Harnessing Male Sterility Systems in Marigold (Tagetes erecta L.) for Hybrid Breeding Focused on Carotenoid Enrichment and Flower Yield

기술 요약: 카로티노이드 함량 및 화훼 수확량 증대를 목표로 한 메리골드(Tagetes erecta L.)의 수컷 불임 시스템 활용

문제 제기
메리골드(Tagetes erecta L.)는 화훼용과 식품, 사료 및 건강기능식품 산업을 위한 천연 카로티노이드의 주요 공급원이라는 두 가지 목적을 수행하는 중요한 상업적 작물이다. 전 세계적으로 천연 카로티노이드에 대한 수요가 증가함에 따라, 화훼 수확량과 카로티노이드 함량을 동시에 극대화할 수 있는 메리골드 하이브리드에 대한 구체적인 필요성이 대두되고 있다. 수동 수분(emasculation) 과정을 제거하여 잡종 종자 생산을 용이하게 하는 수컷 불임 시스템은 필수적이지만, 카로티노이드 강화 및 수확량 관련 형질에 미치는 이들의 구체적인 기여도는 아직 충분히 연구되지 않았다. 기존 문헌은 주로 영양 생장 및 관상용 형질에 집중되어 있으며, 서로 다른 수컷 불임 시스템—특히 세포질 수컷 불임(CMS)과 유전자형 수컷 불임(GMS)의 꽃잎 형태(petaloid) 및 무꽃잎 형태(apetaloid) 간의 결합 능력, 잡종 강세 및 색소 축적에 대한 비교 분석은 제한적이다.

연구 방법
본 연구는 공통 화분 부모인 상업적 품종 Pusa Narangi Gainda로부터 유래된 세 가지 뚜렷한 수컷 불임 계통과 그에 대응하는 $F_1$ 잡종의 성능을 평가하였다. 실험 재료는 다음과 같다:

1. CMS 꽃잎 형태 계통: IIHRMOS-1 (영양 생장 방식으로 유지).
2. GMS 꽃잎 형태 계통: IIHRMOP 1111 (불임:가임 비율 1:1로 분리).
3. GMS 무꽃잎 형태 계통: IIHRMOAp 129 (불임:가임 비율 1:1로 분리; 가임 계통은 카로티노이드 추정을 위해 사용됨).

실험은 인도 농업연구소(ICAR–IIHR, 벵갈루루)에서 무작위 블록 설계(RBD)와 3회 반복을 사용하여 수행되었다. 식물 높이, 분지 수, 개화 기간, 꽃 지름, 개체당 수확량, 저장성(shelf life)을 포함한 17가지 농업 및 화훼 형질을 기록하였다. 카로티노이드 함량은 AOAC 방법 970.64(검화법)를 사용하여 건조된 꽃잎으로부터 건조 꽃잎 밀도 100g당 그람(g) 단위로 추정하였다.

통계 분석에는 분산 분석(ANOVA), 유전적 변이 파라미터(PCV, GCV, ECV) 추정, 그리고 카로티노이드 함량에 대한 직접적 및 간접적 효과를 결정하기 위한 상관관계 및 경로 계수 분석이 포함되었다. 일반 결합 능력(GCA)과 잡종 강세는 Line $\times$ Tester 분석을 통해 추정되었다.

주요 기여 및 결과

• 수컷 불임 시스템의 성능:

  • CMS 꽃잎 형태 잡종: 성장 및 수확량 형질에서 우수한 성능을 보였다. IIHRMOS-1 $\times$ Pusa Narangi Gainda 잡종은 최대 식물 높이(82.00 cm), 분지 수(12.73), 생화 및 건화 중량, 개화 기간(112일), 개체당 화훼 수확량(722.00 g)을 기록하였다. 또한 가장 높은 평균 카로티노이드 함량(건조 꽃잎 무게 100g당 1.52 g)을 나타냈다.
  • GMS 꽃잎 형태 잡종: 꽃의 질적 형질, 특히 꽃 지름(7.63 cm), 개체당 꽃 수, 수확 횟수 및 저장성에서 뛰어난 성과를 보였다.
  • GMS 무꽃잎 형태 잡종: 꽃눈 형성 및 개화가 빨라 전체적인 작기(crop duration)가 짧은 것이 특징이다. 특정 비교군에서 카로티노이드 함량에 대한 높은 잡종 강세를 보이기도 했으나, 전반적인 평균 성능은 CMS 잡종보다 낮았다.

• 형질 연관성 및 경로 분석:

  • 상관관계 분석 결과, 카로티노이드 함량은 생화 꽃잎 무게, 건조 꽃잎 무게, 생화 중량, 꽃 지름 및 저장성과 양(+)의 상관관 관계를 보였다.
  • 경로 계수 분석 결과, 건조 꽃잎 무게, 생화 중량, 꽃 지름 및 꽃눈 형성 일수가 카로티노이드 함량에 강력한 직접적 양(+)의 효과를 미치는 것으로 확인되었다. 반면, 식물 높이, 저장성 및 건조 화훼 중량은 일부 양의 상관관계를 보였음에도 불구하고 음(-)의 직접적 효과를 보였는데, 이는 이들의 영향이 주로 간접적임을 시사한다.

• 결합 능력 및 잡종 강세:

  • CMS 꽃잎 형태 계통은 대부분의 성장, 개화 및 수확량 형질에서 유의미한 양(+)의 일반 결합 능력(GCA)을 나타냈다.
  • GMS 꽃잎 형태 계통은 꽃 지름, 수확 횟수 및 저장성에 대해 유의미한 양(+)의 GCA를 보였다.
  • 잡종 강세 분석 결과, CMS 기반 잡종은 일반적으로 수확량 및 생물량(biomass)에 대해 양(+)의 잡종 강세를 보여, 일부 GMS 잡종이 특정 품질 형질에서 더 높은 잡종 강세를 보였음에도 불구하고 상업적 이용에 있어 더 우수함을 입증하였다.

의의 및 주장
본 논문은 CMS 꽃잎 형태 수컷 불임 계통이 화훼 시장과 산업용 카로티노드 추출을 모두 목적으로 하는 이중 목적 메리골드 잡종 개발에 가장 적합한 시스템이라고 결론짓는다. 이 계통들은 GMS 시스템(종자 번식 시스템에서 가임 식물과 불임 식물이 분리되는 문제 발생)이 가진 분리 문제를 피하면서도 높은 화훼 수확량, 생물량 축적 및 카로티노이드 생산 측면에서 일관된 이점을 제공한다.

GMS 꽃잎 형태 계통은 종자 번식 시스템 하에서 카로티노이드 강화를 목표로 하는 육종 프로그램에서 높은 꽃 품질 형질을 바탕으로 잠재력이 있음이 언급되었으나, 본 연구는 CMS 기반 잡종이 높은 수확량과 높은 색소 함량 사이의 최적의 균형을 제공한다고 주장한다. 본 연구의 결과는 건조 꽃잎 무게, 꽃 지름 및 생화 중량을 위한 선발이 카로티노이드 수확량을 효과적으로 개선할 수 있음을 시사하며, 실질적인 통찰력을 제공한다. 또한, CMS 시스템을 활용하는 것이 산업용 색소 생산을 위한 메리골드 재배의 경제적 타당성을 크게 높일 수 있음을 강조한다.