Genetic Diversity Assessment for Nutritional Traits of Ex-situ Finger Millet Collections

기술 요약: 현지외(Ex-situ) 핑거 밀렛 컬렉션의 영양적 특성에 대한 유전적 다양성 평가

문제 제기
핑거 밀렛(Eleusine coracana)은 아프리카와 아시아의 건조 및 반건조 지역에서 중요한 식량 작물로, 높은 탄수화물, 에너지, 단백질 및 미네로 함량으로 가치를 인정받고 있다. 이 작물은 특히 철분(Fe), 아연(Zn), 단백질 결핍을 겪는 취약 계층의 영양 불균형 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 한다. 에티오피아가 기원지 중 하나임에도 불구하고, 이 작물은 농학적 특성인 수확량과 내건성을 우선시해 온 육종 프로그램에서 영양적 품질 개선을 위한 유전적 개량에 충분히 활용되지 못하고 있다. 다양한 아프리카 국가들의 현지외 핑거 밀렛 컬렉션 내 영양적 특성의 유전적 다양성에 대한 포괄적인 특성 분석이 부족하며, 이는 육종가들이 생합성(biofortification)을 위해 우수한 유전자원을 선택하는 데 한계로 작용하고 있다.

연구 방법
본 연구는 에티오피아 생물다양성 연구소로부터 확보한 에티오피아, 짐바브웨, 에리트레아, 잠비아의 컬렉션을 대표하는 200개의 핑거 밀렛 계통(유전자형)을 평가하였다. 실험 설계는 에티오피아 티그라이 지역의 세 곳(Maiaini, Zana, Rama)에서 두 번의 생육 시즌(2019/2020) 동안 2회 반복된 10 × 20 알파 격자 설계(alpha lattice design)를 활용하였다.

• 데이터 수집: 모든 계통의 곡물 영양 함량을 평가하였다. 정확성을 보장하기 위해 오염을 방지하고자 혼합 곡물 샘문을 세척한 후 근적외선 분광광도계(DA 720)를 사용하여 분석하였다. 측정된 형질은 수분 함량, 단백질, 전분, 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철분(Fe), 아연(Zn)이다.
• 통계 분석: 데이터는 t-검정과 피어슨 상관계수를 위해 IBM-SPSS로 분석되었다. 클러스터 분석은 MINITAB v19을 사용하여 Ward의 연결법(Ward's Linkage method)과 제곱 유클리드 거리(Squared Euclidean Distance)를 통해 수행되었으며, 판별 분석(Discriminant Analysis)으로 검증되었다. 주성분 분석(PCA)은 변이 패턴을 식별하기 위해 Past4.0 소프트웨어를 사용하여 수행되었다.

주요 결과

• 유전적 변이: 200개 계통의 모든 영양 형질에서 유의미한 변이(P < 0.001)가 관찰되었다.
  • 단백질: 5.15%에서 9.33% 사이의 범위를 보였으며(평균 6.43%), 짐바브웨 유래 계통인 203574가 가장 높은 단백질 함량을 나타냈다.
  • 미네랄: 칼슘은 139431 mg/100g, 마그네슘은 120.85525.50 mg/100g, 철분은 4.0630.68 mg/100g, 아연은 0.114.89 mg/100g의 범위를 보였다.
  • 최우수 성과자: 단백질, 칼슘, 마그네슘, 철분, 아연에 대해 각각 가장 높은 성능을 보인 계통은 203574, 234160, 203259, 203257, 203262로 확인되었다. 주목할 점은, 이러한 특정 형질들에 대해 상위 순위에 오른 계통들은 최고 단백질 계통인 짐바브웨 유래 203574를 제외하고는 모두 에티오피아 유래라는 것이다.
• 상관관계: 철분 함량은 칼슘, 마그네슘, 아연과 유의미한 양의 상관관계를 보였다. 칼슘은 아연과 강한 양의 상관관계를 보였다(r = 0.62, P < 0.01). 단백질 함량은 대부분의 미네랄 형질과 약하고 유의하지 않은 음의 상관관계를 보였다.
• 클러스터 분석: 계통들은 6개의 뚜렷한 클러스터로 그룹화되었다. 클러스터 I은 49개의 짐바브웨 계통을 포함하여 가장 많은 계통(73개)을 포함했다. 클러스터 V와 VI는 가장 높은 미네랄 농도를 가진 계통들을 포함했다. 클러스터 V는 높은 마그네슘과 철분을 특징으로 했으며, 클러스터 VI는 높은 칼슘, 마그네슘, 아연 및 철분을 나타냈다. 가장 큰 유전적 거리는 클러스터 IV와 VI, 그리고 II와 VI 사이에서 관찰되었다.
• 주성분 분석(PCA): 첫 두 주성분이 전체 변이의 약 60.7%를 설명하였다. PC1(40.27%)은 주로 마그네슘, 아연, 칼슘, 수분에 의해 영향을 받았으며, PC2(17.51%)는 단백질, 전분, 철분의 영향을 받았다.
• 지리적 및 표현형적 요인: 영양 프로필은 원산지에 따라 차이가 있었다. 에티오피아 계통은 에리트레아 및 짐바브웨 계통에 비해 아연과 철분이 일반적으로 낮았으나, 에티오피아 계통은 높은 마그네슘을 보였다. 종자 색깔 또한 영양 함량에 영향을 미쳤다. 갈색 및 주황색 종자는 칼슘과 철분은 높았으나 마그네슘은 낮았으며, 갈색 및 흰색 종자는 검은색 및 붉은색 종자에 비해 아연 함량이 높았다. 수분, 단백질, 전분은 종자 색깔에 따라 유의미하게 변하지 않았다.

의의 및 기여
본 연구는 아프리카 핑거 밀렛 컬렉션의 영양적 형질에 대한 유전적 다양성 평가의 기초를 제공한다. 우수한 영양 프로필(예: 고칼슘, 고철분, 고아연, 고단백)을 가진 특정 계통을 식별함으로써, 본 연구는 육종가들이 교배 프로그램을 위한 부모 계통을 선택하는 데 직접적인 자원을 제공한다. 영양 형질에 기반한 계통의 클러스터링은 선택 과정을 단순화하여, 육종가들이 바람직한 미네랄 형질을 결합하기 위해 특정 클러스터(클러스터 V 및 VI와 같은)를 목표로 할 수 있게 한다.

본 연구 결과는 핑핑 밀렛이 미량 영양소 결핍 문제를 완화할 수 있는 수단이 될 수 있음을 강조한다. 연구는 미량 영양소가 풍부한 고영양 계통을 전통적 방식과 분자 기술을 통해 육종 프로그램에 통합하는 것이 식량 안보와 영양 건강이라는 이중 과제를 해결하는 품종 개발을 가속화할 수 있다고 결론짓는다. 또한, 지리적 기원과 영양 함량 사이의 상관관계는 특정 영양 프로필을 타겟팅하기 위해 유전자원 수집 전략을 정교화할 수 있음을 시사한다. 저자들은 이 작물이 특히 칼슘과 같은 미네랄의 중요한 공급원임을 강조하며, 향하여 현지 품종의 영양 성분을 강화하고 이를 복합 가루 기술에 적용하는 방안을 탐구하는 데 집중해야 한다고 강조한다.