서 언

화색과 향기는 식물의 번식을 위한 수분매개체 유인 신호로 서 생태학적으로 중요할 뿐 아니라 시각 및 후각적 관상가치 를 갖기 때문에 시장가치를 결정하는 중요한 요소로 작용한다 (Bendahmane et al. 2013;Dormont et al. 2014;Yeon and Kim 2020a). 화색은 다양한 화색소 발현에 따라 표현되며 주 로 플라보노이드(flavonoid), 카로티노이드(carotenoid), 베타 레인(betalain) 3가지 분류군으로 나눌 수 있다(Miller et al. 2011). 일반적으로 플라보노이드와 카로티노이드는 대부분 의 현화식물 꽃에서 축적되는 반면, 베타레인은 석죽목에 제한되어 존재한다(Miller et al. 2011). 플라보노이드는 페놀 (phenolics) 색소로 안토시아닌(anthocyanin), 플라보놀(flavonol), 플라본(flavone) 등을 포함한다(Yeon and Kim 2021). 그 중, 시아닌(cyanin)과 펠라고닌(pelagonin)은 장미(Rosa hybrida) 꽃잎의 분홍, 주황, 빨강색을 표현하는 대표 화색소이다(Yeon and Kim 2020a). 카로티노이드는 아이소프렌(isoprene, C₅) 단위 중합체로서 테르펜(terpene) 색소이며 산소 분자 함유 여부에 따라 적색 계열 카로틴(carotene)과 황색 계열 잔토 필(xanthophyll)로 구분되며, 베타카로틴(β-carotein), 루테인 (lutein), 비올라잔틴(violaxanthin) 등이 있다(Miller et al. 2011;Wan et al. 2019).

장미의 향기는 400개 이상의 향기물질 구성에 따라 다양한 특성을 가지며, 향기물질은 일반적으로 페놀, 테르펜, 지방산 파생물질(derived from fatty acid)로 구분된다(Yeon and Kim 2020a). 장미의 대표적인 페놀 향기물질에는 2-phenylethanol, 3,5-dimethoxytoluene, methyleugenol, eugenol 등, 테르펜 그룹에는 β-damascenone, β-ionone, geraniol, caryophyllene 등이 포함된다(Baldermann et al. 2009;Roberts et al. 2003;Yeon and Kim 2020a).

일부 색소와 향기물질은 일반적인 생합성 경로를 공유하며 관련 유전자가 두 물질의 합성 및 발현에 영향을 미친다 (Bendahmane et al. 2013;Zuker et al. 2002). Arabidopsis의 PRODUCTION OF ANTHOCYANIN PIGMENT 1(PAP1)은 시 킴산 경로(shikimate pathway)를 통해 합성되는 페놀 색소와 향기물질 생성에 관여하는 전구물질을 조절한다(Bendahmane et al. 2013). Rosa damascena의 RdCCD1은 카로티노이드를 분해하여 β-damascenone, β-damascone, β-ionone 등의 테르 펜 향기물질을 생성한다(Huang et al. 2009). 또한, 절화 장미 (R. hybrida)와 카네이션(Dianthus caryophyllus)에서 합성 경 로를 공유하는 일부 화색소와 향기물질 사이의 연관성이 보고 되었다(Yeon and Kim 2020a;Zuker et al. 2002). 하지만 화 색소와 향기물질은 오랜 기간 다양한 생물적 및 비생물적 요 인의 영향을 받으며 진화했고 아직까지 생합성 경로가 완전하 게 밝혀지지 않았기 때문에 화색과 향기간의 명확한 상관성을 설명하기 어렵다. 또한, 관련 선행연구에서는 화색소와 향기 물질의 연관성에 대한 생화학 측면의 포괄적 이해가 필요하다 고 제안했다(Yeon and Kim 2020b;Yeon and Kim 2021). 따 라서, 본 연구에서는 화색과 향기 특성이 뚜렷한 정원 장미를 대상으로 화색소와 향기물질의 연관성에 대한 기초자료를 마 련하고자 개화단계에 따른 화색과 향기 변화를 조사하고 두 물질간 상관관계를 분석했다.

재료 및 방법

식물재료 및 개화 단계

색과 향기 특성이 다양한 정원 장미(Rosa hybrida)의 세 품 종 ‘Faustinia’(황색 계열, tea-type scent), ‘Liparfum’(적색 계열, sweet-type scent), ‘Tchaikovsky Meichibon’(백색 계열, little scent)을 서울특별시 동대문구 소재의 서울시립대학교 환경화 훼연구실 실험용 온실에서 암면 큐브(75×75×65mm)(KB750, UR Media, Seoul, Korea)와 슬랩(75×200×1,000mm)(V75201, UR Media, Seoul, Korea)을 배지로 하여 수경재배했으며, 2021 년 9월부터 12월까지 개화 단계별 화기 형태, 화색소와 향기물 질의 변화 양상을 조사하였다. 개화 특성과 화색소 및 향기물 질 성분 조사를 위해 ‘Faustinia’와 ‘Tchaikovsky Meichibon’은 개체 5반복, ‘Liparfum’은 개체 3반복으로 진행했다. 양수분관 리는 장미 수경재배 표준용액(UOS solution for cut roses, University of Seoul, Korea)을 이용해(Shi et al. 2021) 오전 8 시부터 오후 8시까지 13번(일일 급액량 380mL) 공급하였고, EC 1.0~1.2dS·m^-1와 pH 5.8~6.0로 조절하였다.

개화 단계는 화아 크기와 형태적 특성을 구분하여 5단계 (S1~S5)로 분류했다(Fig. 1). S1은 화아가 꽃받침으로 완전히 둘러싸인 단계로 화아직경 10~12mm 범위의 크기를 갖는다. S2는 꽃받침 사이로 꽃잎이 보이고 꽃잎 착색이 시작되는 단 계로 화아직경이 약 16~20mm이다. S3은 첫 번째 열 꽃잎이 열리기 시작하여 꽃받침이 꽃잎으로부터 떨어지는 단계로 화 아직경은 27~32mm이다. S4는 바깥쪽 꽃잎이 열리고 꽃받침 이 꽃잎으로부터 완전히 떨어진 단계이고, S5는 모든 꽃잎이 열리고 수술이 육안으로 관찰되는 노화 단계로 설정했다(Yeon and Kim 2020b).

화기 형태적 특성

장미의 개화 단계별 화기 형태적 특성은 국립종자원에서 제시한 장미특성조사요령을 참고하여 조사했다(Bae et al. 2008). 조사항목으로 꽃의 크기(화고×화폭, cm²), 꽃잎 크기 (길이×너비, mm²), 꽃잎 생체중(g), 향기강도(관능강도, 1~3 levels), 꽃잎 색(L*: brightness scale (0=black, 100=white); a*: red-green scale; b*: yellow-blue scale)을 설정했다. 향 기강도는 관능평가로 진행되었고 3 수준으로 분류하여 조 사했다(level 1: 없거나 매우 약함; level 2: 중간; level 3: 강함).

화색소

개화 단계별 화색소 함량은 총 안토시아닌과 카로티노이드 를 분석했으며, 화색소 분석은 수확 직후 꽃잎 중심부위 0.1g 을 세절하여 0.1% HCl methanol(안토시아닌 추출용)과 acetone (카로티노이드 추출용)을 10mL씩 넣은 amber vial에 침지 후, 4℃에서 24시간 암소 보관하였다. UV-VIS spectrophotometer (UV-2450, SHIMADZU, Japan)을 이용하여 추출된 색소의 흡광 도를 측정했다. 총 안토시아닌(Total anthocyanins, Murray and Hackett 1991)과 카로티노이드(Total carotenoids, Lightenthaler 1987) 함량은 다음과 같은 수식을 이용하여 계산했다.

총 안토시아닌 = A₅₃₀ - 0.24 × A₆₅₃

총 카로티노이드 = (1,000 × A₄₇₀ - 1.82 × 엽록소a - 85.02 × 엽록소b)/198

엽록소a = 12.7 × A₆₆₃ - 2.69 × A₆₄₅

엽록소b = 22.9 × A₆₄₅ - 4.68 × A₆₆₃.

향기물질

향기물질 추출을 위해 개화 단계별 꽃잎 생체중 1g 당 2mL의 n-hexane에 침지 후 24시간 실온 암소 보관했다(Yeon and Kim 2020b). 향기물질 분석은 gas chromatography(GC2010plus, SHIMADZU, Japan)를 이용했으며 분석조건은 Table 1과 같다. 장 미의 주요 페놀 향기물질 2-phenylethanol, 3,5-dimethoxytoluene, eugenol과 테르펜 향기물질 geranial, neral, damacenone을 이용하여 정량했다(Sigma, USA).

통계분석

통계분석 프로그램인 SAS 9.4(SAS Institute, Cray, NC, USA) 를 이용하여 DMRT(Ducan’s multiple range test)와 ANOVA 분석(analysis of variance)을 진행하였으며 유의 확률은 5% 수준으로 설정하였다. 개화단계별 색소와 향기 물질 함량을 최대 검출치 기준으로 상대 지수화(relative index)하여 개화 과정에서의 변화양상을 비교하였다.

결과 및 고찰

개화 단계별 특성 변화

‘Faustinia’, ‘Liparfum’, ‘Tchaikovsky Meichibon’ 세 품종 모 두 S1에서 S4로 꽃이 발달함에 따라 꽃과 꽃잎의 크기, 꽃잎 생체중은 10.1~15.6배 범위로 증가했다(Table 2). 세 품종 모두 계통학적 분류상 현대 영국 정원 장미에 속하며(Vukosavljev et al. 2013), 개화단계별 형태적 특성 변화 패턴은 모두 유사 했다(Table 2). 개화가 진행될수록 꽃잎 세포의 신장과 확대 가 장미 꽃의 두드러진 형태적 변화를 가져오는 것으로 알려 져 있다(Kumar et al. 2008).

또한 개화 과정에서 꽃잎 색상과 향기의 강도가 변화되는 것을 확인했다(Fig. 1, Table 2). 황색 계열 ‘Faustinia’는 S1에 서 S3로 발달할수록 b* 값이 약 63.2% 증가하여 황색이 더욱 진해졌지만 이후 노화단계에서는 감소하였다(Fig. 1A-E). 흰 색 계열 ‘Tchaikovsky Meichibon’은 b* 값이 S1에서 S5까지 약 66.6% 감소했다(Table 2). 적색 계열 ‘Liparfum’은 S3까지 a* 값이 약 12.4배 증가하여 분홍색이 진해졌지만 이후 S4단 계에서 15% 감소하여 탈색이 진행됐다(Fig. 1F-J).

조사대상 세 품종의 향기강도는 개화 단계와 품종에 따른 유의적 차이를 나타냈다(Table 2). 세 품종 모두 S1에서 향기 가 없거나 매우 약했지만, 황색 계열 ‘Faustinia’는 S4 단계로 개화가 진행됨에 따라 tea-type 향기가 S1보다 2.4배 증가하다 S5단계에서 다소(8.3%) 감소했다. 상대적으로 향기가 약한 백 색 계열 ‘Tchaikovsky Meichibon’도 ‘Faustinia’와 유사한 패턴 을 보였다. 반면, 발향이 가장 컸던 적색 계열 ‘Liparfum’은 S3 에서 평가된 향기강도 level 3의 sweet-type 향이 S5까지 지속 됐다. 일반적으로 꽃의 향기는 수분가능한 단계에서 가장 높 은 방출량을 보이며 수분(pollination) 이후 또는 노화 단계에 서 감소하는데, 이는 식물의 번식 전략으로 알려져 있다 (Miller et al. 2011;Yeon and Kim 2020b). 꽃의 색상 변화 또한 수분 현상과 연관이 있으며, 매개체를 유인하기 위해 종 고유 색상을 발현시킨 후 수분 완료 여부 또는 노화 진행에 따라 변색시킨다(Yeon and Kim 2020b;Zvi et al. 2008). 야 생종 Calanathe sylvatica 유색 꽃의 변종인 백색 계열은 다양 한 향기 프로필을 가지고 있었고, 이는 수분매개체를 유인하 기 위한 적응 및 생존 전략이라고 보고되었다(Delle-Vedove et al. 2011). 하지만, 현대 장미는 수 세기동안 꽃 크기, 화색, 수명, 병저항성 등 다양한 형질에 초점을 맞춰 육종 되었기 때 문에 향기를 잃었다(Guterman et al. 2002). 본 연구에서 사용 된 흰색 계열 ‘Tchaikovsky Meichibon’이 백색 꽃임에도 불구 하고 향기 강도가 낮았던 것 또한 특정 형질에 대한 선택적 육종의 결과로 판단한다(Tholl and Gershenzon 2015;Yeon and Kim 2020a).

개화 과정 중 화색소와 향기물질의 변화

화색소와 향기물질의 함량은 세 품종 모두 개화단계별 상이 하게 나타났지만(Fig. 2), 전체 화색소와 향기물질의 변화 양 상은 유사하였다(Fig. 3). 황색 계열 ‘Faustinia’는 S1에서 S3 로 개화 진행 동안 총 카로티노이드가 약 7.2배, 적색 계열 ‘Liparfum’은 총 안토시아닌이 약 40.5배 증가했으며 이는 유 색 품종에서 화색소의 축적과 발현이 현저히 늘어났음을 의미 한다(Fig. 2). 이후 두 품종의 화색소는 노화단계(S5)에 도달 하면서 S3 대비 약 66.1%, 64.9% 감소했다. ‘Faustinia’의 꽃잎 b* 값과 카로티노이드 함량, ‘Liparfum’의 a* 및 b*값과 안토시 아닌 함량변화에 대해 개화단계별 유사한 패턴을 확인했다 (Table 2, Fig. 2). 이는 Schmitzer et al.(2010)이 보고한 개화 에 따른 적색 계열 장미 품종 ‘The Fairy’, ‘KORverlandus’, ‘POUleas’, ‘MORedfar’, ‘The Gartnerfreude’의 화색과 색소 함 량 변화 결과와 유사했다.

장미 주요 향기물질 페놀 2-phenylethanol, 3,5-dimethoxytoluene, eugenol과 테르펜 neral, geranial은 모든 품종에서 개화단계별 함량 변화가 뚜렷했다(Table 3). 2-phenylethanol과 3,5-dimethoxytoluene 은 세 품종에서 모두 개화 진행에 따라 증가한 후 노화단계(S5)에서 감소하는 경향을 보였으나, eugenol과 geranial 등 일부 향기물질 은 검출단계 및 증감패턴이 품종마다 상이했다. 향기(관능평가)가 강한 품종일수록 총 향기물질의 함량이 높았으며 ‘Liparfum’ (132.85μg·g^-1FW), ‘Faustinia’(54.14μg·g^-1FW), ‘Tchaikovsky Meichibon’(18.43μg·g^-1FW) 순으로 나타났다(Table 3). 최대 함량 비율을 보인 2-phenylethanol과 3,5-dimethoxytoluene 은 ‘Tchaikovsky Meichibon’ 약 94.8%, ‘Liparfum’ 약 89.6%, ‘Faustinia’에서 약 84.2%의 비율로 나타났던 반면, 총 테르펜 향기물질의 구성 비율은 ‘Faustinia’(약 15.8%), ‘Liparfum’(약 10.2%), ‘Tchaikovsky Meichibon’(약 1.8%) 순으로 나타났다 (Table 4). 장미 꽃 테르펜 향기물질의 상대적 함유량은 낮지만 페놀 향기물질(2-phenylethanol: 750μg·kg^-1)보다 낮은 향기 역 치(odor thresholds)를 가지고 있기 때문에(geraniol: 75μg·kg^-1, damascenone: 0.009μg·kg^-1, β-ionone: 0.007μg·kg^-1 in water) 구성 비율이 장미 향기 특성에 큰 영향을 미친다(Baldermann et al. 2009). ‘Faustinia’와 ‘Liparfum’의 강한 향기는 ‘Tchaikovsky Meichibon’보다 상대적으로 많은 향기물질 함량과 높은 테르펜 비율의 결과라고 판단한다. 세 품종의 정원 장미 화색소와 향기물 질은 개화 과정 중 유사한 변화 패턴을 보였으며, 화아 발달에 따른 절화 장미 화색소와 향기물질 증감 양상 관련 선행 연구의 결과와도 큰 차이가 없었다(Yeon and Kim 2020b).

화색소와 향기물질의 상관관계

개화단계별 화색소와 향기물질 함량에 대한 상관관계를 분석 한 결과, 품종별 상이한 결과를 확인했다(Table 4). 적색 계열 ‘Liparfum’에서 안토시아닌은 모든 향기물질과 음의 상관성을 나타냈으며 그중 페놀 그룹인 3,5-dimethoxytoluene(r=-0.72^**), eugenol(r=-0.58^*), 2-phenylethanol(r=-0.51)에서는 테르펜보 다 상대적으로 더 높은 상관성을 보였다(Table 4). 선행연구 에서도 적색 계열 장미 품종 ‘Ahoi’, ‘Pink Condor’, ‘Pearl Red’, ‘Vital’의 시아닌과 펠라고닌은 2-phenylethanol과 음의 상관관계를 갖는다고 보고했다(Yeon and Kim 2020a). 일부 페놀 향기물질과 안토시아닌은 합성경로 중 수직적 생합성 흐 름(vertical biosynthetic flux)으로 인해 경쟁적 제한이 발생한 것으로 판단한다(Yeon and Kim 2021). 황색 계열 ‘Faustinia’ 와 백색 계열 ‘Tchaikovsky Meichibon’은 ‘Liparfum’과 다르게 개화 진행동안 색소와 향기물질 간의 명확한 상관성이 없었다 (Table 4). 하지만 카로티노이드 함량이 상대적으로 높았던 ‘Faustinia’에서 테르펜 향기물질 구성 비율이 약 15.8%로 ‘Liparfum’(약 10.2%)과 ‘Tchaikovsky Meichibon’(약 1.8%)보 다 약 5~14% 높았다. 선행연구에서도 카로티노이드와 일부 향기물질간의 상관성을 명확하게 설명하지 못했는데, 이는 페 놀과 달리 테르펜 색소와 향기물질 간의 수평적인 합성경로 구조를 가지기 때문으로 생각한다(Yeon and Kim 2021).

한편, 개화단계별로 화색소 및 향기 물질 함량은 적색 계 열 ‘Liparfum’에서 페놀 색소와 향기물질 사이에 음의 상관을 보였으나, 황색 계열 ‘Faustinia’와 백색 계열 ‘Tchaikovsky Meichibon’에서는 일관적인 경향을 보이지 않았다. 몇 종(D. caryophyllus, R. hybrida, Petunia hybrida 등)에서 페놀 색소 와 향기물질간 경쟁적 관계를 보고했던 결과와 유사했다 (Yeon and Kim 2020a;Zuker et al. 2002;Zvi et al. 2008). 하지만, 적색 절화 장미 ‘Vital’의 화아발달단계별 화색소 및 향 기물질간 상관성 결과와는 상이하여(Yeon and Kim 2020b) 화색소 및 향기물질의 구성 차이에 따른 결과로 향후 다양한 구성물질들의 생합성 기작 탐구와 함께 상호작용 연구를 지속 적으로 수행하는 것이 필요하다.