실험재료로는 농촌진흥청 농업유전자원센터에서 분양받은 300 점의 들깨 [Perilla frutescens (L.) Britt] 유전자원을 이용하였으며 시험에 사용한 유전자원은 국가등록 유전자원 목록에 부여된 번호로 표기하였고 각 유전자원의 국가별 분포를 나타내었다. (Table 1). 국내 육성계통이 33 자원 (11.0%)을 포함한 국내 수집종은 139 자원 (46.3%)이며, 러시아 45 자원(15.0%), 중국 22 자원 (7.3%), 일본 18 자원 (6.0%), 원산지 미상 25 자원 (8.3%) 등 국외 도입종이 총 161 자원(53.7%)이었다.

농촌진흥청 농업유전자원센터로부터 자원별 100 립씩 분양받은 종자의 발아율을 높이기 위하여 지베레린 (Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA) 100 ppm 농도로 24 시간 침지시킨 후 128 공 트레이 (Gumok Co., Gyeongju, Korea)에 파종하여 20 일 이후 시험포장에 이식하였다. 이후 재배는 들깨 표준재배법에 준하여 실시하였다.

주요 특성 조사는 농촌진흥청 표준조사방법 (RDA, 2012)에 따라 주요 잎과 관련한 형질 (경장, 마디 수, 마디 간 길이, 잎 길이, 잎 넓이)을 조사하였으며, 개화일수, 성숙일수, 줄기색, 꽃색, 잎모양은 달관으로 평가하였다. 경장은 성숙기에 지제부에서 원줄기 선단부까지 길이를 자를 이용하여 측정 (2 m, Stabila, Annweiler am Trifels, Annweiler, Rheinland-Pfalz, Germany)하였으며, 마디 수 또한 성숙기에 측정하였다.

잎 길이와 잎 넓이는 생육 중기 시기 (정식 후 20 일 - 30일)에 원줄기 최정단에서 3 번째 마디의 잎을 자를 이용하여 측정 (30 ㎝, Songhwa, Kimpo, Korea)하였으며 잎모양은 달관으로 평가하였다. 줄기색, 꽃색은 개화기에 달관으로 평가하였다.

시험 결과의 통계분석은 SAS 9.2 (Statistical analysis systems Inc., Cary, NC, USA)와 R software (www.r-project.org, v.4.2.0, Vienna, Austria)을 이용하였다. 특성들 사이 상관관계 분석을 위하여 줄기색 (녹색; 0, 자주색; 2), 꽃색(흰색; 0, 자주색; 2), 잎모양 (심장형; 0, 피침형; 2)은 수치로 전환하였으며, Pearson 상관계수를 계산하여 유의성을 확인하였다.

들깨 유전자원의 특성과 분포를 설명하기 위해 수치 간 표준화를 통하여 변수들의 분산을 비교한 후 요인과 요인별 기여도를 기반으로 주성분의 개수를 결정하는 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA)을 수행하였다.

성분들의 기여도 및 개체별 분포의 시각화는 ‘devtools’ 라이브러리 (library)를 이용하여 나타내었다. 군집 분석은 유클리디안 거리 (euclidean distance)를 기반으로 개체들 사이의 유사성을 계산한 후에 최장 연결법 (Complete linkage method)을 적용하여 군집화하였다. 군집화 결과는 ‘dendextend’ 라이브러리를 이용하여 시각화하였다.

300 개의 들깨 [Perilla frutescens (L.) Britt] 유전자원에 대한 생육 특성의 최소, 최대, 평균, 표준편차 및 변이 계수를 확인하였으며 (Table 2), 유전자원 중 최솟값과 최댓값을 나타내는 자원은 확인하였다 (Table 3).

개화일수는 26 일에서 114 일까지 분포하였으며 평균 88일을 나타내었고, 성숙일수는 55 일에서 147 일까지 분포하고 평균 118 일을 나타내었다. 개화기에서 성숙기까지 걸리는 기간은 평균 30 일이었으며 28 일에서 40 일까지 분포하였다.

깻잎의 작형 중 가장 많은 재배양식으로 ‘촉성재배’가 있는데 시설 하우스에서 7월 - 9월에 파종하여 이듬해 4월 - 6월까지 잎을 수확하는 방식이다. 들깨는 단일 조건에서 화아분화가 촉진되는 전형적인 단일성 작물로 일장 반응에 매우 예민하며 품종의 일장 감응 민감도와 일장의 변화에 따라 개화반응이 달라진다 (Chung et al., 1988; Oh et al., 1995; Jung et al., 2003).

일장이 짧아지는 촉성재배 시기에 화아분화를 억제하고 품질이 우수한 깻잎을 생산하기 위하여 야간에 2 시간 이상 조명을 처리해 준다. 그러나 유전자원이나 육성계통의 개화일수가 노지 재배 시 6월 10일 파종을 기준으로 105 일보다 빠르면 동계 촉성재배 시 야간조명을 처리해 주더라도 화아분화가 일어나 더 이상 잎을 수확하지 못하게 된다.

따라서 깻잎 전용 품종개발에서 개화기는 가장 중요한 형질이자 선발 지표 중 하나이며 개화일수가 105 일보다 늦은 자원을 활용해야 하며 개화일수 105 일은 계통 선발 시 기준이 된다. 들깨 300 자원 중 개화일수가 105 일보다 긴 자원은 78 자원으로 조사되었다.

들깨 유전자원의 경장은 12.6 ㎝ - 118.9 ㎝로 평균 64.9 ㎝, 마디 간 길이는 3.2 ㎝ - 9.5 ㎝로 평균 5.9 ㎝, 마디 수 평균은 11 개로 나타났다. 개화일수와 성숙일수가 가장 짧은 IT178649가 경장, 마디 수, 마디 간 길이에서도 최솟값을 나타내었다. 들깨의 형태적으로 경장이 너무 크거나 마디 간 길이가 길면 식물체가 너무 커서 쓰러지거나 잎을 수확할 때 효율이 떨어지므로 개화일수가 늦으면서 경장과 마디 간 길이가 짧은 자원이 필요하다. 깻잎 시설재배 시 중요한 형질인 개화기와 경장을 바탕으로 개화일수가 105 일보다 늦으면서 경장이 100 ㎝ 이하인 74 자원을 선발하였다.

잎 길이는 7.9 ㎝ - 16.1 ㎝로 평균 11.5 ㎝, 잎 넓이는 5.9 ㎝ - 14.5 ㎝로 평균 9.0 ㎝로 나타났으며, 장폭비는 1.03 - 1.59이며 평균이 1.28로 분포하였다. 깻잎전용 품종은 잎 길이가 긴 피침형보다 둥근 심장형이 상품성이 더 우수하므로 장폭비가 중요한 특성으로 1.1 - 1.2가 적당하다.

경색은 자주색이 156 자원 (52%), 녹색이 144 자원 (48%), 꽃색은 흰색 268 자원 (89.3%), 자주색 28 자원 (9.3%), 분홍색 4 자원 (1.3%)이었으며, 잎모양은 피침형 237 자원 (79.0%), 심장형 63 자원 (14.4%), 기타 잎모양으로 20 자원 (6.7%)이 분포하였다 (Fig. 1).

Fig. 1.  Distribution of stem color (A), flower color (B) and leaf shape (C) in 300 perilla germplsms.

9 개의 조사 형질에 대한 변이 계수는 5.0% - 34.6%이며 개화-성숙 기간이 5.0%로 상대적으로 가장 낮았으며, 경장이 34.6%로 가장 높은 변이를 보였다.

들깨 유전자원의 주요 형질 간 상관관계를 조사한 결과, 대부분의 형질 간 상관관계는 유의성이 인정되었으며 개화일수와 성숙일수는 경장과 마디 수와 고도의 유의한 정의 상관을 보였으며, 잎 넓이와도 정의 상관을 보였다. 특히, 개화일수와 성숙일수는 r = 1 수준으로 높은 정의 상관을 보였는데(Table 4), 대부분의 들깨는 다양성과 별개로 개화로부터 약 30 일 이후 성숙이 되는 것을 관찰하였다. 다른 조사 형질들과 비교하여 개화기-성숙기 기간의 자원 간 변이 (5%)가 다른 형질에 비해 작게 나타나는 것을 볼 수 있었으며 (Table 2), 이는 높은 상관계수와 관찰과의 결과와도 일치하는 것 알 수 있다.

경장은 개화일수, 성숙일수, 마디 수, 마디 간 길이, 잎 크기 (잎 길이, 잎 넓이)와 고도로 유의한 정의 상관을 보였는데, 개화기와 성숙기가 늦어짐에 따라 영양 생장이 길어짐에 따른 경장, 마디 수, 잎 크기 등 증가 추세에 따른 결과이며 기존 들깨 RIL (recombinant inbred lines) 집단에서 작물학적 특성에 대한 상관관계 분석 결과 (Lee et al., 2018; Park et al., 2021)의 보고와 일치하였다.

질적 형질인 경색이나 꽃색은 다른 형질과 유의하지만 낮은 수준의 상관을 보였으며, 특히 꽃색은 개화일수 및 성숙일수와 유의하지 않은 상관을 보였다. 앞서 들깨 유전자원의 생육 특성 변이에서 개화일수와 경장은 고도의 정의 상관을 보였으나, 잎 수확 효율을 위하여 개화일수가 늦으면서 경장과 마디 간 길이는 짧은 자원의 선발이 필요하므로 개화일수가 105 일 이후인 78 자원 중 경장이 90 ㎝ 이하인 67 자원을 유망한 육종 소재로 선발하였다.

주성분 분석은 여러 변수 사이의 상관관계를 고려하여 서로 유사한 변수들끼리 묶어 데이터가 몇 개의 요인에 의해 주로 영향을 받는지와 변수 간의 상호 의존도를 해석하는데 유용한 통계 방법이다 (Kim et al., 2020).

최근 쓴메밀 유전자원의 종자 특성과 유용성분 변이 정보 구축 (Kim et al.. 2020), 마늘 유전자원의 작물학적 특성을 통한 품종군 분석 (Lee et al., 2021), 유색미 도입 유전자원의 생육과 품질특성 변이에 관한 분석 (Park et al., 2018), 멜론 유전자원의 형태적 특성 및 유전적 구성평가 (Lee et al., 2020), 다변량 분석에 의한 둥굴레속 식물의 분류에서도 (Yun et al., 2002) 유전자원 내 다변량 변수들 사이 구조를 파악하고 차원을 축소하여 군집별 특징을 효율적으로 추출하고 유전자원을 평가하는 데 활용하였다.

본 연구에서도 들깨 유전자원 변수 간의 상호 유사관계를 파악하고자 다변량 분석을 수행하였다. 이때, 분석에 쓰이는 독립 변수들 사이에서 높은 선형 상관 관계가 있는 변수를 제거하여 다중 공선성의 발생을 방지하는 것이 중요한데, 앞서 상관분석을 통해 변수 사이 상호관계가 높은 것으로 나타난 개화일수와 성숙일수는 다변량 분석 시 해석의 오류를 발생하게 할 수 있어, 성숙일수 변수를 제외한 11 개의 농업 형질에 대한 주성분 분석을 수행하였다. 그 결과, 고유값과 각각의 주 성분 기여도를 확인하였다 (Table 5).

그 결과 제1주성분은 고유값으로 볼 때 11 개 형질 중에서 4.592 개를 포함하고 있으며, 전체 변이의 41.75%를 설명할 수 있다. 제2주성분은 1.774 개를 포함하고 16.13%를 제3주성분은 1.280 개를 포함하고 11.64%를 각각 설명하였다. 각 주성분의 전체 누적 기여율은 제1주성분은 41.75%, 제2주성분은 57.88%, 제3주성분은 69.52%였고, 제4주성분은 78.01%, 제5성분은 85.26%이며, 제11성분에서 100%로 나타났다. 최종 주성분의 개수는 주로 성분별 고유값이 1 이상이 되거나 누적 분산비율이 80% 이상을 충족할 때의 성분으로 결정하곤 하는데 (Janmohammadi et al., 2014), 본 연구에서는 주성분의 고유값이 1 이상은 제3성분까지 전체 분산의 69.52%를 설명하였으며, 누적분산비율은 제5성분에서 85.26%를 설명하는 것으로 나타났다.

주성분 분석 결과 고유값이 1 이상인 제1주성분부터 제3주 성분까지 특성 간 상관관계를 분석한 결과 (Table 5), 제1주성분은 개화일수, 경장, 마디 수 등의 요인에 높게 편중되어 있었다. 제2주성분은 꽃색이 높은 정의 상관관계를, 마디 간 길이가 높은 부의 상관관계를 나타내고 있었다. 제3주성분에서는 경색과 잎 모양이 가장 높은 부의 상관계수를 나타내었다.

제1주성분과 제2주성분값을 x축과 y축의 2 차원 공간으로 배열하여 주어진 주성분에서 변동성을 설명하는데 있어 각 변수의 기여도를 백분율로 나타내었다 (Fig. 2). 제1주성분 (x축)에 높게 기여하는 변수로는 오른쪽 영역에 위치한 경장, 개화일수, 성숙일수, 잎 폭, 마디 수의 순서대로 높은 기여도를 보였다. 제2주성분 (y축)에 기여하는 변수로는 꽃색이 가장 높은 기여도를 보였으며 마디 간 길이가 다음으로 높은 기여도를 보였다. 상대적으로 경색, 잎모양, 개화기 - 성숙기 기간, 장폭비는 주요 주성분에 낮은 기여율을 나타냈다. 들깨 유전자원 주성분 점수에 따른 개체별 분포는 그림 3에 나타내었으며, 각 자원이 어떤 변수에 의해 영향을 많이 받는지 추정할 수 있다.

Fig. 2.  Principal component analysis (PCA) variables plot for 300 perilla germplasms.

Plot based on variables that contribute to the two-dimensional space. The relative position of traits reflect their relationship (positive correlated variables point to the same side of the plot; negative correlated variables point to opposite side of the plot). The length and color of the arrow are proportional to their contribution to the principal components.

Fig. 3.  Principal component analysis (PCA) individuals plot.

Plot based on individuals clustered by 11 agricultural traits. The percentage of variance explained is indicated for both axes (Dim1 explained 41.7% of total variation, while Dim2 explained 16.1% of the variance). Individuals are color-coded by the cluster they belong to red (I), green (II), blue (III), and yellow (IV).

들깨 300 자원의 개화일수, 성숙일수, 개화기에서 성숙기까지의 기간, 경장, 마디 수, 마디 간 길이, 잎 길이, 잎 넓이, 장폭비 총 9 가지 양적 형질을 이용하여 군집 분석을 수행한 결과 4 개의 그룹으로 나뉘었다 (Fig. 4).

Fig. 4.  Cluster analysis of 300 perilla germplasms for agricultural traits.

Dendrogram is represented and classified by complete linkage using Euclidean distance metric between pairs of points based on scaled scores of traits. Each cluster is colored red (I), green (II), blue (III), and yellow (IV).

군집 Ⅰ은 118 자원으로 전체의 39.3%를 차지하였고, 군집 Ⅱ는 110 자원이 포함되어 전체 유전자원의 36.7%를 차지하는 가장 큰 군집이었다. 군집 Ⅲ는 69 자원이 포함되어 전체의 23.7%를 차지하였으며 Ⅳ군집은 전체의 1%로 IT261882, K262415, K263592 3 자원이 분포하는 가장 작은 군집이었다.

군집 별 양적 형질을 항목별 평균값을 나타낸 결과는 Table 6과 같다.

군집 별 개화일수가 군집 Ⅰ은 102 일, 군집 Ⅱ는 95 일로 길었으며 군집 Ⅲ은 55 일, 군집 Ⅳ는 71 일로 군집 Ⅰ, Ⅱ와 크게 차이를 보였다. 유전자원 중 개화기를 우선으로 선발 할 때 군집 Ⅰ, Ⅱ이 다른 군집 Ⅲ, Ⅳ보다 유용할 것으로 판단되어 진다.

군집 Ⅰ과 군집 Ⅱ는 개화일수가 비슷하나 다른 형질에서 차이를 보였는데 군집 Ⅰ은 군집 Ⅱ에 비해 경장이 크고 마디 간 길이가 길고 잎 크기가 큰 자원이 해당하였다. 반면 군집 Ⅱ는 경장이 작고 마디 간 길이가 짧고 잎 크기가 작은 자원이 해당하였다. 군집 Ⅱ에 잎들깨 육성계통 33 자원이 주로 분포되어 있어 나타난 결과로 추정된다. 군집 Ⅲ은 군집 Ⅰ, Ⅱ과 달리 개화일수 평균이 55 일로 개화기가 빨라 경장이 작고 마디 수가 적으며 마디 간 길이가 짧고 장폭비가 큰 피침형 자원의 분포가 많아 조숙 자원이 주로 포함되어 잎들깨 품종 육성 시 자원 활용으로는 불리하다. 군집 Ⅳ에는 세 개 자원이 속해 있었는데, 다른 군집 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ에 비해 개화기에서 성숙기까지의 기간이 평균 39 일로 가장 긴 경향을 나타내었다. 그 외 경장, 마디 간 길이, 잎 크기 등은 군집 Ⅰ과 비슷한 경향치를 나타내었다.

잎 전용 품종개발에서 가장 우선 선발되는 형질은 개화일수이다. 서두에서 언급한 대로 동계 시설재배에서 불시에 개화되지 않고 잎을 안정적으로 수확하기 위해서는 개화일수가 105 일 이상이어야 한다. 또한 잎 수확 노동력 절감을 위하여 경장과 마디 간 길이가 짧고 잎 크기가 작은 계통이 유리하며, 상품성에도 영향을 미치게 된다. 결론적으로 잎 전용 품종개발을 위한 자원 선발 시 개화일수 특성을 고려했을 때 군집 Ⅰ이 가장 유리하나 경장, 마디 간 길이, 잎 크기 등은 군집 Ⅱ 내의 자원이 가장 효과적으로 활용될 가능성이 있을 것으로 생각되어 군집 Ⅰ과 Ⅱ 내 자원의 교배를 통한 품종개발이 유용할 것으로 판단된다.

본 연구에서는 들깨 유전자원 300 자원을 잎 전용 육종 소재로 활용하기 위하여 개화기, 경장, 잎 크기 등을 중점적으로 평가하고 형질별 통계분석을 통하여 자원의 분포를 확인하고 자원에 대한 기초정보를 확보하였다. 이러한 정보와 통계분석 결과는 새로운 잎 전용 들깨 육종 소재 개발에 유용하게 이용될 것이며, 추후 더 많은 자원의 분석에 활용될 것이다.