Abstract
This study aimed to develop a novel tomato (Solanum lycopersicum L.) cultivar enriched in phytoene and phytofluene, colorless carotenoids known for their health-promoting properties. Parental lines with diverse fruit colors and morphological traits were selected and crossbred to generate three F1 hybrids: ‘Rubybell’, ‘INDIGO-G’, and ‘BLACK-B’. The phytoene and phytofluene contents of the hybrids were quantified using high-performance liquid chromatography. Among them, ‘Rubybell’ exhibited the highest concentrations of phytoene (0.105 mg/g) and total phytofluene (0.118 mg/g), representing increases of 51% and 29% compared to the maternal line APR-52-MU, and 14% and 1% compared to the paternal line CAPP1745, respectively. Compared to commercial tomato cultivars, ‘Rubybell’ exhibited 76- and 23-fold higher levels of phytoene and phytofluene, respectively. Furthermore, ‘Rubybell’ accumulated higher levels of these functional compounds when cultivated in March and October, underscoring the influence of the planting season on carotenoid biosynthesis. These findings offer valuable insights into the breeding of high-value functional tomatoes and support their potential use in health-promoting food applications (Registration number: 10514).
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Keywords: tomato cultivar development; phytoene; phytofluene; hybrid breeding; agricultural biotechnology
서언
토마토(Tomato,
Solanum lycopersicum L.)는 남미 서구 고원지대가 원산지인 가지과 식물로 열대에서는 다년생이지만 온대 지역에서는 1년생 식물로 재배된다(
Son et al. 2011). 세계적으로 토마토는 주요 농산물의 필수적인 부분을 구성하고 있다. 토마토에는 다양한 카로티노이드 성분을 함유하고 있는 것으로 알려져 있으며, 다양한 카로티노이드 성분 중 β-carotein, phytoene, lycopen을 다량 함유하고 있다(
Kim et al. 2015).
카로티노이드는 항산화 작용을 통해 피부 노화 및 손상의 주요 원인 중 하나인 자외선(UV)으로 인한 활성산소종(ROS) 생성을 억제하는 기능을 가진다(
Engelmann et al. 2011). 자외선 중 UVA (320~400 nm)는 ROS, 특히 싱글렛 산소 생성을 유도하여 산화 스트레스를 유발하며, UVB (290~320 nm) 및 UVC (100~290 nm)는 피부일광화상 및 돌연변이 유발성과 관련이 깊은 것으로 알려져 있다(
Shapira 2010). 카로티노이드는 피부손상으로 이어지는 자외선과 관련된 공격 과정을 방해하는 특성을 가진다(
Engelmann et al. 2011). 자외선 파장의 UVA (320~400 nm)의 노출은 ROS, 특히 싱글렛 산소를 형성하여 산화 스트레스를 유발하며, 가장 해로운 범위는 UVB (290~320 nm), UVC (100~290 nm)로 일광화상과 돌연변이성 병변을 유발하는 것으로 알려져있다(
Shapira 2010).
Aust et al. (2005)은 phytoene (0.8~3.2 mg/d) 및 phytofluene (2.0~4.6 mg/d)을 함유한 토마토 추출물을 투여한 실험쥐에서 UV 조사로 인한 홍반 반응이 감소함을 확인하였으며, 시험관 내 실험에서도 섬유아세포에 대한 보호 효과가 나타났다. 또한, 이들 성분은 높은 항산화 능력을 갖고 있으며(
Shaish et al. 2008) 암예방 측면에도 androgen 농도조절 및 세포사멸 유도와 같은 생리활성을 보인다고 보고되었다(
Campbell et al. 2006,
Nara et al. 2001).
따라서 본 연구에서는 phytoene 및 phytofluene 함량이 증가된 신품종 토마토를 개발하고, 그 기능성 성분 함량을 평가함으로써 고기능성 토마토 품종 개발을 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다.
재료 및 방법
실험 재료
본 연구에서는 phytoene 및 phytofluene 함량이 높은 토마토 품종을 개발하기 위해, 전라남도 담양군에 위치한 농업회사법인 가나종묘(주)에서 다양한 색상의 토마토 계통 중 8계통을 선발하였다(
Table 1). 이후 이들 계통을 교배하여 기능성 성분 함량이 높은 신품종을 육성하였다. 채취한 토마토 과실은 수확 후 2등분하여 -85℃ 딥프리져(MDF-U50V, Sanyo, Japan)에 24시간 동안 예비동결하고 이를 동결건조기(Freeze dryer, Ilsinbio, Korea)에서 3일 이상 건조하여 분쇄하여 빛을 차단하여 보관하였다.
기능성 성분의 고함량 조건을 표준화하기 위하여, 육성된 품종인 F1 ‘루비벨’(품종등록번호: 제10514호)을 나주농업기술센터에 의뢰하여 시험 재배하였다. 시험 재배는 나주시농업기술센터 내 스마트팜 시설에서 수행되었으며, 정식 시기는 3월과 10월로 설정하였다. 각 생육 시기에서 수확된 과실을 대상으로 phytoene 및 phytofluene 함량을 분석하여 생육 시기별 기능성 성분 변화 양상을 비교하였다.
Phytoene 및 Phytofluene 함량 분석
동결건조한 검체를 믹서기로 균질화 한 후 각 시료 0.5 g을 50 mL conical tube에 취하였다. 시료에 ethanol 10 mL을 첨가한 후, 75℃의 수욕상에서 5분간 반응시켰다. 이어서 80% KOH 용액 3 mL를 첨가하고, 동일한 조건(75℃)에서 10분간 비누화 반응을 수행하였다. 반응 후 시료를 꺼내어 5분간 얼음 위에서 냉각시켰으며, 이후 DW 2.5 mL와 hexane 2.5 mL를 첨가하고 강하게 3분간 진탕하였다(Voltex; Scilab Korea, Korea). 진탕 후 3,000 rpm으로 3분간 원심분리하여 상층 헥산층을 수거하였다. 잔여 시료에는 헥산 5 mL를 2회 반복하여 추가로 추출하였고, 동일한 조건으로 원심분리하여 상층을 수거하였다. 수거된 헥산층을 회전 진공 농축기(Eyela, Japan)를 이용해 완전히 농축한 뒤, MTBE:MeOH (3:1, v/v) 1 mL에 용해하였다. 이를 0.45 μm PTFE syringe filter로 여과하여 HPLC 분석용 시료로 사용하였다. HPLC 분석은 Waters 시스템(Waters, USA)을 이용하여 수행하였다. 컬럼은 YMC Carotenoid C30 (250×4.6 mm I.D., 5 μm; YMC, Japan)을 사용하였으며, 유속은 1.0 mL/min, 주입량은 10 μL로 설정하였다. 용리 조건은 이동상 A (95% 메탄올)와 이동상 B (MTBE, Methyl tert-butyl ether)를 사용하였으며, gradient 방식으로 수행하였다. 분석 시작 0분에서 2분까지 이동상 B의 비율을 20%에서 40%로 점진적으로 증가시켰다. 이후 2.01분까지 이동상 B 비율을 10%로 급격히 낮춘 후, 12분까지 100%로 선형 상승시켰다. 12분부터 13분까지 이동상 B의 비율을 20%로 낮추고, 13분에서 25분까지는 20%로 유지하였다. 이러한 gradient 프로그램을 통해 Phytoene과 Phytofluene의 분리를 효율적으로 수행하였다. 검출 파장은 phytoene은 286 nm, phytofluene은 348 nm로 하였다. Phytofluene은 2개의 피크로 분리되어 검출되었으며, 두 피크 면적을 합산하여 총 함량(total phytofluene)으로 산출하였다. 정량분석을 위한 표준물질은 Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)로부터 구입한 phytoene을 사용하였으며, 20-100 μg/mL 농도로 MTBE:MeOH (3:1, v/v) 용매에 희석하여 표준곡선을 작성하였다. 얻어진 검량선의 회귀식을 기반으로 시료의 함량을 정량하였다. Phytofluene의 경우, phytoene 표준물질의 검량선을 기반으로 상대 정량하였다.
통계분석
실험 결과에 대한 통계 분석은 SPSS Statistics 소프트웨어(Version 27.0; IBM Corp., Armonk, NY, USA)를 사용하여 수행하였다. 실험군 간의 유의적인 차이를 검증하기 위해 독립표본 t-검정(independent sample t-test)을 실시하였으며, 유의수준은 p<0.05로 설정하였다. 모든 데이터는 평균±표준편차(mean±standard deviation)로 표기하였다.
결과 및 고찰
고함량 기능성분 함유 토마토 육종을 위한 양친계 선발
카로티노이드계 기능성 색소인 phytoene 및 total phytofluene 함량이 높은 신품종 개발을 위하여, 과실의 과피 색상에 따라 총 8계통의 토마토를 양친계 후보로 선발하였다. 진갈색 계통인 BOM-2와 A/S-B, 자주색 계통인 IN-MO와 IN-Y-YU, 붉은색 계통인 APR-56-MU 및 CAPP1745, 초록색 계통인 TK-KAO-18G, 노란색 계통인 WH-35-1-Y-2를 각각 1계통씩 선정하였으며, 이들은 최소 3회 이상의 자가수분을 통해 계통화를 완료하였다. 각 계통의 외형적 특성과 유래는
Table 1에 정리하였다. 양친계 후보의 기능성 성분 함량은 HPLC를 이용하여 분석하였으며, 분석 결과는
Table 2에 제시하였다. WH-35-1-Y-2와 TK-KAO-18G 계통에서는 phytoene 및 phytofluene이 검출되지 않았다. 반면, 붉은색 계통인 APR-56-MU는 phytoene 0.070 mg/g, total phytofluene 0.092 mg/g을 나타내었으며, CAPP1745는 phytoene 0.092 mg/g, total phytofluene 0.118 mg/g으로 두 품종 모두 높은 수준의 기능성 성분을 함유하였다. 이상의 결과를 바탕으로, 고함량 기능성분을 지닌 교잡종 개발을 위하여 BOM-2, A/S-B, IN-MO, IN-Y-YU, APR-56-MU 및 CAPP1745를 양친계로 최종 선정하였다. 한편, phytoene과 phytofluene은 무색의 카로티노이드로 알려져 있으며, 일반적으로 무색에 가까운 흰색, 녹색 또는 노란색 식품에서 주로 존재할 것으로 예상된다. 그러나
Olmedilla-Alonso et al. (2021)의 연구에 따르면, phytoene과 phytofluene의 일일 섭취량 중 98%는 토마토, 자몽, 고추, 오렌지 주스, 복숭아 등 적색 또는 오렌지색 식품에서 비롯되며, 흰색에서 노란색 계통 식품(키위, 멜론, 귤, 망고, 모과, 레몬, 배, 파인애플 등)은 두 성분의 섭취량 중 2%에 불과한 것으로 나타났다. 또한,
Coyago-Cruz et al. (2018)은 토마토 과실 색상에 따른 카로티노이드 함량 분석을 통해 노란색 토마토에서의 phytoene 함량은 0.3 mg/100 g, 주황색 토마토에서는 252.6 mg/100 g으로 보고하였으며, 과피의 적색 비율이 높을수록 기능성분의 함량이 증가한다고 하였다. 본 연구에서 붉은색 계통의 ‘APR-56-MU’ 및 ‘CAPP1745’가 높은 함량의 기능성분을 나타낸 결과는 기존 연구와 일치하는 경향을 보인다.
모계 및 부계의 다양한 조합을 바탕으로 총 3종의 F
1 교배종(Rubybell, INDIGO-G, BLACK-B)을 육성하였으며(
Table 3), 각 품종의 외형적 특성은
Table 4에 정리하였다. ‘루비벨’은 심장형 과형의 적색 품종이며, INDIGO-G는 인디고 계열의 자주색 과피를, BLACK-B는 적갈색 원형의 외형을 갖는 품종이다. 교배종의 기능성 성분 분석을 위하여 HPLC를 이용해 phytoene과 total phytofluene 함량을 측정하였고, 분석에 사용된 chromatogram 및 UV spectrum은
Fig. 1에 제시하였다. 분석 결과, ‘루비벨’ 품종이 phytoene 0.105 mg/g, total phytofluene 0.118 mg/g으로 가장 높은 기능성분 함량을 나타내었다(
Table 5). 이는 모계인 APR-56-MU 대비 각각 51%, 29% 증가한 수치이며, 부계인 CAPP1745 대비 각각 14%, 1% 증가한 결과이다. 이는 양친 모두 기능 성분 함량이 높은 계통을 사용함으로써 자식세대에서 기능 성분이 더욱 증대되었음을 시사한다. 한편, 일반 상업용 토마토에서의 phytoene과 phytofluene 함량은 각각 약 0.001 mg/g, 0.004-0.005 mg/g 수준으로 보고된 바 있으며(
Melendez-Martinez et al. 2015), 본 연구에서 개발한 ‘루비벨’ 품종은 phytoene 함량이 약 76-175배, total phytofluene 함량이 약 23-296배 높은 수준이었다. 이는 육종을 통해 기존 품종 대비 기능성분 함량이 현저히 향상된 신품종의 개발이 가능함을 보여주는 결과로 판단된다.
신품종 ‘루비벨’은 모 배축에 안토시아닌 착색이 관찰되며, 과실의 외형은 심장형이고 심실 수는 2개로 나타났다(
Table 4). 과실의 성숙 색은 적색이며, 평균 과중은 23.5 g, 과실 경도는 ‘약간 단단함’ 수준으로 평가되었다. 이러한 특성은 ‘루비벨’이 기능성분 뿐만 아니라 외관 및 생리적 특성 면에서도 상업적 가치가 있음을 시사한다.
‘루비벨’의 기능성분 함량에 대한 정식 시기의 영향을 확인하기 위하여, 나주농업기술센터의 스마트팜에서 3월 및 10월 정식 후 각각 5월 및 12월에 과실을 수확하여 분석을 수행하였다. 분석 결과(
Table 6), 3월 정식 개체에서 phytoene 함량은 0.068 mg/g, total phytofluene 함량은 0.093 mg/g으로 나타났으며, 10월 정식 개체 대비 상대적으로 높은 함량을 나타내었다(
p<0.001). 이는 정식 시기에 따라 생육 환경이 달라짐에 따라 기능성분 축적량에 차이가 발생함을 보여준다.
선행연구에 따르면, 정식 시기가 빠를수록 생육 기간이 길어지는 것과 식물체의 생장이 촉진되며(
Ahammad et al. 2009), 야간 기온이 12℃ 이하로 떨어질 경우 토마토 생육에 부정적인 영향을 미친다고 보고된 바 있다(
Choi et al. 2016). 본 연구에서도 가을철 10월 정식의 경우 상대적으로 낮은 온도 및 일조량 감소 등의 환경 조건이 생육에 부정적이었으며, 기능성분 축적에 부정적인 영향을 준 것으로 판단된다.
이러한 결과는 토마토 기능성 성분을 향상시키기 위한 재배 환경의 최적화 필요성을 강조하며, 특히 온도와 일조량을 조절하는 스마트팜 시스템의 중요성을 다시 한 번 확인시켜준다. 또한, 본 연구에서 개발한 ‘루비벨’ 품종은 기존 상업용 토마토보다 phytoene과 total phytofluene 함량이 월등히 높은 것으로 확인되었으며, 이는 육종을 통해 기능성 성분이 개선된 토마토 품종이 가능함을 보여준다. 이는 소비자에게 더 높은 영양적 가치를 제공할 수 있는 잠재력을 지닌 품종으로, 향후 건강 기능성 식품 개발에 기여할 수 있을 것이다. 향후 연구에서는 다양한 환경 조건에서의 추가적인 시험과, ‘루비벨’ 품종의 품질 안정성 및 상업적 생산성에 관한 평가가 필요하다. 또한, phytoene과 phytofluene 외에도 다른 기능성 성분들의 함량을 포함한 종합적인 평가가 이루어져야 할 것이다. 이를 통해, ‘루비벨’ 품종의 상업화 가능성을 높이고, 보다 다양한 품종의 개발을 통해 기능성 토마토 품종의 시장을 확장할 수 있을 것이다.
적요
본 연구는 고함량 카로티노이드계 색소인 phytoene과 total phytofluene을 함유한 신품종 토마토 개발을 목표로 하였다. 다양한 색상의 토마토 품종을 양친계로 선발하고, 이들 간의 교배를 통해 F1 교잡종을 개발하였다. 주요 결과로, F1 품종 중 ‘루비벨’이 phytoene 0.105 mg/g, total phytofluene 0.118 mg/g으로 가장 높은 기능 성분 함량을 보였다. 또한, ‘루비벨’은 3월 정식 시기에서 10월 정식 시기보다 높은 기능 성분 함량을 보였으며, 일반 상업적 토마토에 비해 phytoene과 total phytofluene 함량이 각각 76배, 23배 이상 높은 것으로 확인되었다. 이 연구는 토마토 육종을 통해 기능 성분 함량이 개선된 신품종의 가능성을 제시하며, 향후 고기능성 토마토 개발에 중요한 기초 자료를 제공할 것으로 기대된다.
사사
본 연구는 2021년도 과학기술정보통신부 재원으로 연구개발특구진흥재단의 지원을 받은 지역의 미래를 여는 과학기술 프로젝트(2021-DD-UP-0380)의 수행된 연구이며, 실증 재배 시험의 나주시 농업기술센터의 도움에 감사드립니다.
Fig. 1F1 (Rubybell) HPLC phytoene, phytofluene chromatogram and spectrum. A; phytoene (286 nm), B; Phytofluene (348 nm).
Table 2Phytoene and phytofluene contents by tomato lineage.
Table 2
|
Lineage name |
Phytoene (mg/g)z
|
Total phytofluene (mg/g)z
|
|
BOM-2 |
0.051 |
0.077 |
|
A/S-B |
0.065 |
0.085 |
|
IN-MO |
0.034 |
0.068 |
|
IN-Y-YU |
0.034 |
0.068 |
|
APR-56-MU
|
0.070
|
0.092
|
|
CAPP1745
|
0.092
|
0.118
|
|
WH-35-1-Y-2 |
N.D |
N.D |
|
TK-KAO-18G |
N.D |
N.D |
Table 3Paternal and maternal lineage of F1 tomatoes.
Table 3
|
F1 Hybrid |
Maternal Lineage |
Paternal Lineage |
|
Rubybell |
APR-56-MU |
CAPP1745 |
|
INDIGO-G |
IN-MO |
IN-Y-YU |
|
BLACK-B |
BOM-2 |
A/S-B |
Table 5Phytoene and total phytofluene contents in hybrids (F1).
Table 5
|
F1 Hybrid |
Cross combination |
Phytoene (mg/g)z
|
Total phytofluene (mg/g)z
|
|
Rubybell |
APR-56-MU/CAPP1745 |
0.105 |
0.118 |
|
INDIGO-G |
IN-MO/IN-Y-YU |
0.034 |
0.034 |
|
Black-B |
BOM-2/A/S-B |
0.058 |
0.086 |
Table 6Phytoene and total phytofluene contents in hybrids (F
1).
z
Table 6
|
March |
October |
p-valuey
|
|
Phytoene (mg/g) |
0.068±0.001 |
0.058±0.000 |
<0.001*** |
|
Total phytofluene (mg/g) |
0.093±0.001 |
0.078±0.000 |
<0.001*** |
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