서 언
수국(Hydrangea spp.)은 수국과(Hydrangeaceae) 수국속 (Hydrangea)의 낙엽성 관목으로 커다란 잎과 크고 화려한 색상의 꽃을 가져 절화, 분화, 그리고 정원용으로 인기가 많은 화훼 작물이다. 수국은 국내뿐만 아니라 세계적으로 인기가 높아 미국에서는 연간 관목 판매 1,000억원의 규모를 차지하고 있으며 (Owen et al. 2016), 네덜란드 화훼 시장에서 정원 식물 매출 액의 2위를 차지한다(Royal FloraHolland 2022). 수국은 미국과 아시아에 걸쳐 약 23종이 분포하며(McClintock 1956), 수국(Hydrangea macrophylla), 산수국(H. serrata), 나무수국(H. paniculata), 미국수국(H. arborescens), 떡갈잎수국 (H. quercifolia), 아스페라수국(H. aspera), 등수국(H. anomala) 이 주로 국내에 유통되고 있다(Bak et al. 2021).
최근 정원용 수국의 수요가 증가하면서 국내 유통되는 7개 종은 각각 환경 저항성(온도, 수분 등)이 달라 식재지에 따라 다양하게 이용된다. 하지만 여전히 저온 저항성은 낮지만 가장 화려한 화색과 화형을 갖는 수국(H. macrophylla)의 인기가 높다. 이러한 이유로 시장에서는 저온 저항성이 강한 다양하고 화려한 화색과 화형의 식물 개발이 요구된다. 단일 종 내에서는 발생하지 않는 특성을 도입할 수 있는 가능성을 제공하는 종간 교잡은 이러한 식물 개발을 위해 화훼작물 육종에 주로 이용되는 방법이다(Bak and Han 2023;Van Tuyl and Lim 2003, Volker and Orme 1988). 종간 교잡은 화훼작물의 형태학적 변화 유도, 병 저항성 향상 또는 다양한 형질을 도입하는 육종적 도구로 사용될 수 있으나(Langton 1987;Uhlinger 1982;Van Tuyl and De Jew 1997), 여러가지 기작이 있어 잡종의 획득이 어렵고 획득된 잡종들도 유전적으로 불안정하여 불임이거나 임성이 낮아 육종에 활용되기 어렵다(Bak and Han 2022).
육종·재배적 활용을 높이기 위해 화분(Pollen)의 수집·보관, 수분(Pollination) 시기(적정 화주), 수분 환경, 종간 교잡체를 개발하여 그 교잡체를 매개로 종간 교배를 성공시키는 교량 식물의 활용 등 다양한 방법이 연구되고 있다(Ali Dinar et al. 2021;Beltrán et al. 2019;Jan et al. 1998). 그 중 수분은 적정 개화 단계, 시기, 환경에 따라 종자 및 과실 형성률에 크게 영향을 끼쳐 중요하다(Kim 2004;Mesnoua et al. 2018). 특히, 적정 수분 시기의 설정은 교배 성공률을 높이거나 자가불화 합성을 극복하기위해 연구되어지고 있으며, 뇌수분과 노화수분의 비교 또는 개화 경과 일수에 따른 결실률에 대한 연구가 보고 되었다(Kim and Niimi 2002;Kyung et al. 2001).
본 연구는 종간 교잡체의 적극적인 육종적 활용을 통한 우수 식물 개발을 위해 나무수국과 미국수국의 교배로 개발된 종간 교잡체의 적정 수분시기를 구명하여 나무 수국으로 분홍 화색의 도입과 유전적 다양성 증대 육종에 활용하고자 실시하였다.
재료 및 방법
식물 재료
나무수국과 미국수국의 종간 교잡을 통해 개발된 종간 교잡체 D19416, D19417, 그리고 종간 교잡체의 부본인 미국수국(Hydrangea arborescens) ‘Pink Annabelle’을 이용해 전남대학교 야외 재배 포장에서 2023년 7월 4일부터 9월 4일까지 각각 자가수분, 부본과의 역교배를 실시하였다.
적정 수분 시기와 교배
종간 교잡체의 적정 수분 시기 탐색을 위해 수국 주두의 성숙 정도에 따라 성숙과 미성숙으로 구분하여 인공교배를 수행하였다(Fig. 1). 인공 교배를 위해 모본 꽃의 화서에서 우량 꽃 30화를 남긴 후 나머지를 제거하고 제웅 작업을 실시함과 동시에 교배에 사용될 꽃가루를 수집하였다. 미리 수집한 꽃가루를 붓을 이용하여 주두에 산포하고, 그 후 유산지 봉투를 씌워 오염을 방지하였다. 유산지 봉투는 교배 3일 후 제거하였으며, 각 식물의 주두 성숙 정도에 따른 자가수분과 역교배를 수행하였다. 교배 조합에 따라 각 화서에 30화씩, 3반복으로 교배를 수행하였다.
주두 화분관 신장 관찰
화분관 신장 관찰을 위해 인공수분 후 72시간이 지난 꽃을 수집하여 사용하였다. 수집된 꽃은 formalin acetic alcohol (FAA) fixative (formamide: glacial acetic acid: 70% ethanol = 1:1:18)에 침지하여 상온에서 24시간 동안 고정하였다. 고정된 샘플은 증류수에 수세한 후 70% ethanol에 침지하여 4℃에 보관하여 관찰에 이용하였다. 화분관 염색을 위해 샘플을 멸균수에 1회 수세한 후, 8N NaOH에 3시간 동안 연화시켰다. 연화된 샘플을 멸균수에 30분간 수세한 후 0.1%(w/v) aniline blue와 0.3N K3PO4에 1시간 동안 침지하여 염색했다. 표본 제작을 위해 염색된 샘플을 슬라이드 글라스에 올려 0.1% aniline blue를 한방울 떨어트린 후 커버 글라스로 압착하였다. 제작된 표본은 광학 현미경(Leica DE/DMLS Phase Contrast Microscope, Leica microsystems, Germany) 2.5x 배율로 관찰하였다.
결 과
적정 수분 시기와 교배
수국속(Hydrangea L.) 식물의 화서와 꽃의 형태는 종에 따라 조금씩 다른 형태적 특징을 갖고 있어 각 종별 적정 성숙 단계를 파악하는 것은 종간 교잡 육종 활용을 위해 중요하다. 형태적으로 나무수국의 꽃이 확인되는 종간 교잡체의 미성숙 주두는 Fig. 1의 A와 B가 해당되며, 미성숙 주두를 갖는 가임화의 형태적 특징으로는 꽃잎은 연한 녹색으로 보이고 암술대가 녹색이다. Fig. 1의 C와 D에 해당하는 성숙 주두를 갖는 가임화는 형태적으로 꽃잎이 백색으로 보이고 꽃봉오리가 팽창되어 미성숙 주두로 분류된 꽃봉오리보다 상대적으로 크기가 크다. 암술대의 색은 상아빛이 나는 백색으로 변하고 암술대가 벌어지기 시작하는 특징을 보인다. 미국수국과 나무수국은 형태적으로 큰 차이가 있고 교배에 사용되는 가임화는 나수무국 보다 작은 특징이 있다. 미국수국 ‘Pink Annabelle’의 미성숙 주두는 Fig. 1의 F와 G가 해당되며 꽃봉오리 꽃잎의 색은 옅은 녹색으로 보이며 꽃봉오리가 팽창하지 않았다. 암술대의 색은 녹색이고 암술머리의 색은 초록빛을 보이는 백색이다. 성숙 주두는 Fig. 1의 H와 I로 꽃봉오리 크기가 팽창하고 꽃잎색이 백색으로 변했으며, 암술 대가 반투명해지면서 완전한 백색으로 보인다. 가임화의 암술대가 벌어지기 시작하며 꽃봉오리도 벌어지기 시작하였으나 약은 개약하지 않았다.
미성숙 주두를 이용한 교배는 전체 7개의 조합으로 실시되었으나, 5개의 조합에서 종자가 확인되지 않았다(Table 1). 특히, 미성숙 주두를 이용한 교배에서 ‘D19416’, ‘D19417’, ‘Pink Annabelle’의 자가수분은 전혀 결실되지 않았다. 유일하게 미성숙 주두를 이용한 교배에서 아주 소량이지만 역교배를 실시한 ‘D19416 × Pink Annabelle’ 조합과 ‘Pink Annabelle × D19416’ 조합에서 각각 14개, 1개의 종자를 획득하였다. 미성숙 주두를 이용한 교배에서 D19416을 이용한 교배조합에서만 종자 획득이 가능했다.
성숙 주두를 이용한 교배에서는 ‘Pink Annabelle’의 자가수분을 제외한 모든 교배조합에서 종자를 획득했다(Table 1). 종 간 교잡체 D19416의 자가수분에서 50.00% 열매수확률로 수 확된 열매에서 전체 211개의 종자를 얻어 자가수분이 무리없이 되는 것을 확인했다. ‘D19416 × Pink Annabelle’ 역교배 조합에서 반복당 열매는 약 7개가 수확되어 전체 20개로 소량의 종자를 얻었다. 역교배를 실시한 ‘D19417 × Pink Annabelle’ 조합에서는 26.67%의 열매수확률이 확인되었으며 122개의 종 자가 획득되었다. 이에 따라, 사용된 두가지 종간 교잡체는 모두 자가불화합성은 없으며 D19417은 자가수분 및 역교배가 원활 히 이루어지는 것을 확인하였고 상대적으로 D19416은 자성기 관의 임성이 낮은 것으로 판단된다. 종간 교잡체 D19416, D19417을 부본으로 이용한 경우, 수확된 종자의 수가 각각 2 개, 145개로 D19417이 월등히 높은 교배친화성에 극명한 차이 가 확인되었다. 이러한 교배 친화성의 차이가 존재함에도 불구 하고, 자가불화합성 조합을 제외한 모든 교배에서 성숙 주두를 교배에 사용하는 것이 종자 획득률을 높이는 것으로 나타났다. Welch’s t-검정 결과, 유의미한 차이가 확인되었다(t=-3.31, df=41, p=0.002). 이를 통해 성숙 주두 단계가 가장 적절한 교배 시기임을 확인하였다.
주두 화분관 신장 관찰
수분후 열매수확률이 0%로 확인된 미성숙 주두가 사용된 교배조합에서 열매고사의 사유를 정확히 하기위해 주두에서의 화분관 신장을 관찰하였다. 미성숙 주두를 이용한 ‘Pink Annabelle × D19416’, ‘Pink Annabelle × D19417’ 교배 조합의 수분후 3일뒤 주두를 관찰한 결과, 주두에서 화분 발아가 이루어지지 않은 것을 확인하였다(Fig. 2). 정상적인 화분관 발아는 주두에 화분립이 확인되며 화분립에서 화분관이 자방으로 내려가는 것을 확인할 수 있다(Fig. 2A). 하지만, ‘Pink Annabelle × D19416’, ‘Pink Annabelle × D19417’에서는 화분립 및 화분 발아관이 전혀 확인되지 않았다(Fig. 2B, 2C). 이는 성숙 주두를 이용한 교배에서 상당량의 종자가 수확된 점 과 미성숙 주두에서 전혀 수확되지 않은 점을 고려하였을 때, 사용된 식물에는 수정 후 장벽에 의한 열매의 고사는 아닌 것으 로 확인되었다.
고 찰
미성숙 주두를 이용한 교배는 뇌수분으로 타작물에서 자가불 화합성의 타파에 주로 이용된다. 본 실험에서는 성숙 주두의 종간 교잡체를 이용한 교배에서 자가수분이 상당량의 종자를 획득할 수 있었기 때문에 실험에 사용된 종간 교잡체는 자가불 화합성이 없다(Table 1). 미국수국 ‘Pink Annabelle’은 미성숙 주두 및 성숙 주두를 활용한 자가수분에서 모두 종자가 형성되지 않아 자가불화합성이 의심되었으나 미성숙 주두를 활용한 교배를 통해 타파되지 않았으며, Fig. 2에서 미성숙 주두를 활용 한 교배에서 화분관이 관찰되지 않았다. 교배 활용을 위해 노화 수분 또는 화주 절단법의 적용에 대한 추가 연구가 필요할 것으 로 사료된다(Kyung et al. 2001;Jo et al. 2024). 성숙 주두를 이용한 역교배에서 현저히 낮은 종자 수확량이 확인됨에 따라 교배 친화성이 매우 낮은 것으로 확인된다. 종간 교잡체는 많은 경우 불임이거나 임성이 낮은 경우가 많다(Bak and Han 2022). 특히, 종간 교잡체 D19416은 미성숙 및 성숙 주두를 이용한 역교배 모두에서 현저히 낮은 종자 수확량이 확인되었 다. 교배 육종에 활용하기 위해서는 새로운 중간 모본을 활용하 는 방법이나 멘토 화분법을 적용한 사례에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다(Dogan Meral et al. 2020;Eeckhaut et al. 2006). 반면에, 성숙 주두를 이용한 교배를 통해 미국수국 ‘Pink Annabelle’과 D19417은 상대적으로 높은 상호 교배 친화성이 확인되었다. 본 실험에 사용된 종간 교잡체 D19416과 D19417 그리고 교잡체의 부본인 미국수국 ‘Pink Annabelle’의 화분 발아율은 각각 42.2%, 56.2%, 33.2%였다(자료미제시). 각 조합의 교배 결과, 수확된 종자 수는 화분 발아율의 순위와 동일하였다. 웅성과 자성 기능의 상관관계는 상호 독립적인 특성이지만 본 연구의 결과로 웅성의 활력과 자성의 활력 모두 높은 종간 교잡체 D19417이 상대적으로 가장 건강한 식물로 생식적 활력이 높았을 것으로 사료된다. 이는 D19417이 같은 환경내에서 형태･생리학적으로 우수한 자원으로써 높은 종간 교잡 활용 가능성이 기대된다. 결론적으로, 식물에 따라 교배 친화성의 차이는 있으나, 성숙 주두는 종간 교잡체를 이용한 교배의 적정 수분 시기로 판단된다. 나무수국의 형태를 갖는 종간 교잡체를 육종 재료로써 미국수국 ‘Pink Annabelle’의 분홍 화색을 흰색 화색이 주로 관상되는 나무수국의 화색 다양화를 위한 육종에 효율적으로 적용 가능할 것으로 기대된다.
