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ISSN : 1225-8504(Print)
ISSN : 2287-8165(Online)
Journal of the Korean Society of International Agricultue Vol.30 No.3 pp.205-211
DOI : https://doi.org/10.12719/KSIA.2018.30.3.205

Variability of Selected Phenotypic Characteristics & Bitter Sesquiterpene Lactones contnet in Lettuce (Lactuca sativa L.) Germplasm

Susanna Choi†, Awraris Derbie Assefa†, Jae-Eun Lee, Jung-Sook Sung, On-Sook Hur, Na-Young Ro, Ho-Sun Lee, Sok-Young Lee, Ju-Hee Rhee
National Agrobiodiversity Center, National Institute of Agricultural Sciences, Jeonju 54874, Korea
Corresponding author (Phone) +82-63-238-4813 (E-mail) rheehk@korea.kr
August 8, 2018 September 13, 2018 September 14, 2018

Abstract


Lettuce (Lactuca sativa L.) is one of the most important leafy vegetables in the world due to its health related benefits. Bitter sesquiterpene lactones (BSLs) are crucial secondary metabolites of lettuce which are useful in many physiological activities, and also has been used to relieve pain. This study was conducted to appraise the variability of phenotypic characteristics and the total content of BSLs in fifty lettuce germplasm. The germplasm collections exhibited wide variation in both qualitative and quantitative characters. The average plant weight was 333.3 g with a range from 60.0 to 700.0 g and the lactucin content was varied from 3.4 (IT265031) to 448.6 (IT300287) μg/g DW with an average concentration of 94.0 μg/g DW. Whereas lactucopicrin ranged from 6.8 (IT217859) to 2,714.9 (Superseonpung) μg/g DW with an average concentration of 805.8 μg/g DW. Total BSLs content was ranged from 19.6 (IT217859) to 2,821.9 (Superseonpung) μg/g DW with the average concentration of 899.8 μg/g DW. Significant (P≤0.05) differences in lactucin, lactucopicrin and total BSLs content were found among the germplasm collections. Leafy type lettuce germplasm collections originated from South Korea revealed the highest average total BSLs content (2,821.9 μg/g DW). Principal component analyses of lactucin and lactucopicrin generated based on leaf color and plant growth type yielded two principal components, PC1 and PC2, which accounted for 60.8 and 39.2 % of the total variance, respectively. Our study provides fundamental insights on phenotypic characteristics and the total content of lactucin and lactucopicrin of lettuce germplasm which may further help researchers and breeders to produce improved lettuce varieties.



상추 유전자원의 원산지, 형태 및 엽색별 Bitter Sesquiterpene Lactones의 변이

최 수산나†, 아 와리스 아세파†, 이 재은, 성 정숙, 허 온숙, 노 나영, 이 호선, 이 석영, 이 주희
국립농업과학원 농업유전자원센터

초록


    Rural Development Administration
    PJ01192203

    서 언

    상추(Lactuca sativa L.)는 국화과 1년생 초본식물이 며, 중요한 잎채소 중 하나로 생산 및 경제적 가치 면에서 가 장 높은 순위를 가지고 있다(Martínez-Sánchez et al., 2012). 상추는 카로티노이드, 엽산, 아스코르브산 그리고 폴리페놀 을 포함하여 영양적으로 중요한 식물 영양소의 풍부한 공급원 (López, et al., 2014)으로 칼로리와 지방이 낮고 단백질, 식이 섬유, 철분과 칼슘이 많기 때문에 식단의 중요한 요소를 제공 한다(Ko et al., 2014). 2012년 기준 전 세계의 상추 재배면적 은 1,116천 헥타르이고, 생산량은 24,946천 톤이며, 주요 생산 국은 중국, 인도, 미국, 스페인과 일본이 상위 5위를 차지한다 (FAO STAT, 2014). 우리나라는 2016년 기준 3,387 헥타르의 면적에서 86,128톤을 생산하였다(Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, 2017).

    생리학적으로 활성화된 화합물 중에서, Bitter Sesquiterpene Lactones(BSLs)는 2차 대사산물 중의 하나로 알려져 있다 (Price et al., 1990; Wesolowska et al., 2006). 상추와 치커 리에서 가장 대표적인 BSLs는 lactucin, 8-deoxylactucopicrin 과 lactucopicrin이다(Price et al., 1990; Chadwick et al., 2013). BSLs는 탄화 수소, 알코올, 케톤, 알데히데스, 산 또는 젖산의 형태로 자연적으로 발생하는 C-15 terpenoid로 (Graziani et al., 2015), 약리효과는 항암, 항균, 해열과 염증 완화에 효과가 있으며, 세포독성과 알레르기를 유발하는 특성 도 함께 있는 것으로 알려져 있다(Price et al., 1990; Ghantous et al., 2010; Merfort, 2011; Chadwick et al., 2013). 그러나 상추의 형태학적 및 생화학적 특성에 대한 조 사 연구는 국내에선 아직 미흡한 실정이다.

    따라서 본 연구는 농촌진흥청 농업유전자원센터에 보유 중 인 다양한 상추 유전자원의 형태와 엽색 등의 형태학적 특성 조사 및 기능성 성분 중 하나로 쓴맛 성분인 BSLs을 분석하 여 함량이 높은 자원을 육종소재로 활용하고자 한다.

    재료 및 방법

    시험재료

    농촌진흥청 농업유전자원센터에서 보유 중인 상추 유전자원 386자원을 2016~2018년까지 특성 평가하였고 학명, 식물형태 와 외엽색을 기준으로 다양한 특성을 갖는 상추 50자원을 선 발하여 대조군(9품종)과 비교 분석하였다(Table 1). 상추 유전 자원을 2월 하순에 50공 플러그판(54×27×48 mm) 파종하여 온실(최고 29°C, 최저 18°C)에서 육묘한 후, 4월 상순에 농업 유전자원센터 3연동 하우스(최고 35°C, 최저 16°C)에 정식 하여 식물 형태 및 외엽색 등의 형태특성을 조사하였다. BSLs 분석시료는 상추자원들이 추대한 후, 개화시에 소화경 에 착생한 작은 잎들을 채취하였고, -70°C 저온냉동고에 보 관하여 동결건조기(일신바이오베이스 LP500)를 이용하여 건 조시킨 후, -70°C 냉동고에 보관하였다.

    BSLs 추출

    동결건조 후 분쇄한 상추 잎 분말시료 0.25 g을 MeOH 100 ml에 넣고 65°C에서 1시간 20분간 환류 추출한 후, 20 ml을 진공원심 농축기(Genevac, HT-4X)를 이용하여 감압 농축하였다. 농축물을 20 ml의 증류수에 녹인 후, CHCl3 (20 ml)으로 2회 층 분리를 하였고, 층 분리 후, 획득한 추출 물을 Na2SO4로 탈수 후 여과시켜, 진공원심 농축기(Genevac, HT-4X)를 이용하여 앞에서와 같은 방법으로 농축하였다. BSLs 추출방법은 Seo et al. (2009)의 방법을 변형하여 사용 하였다.

    BSLs 정량분석

    모든 시약은 HPLC급을 사용하였고, BSLs 표준품으로는 lactucin (Mw 276.29 g, formular C15H16O5)과 lactucopicrin (Mw 410.42 g, formular C23H22O7)을 순도 95% 이상의 Extrasynthese사 제품을 사용하였다. HPLC 기기 분석 조건은 Table 2와 같다.

    통계처리

    모든 실험의 결과는 평균 ± 표준편차로 산출하였으며, 각 실험치 간의 통계분석은 SPSS V. 17.0 statistical program (SPSS Inc., Chicago, USA)을 이용하여 P≤0.05의 조건에서 값의 유의성을 인정하였으며, PAST(Palaeontological statistics, version 3.06) (Hammer et al., 2001)를 사용하여 주성분 분 석(principal component analysis, PCA)을 수행하였다.

    결과 및 고찰

    미국, 중국과 터키 등 12개 국가에서 도입한 상추 유전자원 50자원에 대한 8가지 질적 형태특성 결과는 Table 3과 같다. 형태는 잎상추, 결구상추, 로메인, 버터헤드와 줄기상추로 분 류되고, 떡잎모양은 좁은 타원형, 타원형과 넓은 타원형으로 다양한 형태를 보인다. 잎모양은 좁은 타원형, 타원형, 넓은 타 원형, 원형, 달걀형, 넓은 역삼각형과 삼각형으로 분류되며, 외 엽색은 녹색, 진녹색, 회록색과 자주색으로 다양한 빈도를 나 타내었다.

    양적 형태특성으로 엽장의 최소값, 최대값과 평균값은 각각 12.8 cm(IT300314), 50.7 cm(IT235296, IT247401), 29.7 cm, 엽폭의 최소값, 최대값과 평균값은 각각 5.3cm(IT217498), 31.2 cm(Ureik), 16.8 cm, 주중의 최소값, 최대값과 평균값은 각 각 60 g(IT217498), 700 g(IT300297), 333.3g을 나타내었다.

    Price et al. (1990)은 lactucin과 lactucopicrin이 중요한 BSLs이고, 쓴맛을 결정한다고 보고하였고, Seo et al., (2009)은 lactucopicrin이 쓴맛의 가장 중요한 성분이나 아 직 그 활성에 대한 연구는 확실히 구명되지 않았다고 보고 하였다. 본 연구에서 lactucin의 최소값, 최대값과 평균값이 3.4 μg/g DW(dry weight) (IT265031), 448.6 μg/g DW (IT300287), 94 μg/g DW이며, lactucopicrin의 최소값, 최 대값과 평균값은 각각 6.8 μg/g DW(IT217859), 2,714.9 μg/g DW (Superseonpung), 805.8 μg/g DW이다. BSLs 전체 함량 의 최소값, 최대값과 평균값은 각각 19.6 μg/g DW (IT217859), 2,821.9 μg/g DW (Superseonpung), 899.8 μg/g DW으로 lactucopicirn 함량이 가장 높은 ‘슈퍼선풍’이 BSLs 전체 함량도 가장 높았다(Table 4). 형태별 BSLs 함량은 lactucin은 결구상추가 152.0 ± 107.1 μg/g DW로서 가장 높았 으며, 그 다음은 로메인이 92.5 ± 41.8 μg/g DW로 높았으며, 이어서 잎상추가 86.8 ± 46.6 μg/g DW이었고 버터헤드와 줄기 상추가 각각 53.4 ± 32.5 μg/g DW와 57.6 ± 32.4 μg/g DW로 가장 낮았다. Lactucopicrin 함량은 잎상추가 1,022.2 ± 1007.5 μg/g DW으로 가장 높았고, 이어서 버터헤드, 결구상추 와 로메인 순으로 각각 954.1 ± 552.5 μg/g DW와 822.4 ± 461.0 μg/g DW, 699.5 ± 368.4 μg/g DW 순으로 높았으며 줄 기상추가 351.5 ± 341.1 μg/g DW으로 가장 낮았다. Choi et al. (2014)는 상추 품종 중에서 로메인(코스) type의 품종이 총 BSLs 함량이 가장 높았다고 보고하였다. 본 연구에서 BSLs 전 체 함량은 lactucopicrin 함량과 유사한 양상으로 잎상추가 1,109.0 ± 1,019.0 μg/g DW으로 가장 높았고, 버터헤드, 결구상 추와 로메인 순으로 각각 1,007.5 ± 567.3 μg/g DW, 974.4 ± 507.2 μg/g DW와 792.0 ± 369.5 μg/g DW 순으로 나타났고, 줄기상추가 409.0 ± 364.7 μg/g DW으로 가장 낮았다(Table 5). 50자원의 상추 유전자원에 대한 lactucin, lactucopicrin의 성분 분석결과, P≤0.05의 조건에서 값의 유의성을 인정하였 다(Table 6).

    상추 50자원 중 전체 BSLs 함량이 가장 낮은 자원은 캐나 다 품종인 IT217859이 19.6 μg/g DW으로 가장 낮았고, 이 어서 러시아 품종인 IT265031(42.4 μg/g DW), IT217858 (55.8 μg/g DW), IT215093(131.8 μg/g DW), 페루 품종 IT260833 (144.3 μg/g DW) 순으로 다소 높아졌다. BSLs 함량이 낮은 10자원을 형태별로 보면 잎상추가 4자원으로 가장 많았고, 줄기상추가 3자원, 버터헤드, 로메인과 결구상추는 각각 1 자원씩이었다. 상추 유전자원 중 한국 품종인 ‘슈퍼선풍’이 전체 BSLs 함량이 2,821.9 μg/g DW으로 가장 높았고, 한 국 자원 IT271118(2,478.8 μg/g DW), IT264971(2,416.6 μg/g DW), ‘선풍2호’(2,325.4 μg/g DW), 미국 품종 IT294210 (2,286.6 μg/g DW) 순 이었다. BSLs 함량이 높은 10점을 형태별로는 잎상추가 5자원으로 가장 많았고, 결구상추가 4자원, 버터헤드

    가 1자원이었다. BSLs 함량이 가장 높은 ‘슈퍼선풍’의 추대 전·후 잎의 BSLs 비교하니 추대 전 식용시기의 잎이 약 10 배 정도로 낮게 나타났다(데이터 미표시). 우리나라에서는 잎 상추를 주로 쌈으로 많이 소비하고 있으나, 외국에서는 샐러 드 채소로 결구상추의 소비가 많다(Hong et al., 2007). 본 연구에서 추대기 쓴맛성분은 잎상추와 결구상추에서 높은 비 율로 나타났다. 그림 1A는 상추 50자원들의 식물형태별 lactucin과 lactucopicrin간의 변이를 주성분 분석(principal component analysis, PCA)한 결과이고, 그림 1B는 엽색별로 lactucin과 lactucopicrin간의 변이를 주성분 분석(principal component analysis, PCA)한 결과이다. PC1과 PC2의 주성분 들로서 전체 변이 100%에서 각각 60.8%, 39.2%로 나타났다. 오른쪽 상단 사분면에 위치한 외엽색이 자주색이며 잎상추 자 원(S.N. 24, 25, 26, 27, 28)들은 lactucopicrin의 함량이 높은 자원 그룹이다(Fig. 1A, 1B). 반면, 오른쪽 하단 사분면에서 상당히 격리되어 있는 IT300287 자원은 외엽색이 자주색이고 형태가 결구상추로 BSLs의 성분 중 lactucin 함량이 높았다 (Fig. 1A, 1B).

    결과적으로, 농업유전자원센터에서 보유하고 있는 다양한 상 추 유전자원의 형태 및 엽색별 형태학적 특성과 추대기 쓴맛 성분 함량간의 변이를 확인 할 수 있었다. 이는 상추 유전자 원의 다양한 형질과 기능성 성분의 데이터를 수요자들에게 제 공함으로써 육종소재로 활용될 것이다. 특히, 쓴맛성분의 경우, 현대인들에게 많아지는 불면증 환자들을 위한 숙면상추 육종 을 위한 소재로 활용 가능할 것이다.

    적 요

    상추(Lactuca sativa L.)는 중요한 잎채소 중 하나로 최근 상추에 대한 소비자들의 수요가 상당히 증가 하였다. Bitter Sesquiterpene Lactones(BSLs)은 상추에서 발견되는 중요한 2 차 대사산물 중 하나로 생리학적 활성에 유용하며 통증 치료 에 사용되어 왔다. 본 연구는 다양한 상추 50자원을 선발하여 형태학적 특성조사 및 쓴맛성분의 함량을 비교하기 위하여 실 시되었다.

    주중의 범위는 60.0~700.0 g으로 평균값은 333.3 g 이었고, lactucin 함량의 범위는 3.4(IT265031)~448.6(IT300287)μg/g DW이었다. Lactucopicrin 함량의 범위는 6.8(IT217859)~ 2,714.9(Superseonpung) μg/g DW이며, 평균은 805.8 μg/g DW 이었다. BSLs 전체 함량의 범위는 19.6(IT217859)~2,821.9 (Superseonpung) μg/g DW이고 평균은 899.8 μg/g DW이다. BSLs 전체 함량이 가장 높은 자원은 ‘슈퍼선풍’(2,821.9 μg/g DW)이었다. 50자원의 상추 유전자원에 대한 lactucin 과 lactucopicrin의 성분 분석결과, P≤0.05의 조건에서 값 의 유의성이 인정되었다. 형태와 외엽색을 기준으로 lactucin, lactucopicrin의 주성분 분석(principal component analysis, PCA)한 결과, PC1과 PC2의 주성분들로 전체 변이 100%에서 각각 60.8%, 39.2%로 나타났다.

    본 연구는 다양한 상추 유전자원의 형태적 특성 및 쓴맛성 분 함량을 비교하여 수요자들에게 정보를 제공함으로써 육종 소재로 활용 될 것이다.

    ACKNOWLEDGMENTS

    본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원 농업과학기술 연구 개발사업(과제번호: PJ01192203)의 지원에 의해 이루어진 것임

    Figure

    KSIA-30-205_F1.gif

    Principal components analysis (PCA) score and loading plot of 50 lettuce germplasm grouped based on A) plant growth type, B) leaf color.

    Table

    The list of lettuce germplasm that was used for phenotypic characters and BSLs content evaluation

    High performance liquid chromatography (HPLC) analysis method for the BSLs in Lactuca sativa L.

    The frequency distribution of qualitative traits in lettuce germplasm

    Variation of quantitative traits and the total content of BSLs in the lettuce germplasm

    Variation in quantitative traits and bitter sesquiterpene lactones in different plant types of lettuce germplasm

    Variance of Bitter sesquiterpene lactones in lettuce germplasm

    Reference

    1. Chadwick, M. , H. Trewin, F. Gawthrop, and C. Wagstaff. 2013. Sesquiterpenoids lactones: benefits to plants and people . Int. J. Mol. Sci.14(6): 12780-12805.
    2. Choi, S. , J. R. Lee, N. Y. Ro, H. C. Ko, H. G. Jeong, J. H. Rhee and J. G. Gwag. 2014. Evaluation of sesquiterpene lactones in lettuce (Lactuca sativa L.) germplasm . Korean J. Plant Res.4: 147-147(Abstr.) (in Korean).
    3. Ghantous, A. , H. Gali-Muhtasib, H. Vuorela, N. A. Saliba, and N. Darwiche. 2010. What made sesquiterpene lactones reach cancer clinical trials? Drug Discov. Tod.15: 668-678.
    4. Graziani, G. , R. Ferracane, P. Sambo, S. Santagata, C. Nicoletto, and V. Fogliano. 2015. Profiling chicory sesquiterpene lactones by high resolution mass spectrometry . Food Research International.67(1): 193-198.
    5. HongJ. H. , H. S. Lee, H. G. Jeong, and S. J. Hwang. 2007. Current status of breeding and plant new variety protection of lettuce in Korea. Abstract of 2007 Annual Conference of the Korean Society for Horticultural Science. p. 67.
    6. Ko, A.Y. , RahmanMM , Abd El-AtyAM , J. Jang, J. H. Park, S. K. Cho, and J. H. Shim. 2014. Development of a simple extraction and oxidation procedure for the residue analysis of imidacloprid and its metabolites in lettuce using gas chromatography . Food Chemistry.148: 402-409.
    7. López., A. López, G.-A. Javier, J. Fenoll, P. Hellín, and P. Flores. 2014. Chemical composition and antioxidant capacity of lettuce: Comparative study of regular-sized (Romaine) and baby-sized (Little Gem and Mini Romaine) types . Journal of Food Composition and Analysis.33 (1): 39-48,
    8. Martínez-Sánchez, A. , M. C. Luna, M. V. Selma, J. A. Tudela, J. Abad, and M. I. Gil. 2012. baby-leaf and multi-leaf of green and red lettuces are suitable raw materials for the fresh-cut industry . Postharvest Biology and Technology.63(1): 1-10.
    9. Merfort, I. 2011. Perspectives on sesquiterpene lactones in inflammation and cancer . Curr. Drug Targ.12: 1560-1573.
    10. Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs. 2017. Stastics of vegetables in 2016.
    11. Price, K. R. , M. S. Dupont, R. Shepherd, HW-S. Chan, and G. R. Fenwick. 1990. Relationship between the chemical and sensory properties of exotic salad crops-coloured lettuce (Lactuca sativa) and chicory (Chicorium intybus) . J. Sci. Food Agric.53(2): 185-192.
    12. Seo, M. W. , D. S. Yang, S. J. Kays, G. P. Lee, and K. W. Park. 2009. Sesquiterpene lactones and bitterness in Korean leaf lettuce cultivars .Hortscience.44: 246-249.
    13. Wesolowska, A. , A. Nikiforuk, K. Michalska, W. Kisiel, and E. Chojnacka-Wójcik. 2006. Analgesic and sedative activities of lactucin and some lactucin-like guaianolides in mice. Journal ofEthnopharmacology. 107(2): 254-258.