% 이므로적산온도 200 가증가할때수발아율은대략 14% 씩증가하는것으로볼수있다. 그러나공시품종전체를대상으로분석한적산온도와수발아율사이의상관계수는 R=0.357로유의성이나타나지않았다 ( 데이터미제시 ). 이는품종간의수발아율의차이가크고, 등숙이진행됨에따라특정시기에수발아율이크게증가하기도하므로등숙기적산온도와수발아성의관계는일반적인회귀식으로표현하는것이 어렵기때문으로보인다. 개별품종을보더라도적산온도와시험연도와의강한상호작용 (p < 0.001) 을보이므로정량적인수식으로표현하기어려웠다. 적산온도별수발아성의변이계수는 CTAH800 에서가장컸고 (124%), 등숙이진행될수록점차감소하는경향을보였다. 출수기로부터적산온도 800 에도달하는시기는 30일 ( 조생종 )~35일( 중만생종 ) 사이로대략출수후 33일에해당하며, 일부빠른품종을제외하고종자가발아력을갖추기시작할때이다 (Table 1). 그런데이시기는평균수발아율이 17.8% 로일부수발아성이높은품종을제외하고는수발아율이매우낮았기때문에변이계수가크게나타난것으로보인다. 따라서이시기는품종별수발아성정도를검정하는시점으로적절하지않은것으로생각된다. CTAH 에서는품종별평균수발아율이 32% 이고, 다산벼 3.5% 부터고품벼 84.0% 까지넓은분포를보인다. CTAH 에서는통일형품종을제외하고대부분 20% 이상의높은수발아율을보였다. 적산온도 에도달하는기간은조생종 47일 ~ 중만생종 57일로벼수확기 (1100~ ) 에해당한다. 따라서이시기보다품종간변이계수가높은 CTAH 에서품종간수발아성정도를구분하기에적당한시점으로생각된다. CTAH 는본시험에서평균적으로출수후 42일경으로나타나는데, 조생종은 39일경, 중생종은 43일경, 중만생종은 45일경에해당한다. Fig. 2. Daily mean temperature and rainfall during rice ripening periods in the experimental years (A-E). In the panels A-E, the daily mean temperature of the 30 years is repeatedly shown as a dotted line. Mean temperature of 40 days after heading (y-axis) on each heading date (x-axis) from 2013 to 2017 (F). Dashed arrows in panel F indicate the average heading dates for each cultivar for 5 years from 2013 to 2017, excluding Jopyeongbyeo (2014 2017).
14 한작지 (KOREAN J. CROP SCI.), 63(1), 2018 출수후 40일동안의적산온도를 40일로나눈일평균기온의평년 (1981-2010) 추세를보면 7월 10일 ~7월 21일까지최고 25.8 를보였으며, 이후서서히낮아지는추세를보인다 (Fig. 2F). 우리나라주요벼품종은극조생종을제외하고지역별표준이앙시기에재배할경우대부분 7월 21일이후에출수를하게되는데, 출수기가빠를수록출수후 40일동안의적산온도가높은반면출수기가늦을수록적산온도는낮아지게된다. 평년의기상에본시험기간동안의공시품종별평균출수기를대입하여보면조운벼의경우 7월 25일에출수하여출수후 40일에는적산온도 1023 에도달하고, 중생종인고품벼는 8월 15일에출수하여 918 에, 중만생종인남평벼는 8월 19일에출수하여 889 에도달하였다. 또한중부지역의안전등숙출수한계기인 8월 30일에출수를할경우에는적산온도 803 에도달한다. 따라서출수후 40일을기준으로수발아를검정하게되면적산온도가최고 1033 에서 803 까지범위가넓기때문에출수기 ( 또는출수생태형 ) 별로종자의등숙정도가다른상태에서수발아성을평가하게된다. 벼종자의등숙속도와기간은온도에따라크게달라진다. 출수기가빠른품종의경우높은온도에서등숙을하므로종자의발달속도가빠르고등숙기간이짧은반면, 출수기가늦은품종의경우보다낮은온도에서등숙이진행되어종자의발달속도가완만하지만등숙기간이길어진다. 등숙기간에고온을경과하는경우종자의생리적성숙이빠르고휴면성이일찍소거될수도있으므로출수후일수를기준으로수발아성을검정할경우조생종은수발아성이비교적높게나타날수있다. 반대로중만생종의경우기온이낮아종자의생리적성숙에더많은시일이소요되므로수발아성을낮게평가할경향이있다. 따라서출수후 40일에이삭을채취하여수발아성검정하는현수발아검정방법의경우출수기에따라온도의차이가크다는점과등숙기간기온이높은해와낮은해의차이를감안하지못하는단점이있다. Ju et al. (2000) 은효과적으로벼수발아성을검정할수있는시기를출수후 45일경이라고하였는데, 본시험에서적산온도를기준으로한조생 종의검정시기인출수후 39일보다 6일정도등숙이더진행된상태이므로수발아성이비교적높게나타날수있다. 한편농촌진흥청농업연구조사기준 (RDA, 2012) 에따르면벼수발아성검정은출수후 40일에 3이삭이상을채취하여발아율을조사하므로본시험결과와비슷한시기에수행한다고볼수있겠다. 다만중만생종은평년기온기준적산온도 에도달하는데걸리는일수인 43일보다이른시기에검정하게됨으로써수발아성을낮게평가할가능성이있다. 이러한이유로출수후적산온도가수발아성검정시기결정에합리적인기준이될수있을것이다. 그런데적산온도를기준으로수발아검정시기를결정할경우일평균기온의경과를꾸준히지켜봐야하고, 이에따라조사일정이달라지므로작업일정계획이까다로워지는현실적인문제가있다. 한편으로는현행벼수발아성의검정시기는벼표준재배시기에해당하므로출수후일수를기준으로수발아율을조사한결과를현장활용하는데에는크게문제가되지않을것으로보인다. 다만내수발아성이높게평가된품종이벼재배시기가달라지거나이상고온현상이나타나고온에서등숙을하게되는경우, 또는잦은강우등의불량기상조건에서는품종특성으로제시된것보다수발아율이높게나타날수있음을염두에두어야할것이다. 출수생태형별수발아성비교출수생태형별로수발아성을비교해보면출수후적산온도에상관없이중생종 > 조생종 > 중만생종순으로나타났다 (Table 4). 품종의조만성에따른수발율은대체적으로조생종이높다고보고되어있으나, 본시험에서중생종이가장높게나타난이유는통일형인다산벼의수발아율이매우낮았음에도불구하고고품벼의수발율이특이적으로높아평균값을견인하였기때문이다. 본시험에공시된품종은수발아성이높은품종과낮은품종을고려하여선정하였고, 품종수도 5개로적기때문에출수생태형간의수발아율차이를대표하기어려운면이있으므로출수생태형별수발아성의차이를비교하기위해서는다양한품종과유전자원을대상으로보다폭넓은검 Table 4. Pre-harvest sprouting rates of tested rice cultivars grouped into different heading ecotypes. Data represent the average of 4 experimental years from 2014 to 2017. Heading Heading Date at CTAH (m.d) Days after heading (DAH) Average temperature ( ) Pre-harvest sprouting (%) ecotype date (m.d) CTAH800 CTAH CTAH CTAH800CTAH CTAH CTAH800 CTAH CTAH CTAH800 CTAH CTAH Early 7.26 8.26 9.03 9.12 30±0.2 39±0.2 48±0.3 26.7±3.3 25.9±3.4 25.3±4.5 22.7±3.3 35.8±3.4 50.9±4.5 Medium 8.13 9.16 9.25 10.06 34±0.3 43±0.2 54±0.4 24.0±3.3 23.4±5.3 22.4±5.1 25.6±3.3 44.2±5.3 53.0±5.1 Mid-late 8.19 9.24 10.03 10.15 36±0.3 45±0.5 58±0.8 22.9±0.4 22.2±2.1 21.2±4.4 1.6±0.4 11.9±2.1 33.7±4.4 Mean 8.08 9.10 9.19 9.29 33±0.2 42±0.3 53±0.4 24.8±2 24.1±2.7 23.2±2.9 17.3±2 31.5±2.7 47.6±2.9 CV (%) - - - - 9 8 10 90 128 142 12 7 5 All values except dates are expressed as the mean ± SD.
벼출수후적산온도에따른수발아발생의품종간차이및변이분석 15 Fig. 3. Pre-harvest sprouting rate (A) and ABA contents in dried seeds of rice cultivars (B) in 2015. Error bars represent the standard deviation of the mean (n = 3). 토가필요할것으로생각된다. Lee et al. (2016) 은벼유전자원 205점의수발아성을검토한결과출수기가늦은계통일수록수발아율이점차감소하는경향을보였지만, 인디카형과통일형계통에서만통계적으로유의한차이를보인다고하였다. 한편 Park & Kim (2009) 은중부지역에서주로재배되는자포니카형벼 20개품종의수발아율을조사한결과일부품종을제외하고조생종이중생종보다수발아율이높다고하였고, 다른보고에서도대체적으로조생종의수발아율이중만생종보다높은경향을보였다 (Ju et al., 2000; Park & Park, 1984). 품종및적산온도별 ABA 함량과수발아성 2015년에수확한이삭의수발아율을보면품종에상관없이적산온도가높아질수록수발아율은증가하는경향을보이는데반해 (Fig. 3A), 종자내의 ABA 함량은점차감소하는경향을보였다 (Fig. 3B). 본시험에서시료를채취한시점은조운벼와조평벼가출수후 30~48일, 고품벼와남평벼는 35~58일로, 벼종자의등숙단계로보면황숙기 ~ 완숙기에해당한다. 따라서벼의등숙후기에는등숙정도와 ABA함량사이에부의상관관계가있다고하겠다. Lee et al. (2016) 은벼종실내 ABA 함량은수정후 3 일경부터급격히증가하여 10일에최고가되며, 이후감소한다고하였고, Liu et al. (2014) 이벼등숙초기및중기에 ABA 함량이높게나타났다가점차감소한다고보고한결과와같았다. 품종간 ABA의함량과수발아성과의관계는일정한경향을보이지않았다. CTAH 시점에서수발아율이높은조평벼의 ABA 함량은 16.9 ng/g으로, 이보다수발아율이낮았던조운벼의 ABA 함량 (16.3 ng/g) 과유의한차이를보이지않았다. 또한수발아율이가장높았던고품벼의경우수발아율 이가장낮았던남평벼보다 ABA 함량이낮았지만, 조운벼와조평벼보다는높게나타나일관성이없었다. Liu et al. (2014) 은 ABA 함량과품종간수발아성사이에부의상관관계가있어수발아성이낮은품종에서 ABA 함량이높다고하였고, Kim (1995) 은인디카와통일형벼가자포니카형벼품종보다수발아율이낮은이유를왕겨의 ABA 함량이많기때문이라고보고하기도하는등 ABA의함량이수발아성을감소시키는방향으로작용한다고하였다. 그런데본시험의결과를보면 Lee et al. (2016) 이제안한바와같이인디카형계통은수발아성이낮은품종에서 ABA 함량이높았던반면자포니카형계통은반대의경향이나타나 ABA의절대적인함량보다는 ABA 수용체나신호전달과정이더직접적인영향을끼칠것이라는가정이더설득력이있다고판단된다. 또한벼종자의발달과정에서합성된 ABA가휴면을유지하는데있어중요한역할을하지만, ABA의절대적인함량보다 ABA와 GA 호르몬의비율이수발아성에영향을끼친다고도하였다 (Finch- Savage & Leubner-Metzger, 2006). 따라서본시험결과와같이 ABA 함량이라는하나의요소만으로벼품종간수발아성의차이를설명하기어려울것으로보인다. 한편식물호로몬의생합성과분해과정에는환경의영향이크게작용을하는데 (Fidler et al., 2015), 본시험에서는공시품종을동일한날에이앙을하여품종마다출수기가각기달랐기때문에각품종마다등숙기기상환경의차이로인해 ABA 함량이달라질수도있다. 따라서추후품종별 ABA함량과수발아성의관계를비교하기위해서는 Lee et al. (2016) 이유전자원계통간 ABA 함량을비교하기위해출수기가비슷한시기의계통을선택하였던것과같이, 공시품종의재배시
16 한작지 (KOREAN J. CROP SCI.), 63(1), 2018 기를달리하여유사한시기에출수한시료를골라분석함으로써환경의영향을최소화할필요가있을것으로생각된다. 적요 본연구는 2013~2017년에벼의출수후적산온도에따른수발아발생양상의품종간차이와연차간변이를조사하고, 품종간수발아성에관여하는생리적요인을구명하고자수행하였으며, 그결과를요약하면다음과같다. 1. 벼품종별수발아율은품종간에크게차이가났으며, 다산벼, 조운벼, 남평벼가내수발아성이강하였고, 고품벼와조평벼는수발아성이높게나타났다. 2. 벼품종별수발아성은연도에따라발생정도가다르게나타났으며, 특히 2015년과 2016년에는대부분의품종이높은수발아율을보였다. 등숙기기상조건에따라품종간수발아의발생양상이다르게나타났는데, 유전적인특성과환경조건의상호작용이컸기때문으로보인다. 3. 출수후적산온도가 800 에서 로증가할수록수발아성은높아졌다. 수발아검정시기를출수후일수로고정하는것보다등숙적산온도를기준으로하는것이기상조건에따른종자의생리적발달단계를적절하게반영할수있으며, 적산온도 에서종자가발아력을충분히갖추면서품종간변이계수가큰것으로나타났다. 4. 출수후적산온도 800 이후적산온도가증가함에따라 ABA 함량이점차감소하는경향을보였다. 그러나 ABA 함량과벼품종의수발아성은유의한상관관계를보이지않았다. 사사 본논문은농촌진흥청연구사업 ( 세부과제명 : 등숙기수발아양상의품종간차이와효소및대사물질변화구명, 세부과제번호 : PJ00920302) 의지원에의해이루어진것임 인용문헌 (REFERENCES) Arc, E., J. Sechet, F. Corbineau, L. Rajjou, and A. Marion-Poll. 2013. ABA crosstalk with ethylene and nitric oxide in seed dormancy and germination. Front. Plant Sci. 4(63) : 1-19. Baek, J. S. and N. J. Chung. 2014a. Pre-harvest sprouting variation of rice seeds located on each panicle position according to grain filling days. Korean J. Crop Sci. 59(1) : 22-26. Baek, J. S. and N. J. Chung. 2014b. Influence of rainfall during the ripening stage on pre-harvest sprouting, seed quality, and longevity of rice (Oryza sativa L.). Korean J. Crop Sci. 59(4) : 406-412. Biddulph, T. B., J. A. Plummer, T. L. Setter, and D. J. Mares. 2008. Seasonal conditions influence dormancy and preharvest sprouting tolerance of wheat (Triticum aestivum L.) in the field. Field Crops Res. 107(2) : 116-128. Cho, D. S., I. B. Kim, T. Yun, S. K. Park, and K. C. Kwun. 1987. Studies on the viviparous germination in rice-(1)-effect of harvesting and seeding time. Res. Rep. Agri. Sci.-Chungbuk National University 5(1) : 3-13. Fidler, J., E. Zdunek-Zastocka, and W. Bielawski. 2015. Regulation of abscisic acid metabolism in relation to the dormancy and germination of cereal grains. Acta Soc. Bot. Pol. 84(1) : 3-11. Finch-Savage, W. E. and G. Leubner-Metzger. 2006. Seed dormancy and the control of germination. New Phytol. 171(3) : 501-523. Gubler, F., A. A. Millar, and J. V. Jacobsen. 2005. Dormancy release, ABA and pre-harvest sprouting. Curr. Opin. Plant Biol. 8(2) : 183-187. He, D. L. and P. F. Yang. 2013. Proteomics of rice seed germination. Front. Plant Sci. 4(246) : 1-9. Huh, S. M., Y. S. Hwang, Y. S. Shin, M. H. Nam, D. Y. Kim, and I. S. Yoon. 2013. Comparative transcriptome profiling of developing caryopses from two rice cultivars with differential dormancy. J. Plant Physiol. 170(12) : 1090-1100. Ju, Y. C., S. W. Han, J. S. Park, and K. Y. Park. 2000. Effective screening method for viviparous germination of rice. Korean J. Crop Sci. 45(2) : 103-107. Kaneko, M., H. Itoh, M. Ueguchi-Tanaka, M. Ashikari, and M. Matsuoka. 2002. The alpha-amylase induction in endosperm during rice seed germination is caused by gibberellin synthesized in epithelium. Plant Physiol. 128(4) : 1264-1270. Kang, J., S. Yim, H. Choi, A. Kim, K. P. Lee, L. Lopez-Molina, E. Martinoia, and Y. Lee. 2015. Abscisic acid transporters cooperate to control seed germination. Nat Commun 6 : 8113. Kim, S. J., J. G. Won, D. J. Ahn, S. D. Park, and C. D. Choi. 2008. Influence of viviparous germination on quality and yield in rice. Korean J. Crop Sci. 53(S) : 15-18. Kim, Y. W. 1995. Chemical components related with seed dormancy and viviparous germination in rice. Korean J. Crop Sci. 40(1) : 113-119. Korean Rice Research Association Inc. (KRRA). 2010. Rice and rice. pp.466-467. Lee, G. A., Y. A. Jeon, H. S. Lee, D. Y. Hyun, J. R. Lee, M. C. Lee, S. y. Lee, K. H. Ma, and H. J. Koh. 2018. Variation in pre-harvest sprouting resistance, seed germination and changes in abscisic acid levels during grain development in diverse rice genetic resources. Plant Genetic Resources: Characterization and Utilization 16(1) : 18-27. Lee, J. H., E. K. Ahn, W. G. Ha, E. G. Jeong, Y. J. Won, Y. H. Jeon, S. B. Lee, K. H. Jung, J. K. Chang, and J. H. Lee. 2015. Viviparous characteristics of four Korean japonica rice cultivars adapted to tropical region. J. Korean Soc. Intn. Agr. 27(2) : 168-171. Lee, S. Y., J. H. Ahn, H. J. Kim, and M. Y. Eun. 2006.
벼출수후적산온도에따른수발아발생의품종간차이및변이분석 17 Relationship among viviparous germination, dry-heat tolerance and seed longevity in Milyang 23/Gihobyeo RILs. J. Bioenviron. Control 15(4) : 421-427. Liu, H. T., Y. F. Li, T. G. Luan, C. Y. Lan, and W. S. Shu. 2007. Simultaneous determination of phytohormones in plant extracts using SPME and HPLC. Chromatographia 66(7) : 515-520. Liu, S. J., H. H. Xu, W. Q. Wang, N. Li, W. P. Wang, Z. Lu, I. M. Moller, and S. Q. Song. 2016. Identification of embryo proteins associated with seed germination and seedling establishment in germinating rice seeds. J. Plant Physiol. 196-197 : 79-92. Liu, Y., J. Fang, F. Xu, J. Chu, C. Yan, M. R. Schlappi, Y. Wang, and C. Chu. 2014. Expression patterns of ABA and GA metabolism genes and hormone levels during rice seed development and imbibition: A comparison of dormant and non-dormant rice cultivars. J. Genet. Genomics 41(6) : 327-338. Magwa, R. A., H. Zhao, and Y. Xing. 2016. Genome-wide association mapping revealed a diverse genetic basis of seed dormancy across subpopulations in rice (oryza sativa l.). BMC Genet. 17 : 28. Nakazono, K., H. Ohno, H. Yoshida, and H. Nakagawa. 2013. Effects of meteorological factors during grain development on pre-harvest sprouting in wheat. Jpn. J. Crop Sci. 82(2) : 183-191. Oh, S., C. Kim, C. Kim, S. Kim, and J. Lee. 1987. Influence of viviparous germination on quality and yield potential of rice. Res. Rept. RDA (Crops) 29(1) : 68-73. Park, J. S. and H. D. Kim. 2009. Viviparous germination characteristics of rice vrieties adaptable to central region of Korea. Korean J. Crop Sci. 54(3) : 241-248. Park, K. B. and R. K. Park. 1984. Studies onf the viviparous germination of indica japonica type varieties in paddy rice. Korean J. Crop Sci. 29(1) : 15-18. R Core Team. 2017. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. https://www.r-project.org/. Rural Development Administration (RDA). 2012. Research and analysis standards of agricultural science and technology. 5th ed., Suwon. p.317-338. Rural Development Administration (RDA). 2015. High quality rice production manual. Revised ed. Rural Development Administration, Jeonju, Korea. pp.405-414. Shon, J., J. Kim, H. Jung, B. K. Kim, K. J. Choi, and W. Yang. 2014. Effect of pre-harvest sprouting on seed viability, germination and seedling emergence rate of rice. Korean J. Crop Sci. 59(4) : 427-434. Shu, K., X. D. Liu, Q. Xie, and Z. H. He. 2016. Two faces of one seed: Hormonal regulation of dormancy and germination. Molecular Plant 9(1) : 34-45. Shu, K., Y. J. Meng, H. W. Shuai, W. G. Liu, J. B. Du, J. Liu, and W. Y. Yang. 2015. Dormancy and germination: How does the crop seed decide? Plant Biol. 17(6) : 1104-1112. Suh, K. H. and Y. W. Kim. 1994. Varietal differnce in viviparous germination at different days after heading and temperature conditons in rice. Korean J. Crop Sci. 39(2) : 187-192. Wan, J. M., L. Jiang, J. Y. Tang, C. M. Wang, M. Y. Hou, W. Jing, and L. Zhang. 2006. Genetic dissection of the seed dormancy trait in cultivated rice (Oryza sativa L.). Plant Sci. 170(4) : 786-792. Wu, T., C. Yang, B. Ding, Z. Feng, Q. Wang, J. He, J. Tong, L. Xiao, L. Jiang, and J. Wan. 2016. Microarray-based gene expression analysis of strong seed dormancy in rice cv. N22 and less dormant mutant derivatives. Plant Physiol. Biochem. 99 : 27-38.