국내 맥류의 붉은곰팡이 독소 발생 양상
Occurrence Pattern of Fusarium Head Blight Toxins in Barley and Wheat in Korea
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Abstract
국내 맥류 주산지에서 2020-2024년 동안 수집한 맥류에서 붉은곰팡이 독소의 발생을 분석하였다. 모든 연도에서 니발레놀(NIV)의 평균값과 발생 비율이 데옥시니발레놀(DON)보다 높았다. NIV와 DON이 함께 검출된 비율은 최대 89.7%였으며 NIV 의 검출량이 DON보다 큰 시료의 비율은 65.6-92.9%로 나타났다. 작물에서 DON과 NIV의 발생 비율은 밀보다 보리에서 높았다. 이 결과는 국내 맥류의 NIV 발생 수준이 DON보다 압도적으로 높으며 곰팡이독소 발생 수준이 DON이 아닌 NIV에 의해 결정됨을 나타낸다. 따라서, 향후 지속적인 NIV 발생 양상 추적과 NIV 대상 방제기술 개발이 필요하다.
Trans Abstract
The occurrence of Fusarium head blight mycotoxins was analyzed in barley and wheat collected from 2020 to 2024 in the main production areas in Korea. In all years, the mean level and incidence of nivalenol (NIV) was higher than deoxynivalenol (DON). The percentage of samples where DON and NIV were detected together was up 89.7%, and the proportion of samples where NIV was greater than DON ranged from 65.6% to 92.9%. The occurrence of DON and NIV was higher in barley than in wheat. These results indicate that NIV levels are predominantly higher than DON, and that mycotoxin levels in domestic barley and wheat are determined by NIV rather than DON. It is therefore necessary to continue to monitor the occurrence of NIV and to develop NIV-targeted control technologies in the future.
붉은곰팡이병(Fusarium head blight)은 맥류에 발생하는 주요 병으로 붉은곰팡이로 통칭하는 Fusarium 종 복합체(species complex)가 원인균이다. 이 곰팡이가 개화기에 이삭의 화기로 감염하면 낟알이 제대로 여물지 못해 수량 감소와 품질 저하를 초래한다. 세계적으로 가장 널리 분포하는 붉은곰팡이 종은 F. graminearum으로 데옥시니발레놀(deoxynivalenol, DON)과 제랄레논(zearalenone) 등의 곰팡이 독소를 생성하여 2차 피해를 유발한다(Desjardins, 2006). 붉은곰팡이는 독소 화학형(chemotype)과 종에 따라 세계적으로 지역 특이적인 분포를 보이는데(Del Ponte 등, 2022), 우리나라 곡류에는 DON 생성종인 F. graminearum보다 니발레놀(nivalenol, NIV)을 생성하는 F. asiaticum이 더 많이 분포한다는 것이 이미 보고되었다(Choi 등, 2023; Jang 등, 2019; Lee 등, 2009; Shin 등, 2018; Yang 등, 2021).
NIV와 DON은 구조적으로 4번 탄소의 수산화기(-OH) 유무 차이만 있으며 두 독소 모두 소화기 장애를 일으킨다는 점에서 매우 유사하다(Fig. 1). 그러나 독성에 있어 NIV가 DON보다 높다고 보고되었고(Nagashima, 2018), 일본은 일일섭취 한계량(tolerable daily intake)을 DON (1.0 mg/kg)보다 NIV (0.4 mg/kg)가 낮은 것으로 평가한다(Food Safety Commission of Japan, 2020). 그럼에도 이미 많은 국가와 국제기구에서 허용 기준을 정해 관리하고 있는 DON과 달리 NIV는 북남미, 아시아, 우리나라 등 국지적으로 발생하고 독성 데이터가 부족해 아직 발생 동향만 파악하고 있는 실정이다. 따라서 이 연구에서는 국내 맥류에 발생한 DON과 NIV의 최근 발생 양상을 분석하여 국내 맥류에 발생하는 붉은곰팡이 독소의 효과적인 방제 방향을 모색하고자 하였다.
Chemical structure of deoxynivalenol and nivalenol.
맥류 시료는 2020년부터 2024년까지 국내 맥류 주산지인 전라도와 경상도에서 수집하였으며 연도별로 지역, 시기와 맥종이 다양하였다(Table 1). 시료의 곰팡이 독소(DON, NIV)는 퀘처스(QuEChERS)법을 이용한 기존의 보고에 따라 분석하였다(Lee 등, 2013). 2020-2023년 시료는 마쇄한 시료 2 g에 0.1% formic acid가 함유된 물 3.75 ml와 acetonitrile 5 ml를 넣고 상온에서 1시간 동안 진탕(300 rpm) 추출하였다. 여기에 NaCl 1 g 과 MgSO4 4 g을 추가한 후 1분간 vortexing하고 10분간 원심분리하였다. 상등액 2 ml를 취해 primary secondary amine 50 mg 과 MgSO4 150 mg을 넣고 위와 같이 vortexing 및 원심분리한 다음 상등액 1 ml를 질소가스로 건조하였다. 건조된 시료는 1 ml의 15% 메탄올에 재용해하고 0.22 µm filter syringe (Korea Ace Scientific, Seoul, Korea)로 여과하여 분석하였다. 모든 시료는 액체크로마토그래프 질량분석기(Liquid Chromatography-Mass Spectrometry, LC-MS)로 분석하였다. LC-MS 분석은 Waters e2695 separation module과 Water 3100 MS detector (Waters, Milford, CT, USA)를 사용하였으며, 분석 컬럼은 Zorbax SB Aq C18 (4.6×150 mm, 5 µm; Agilent, Santa Clara, CA, USA), 이동상 용매는 0.2% formic acid와 5 mM ammonium formate 가 첨가된 물(A)과 100% 메탄올(B)을 구배(gradient) 조건으로 사용하였다. 정량 분석은 SIM (selective ion monitoring) 모드를 이용하여 NIV: 357.26, DON: 341.32 질량값을 선택적으로 검출하였다. 2024년 시료는 액체크로마토그래프 탠덤질량분석기(LC-MS/MS)로 분석하였으며 마쇄시료 3 g을 12 ml의 84% acetonitrile에 혼합한 후 1시간 동안 상온에서 진탕 추출하였다. 여기에 NaCl 0.5 g과 MgSO4 2 g을 투입한 후 1분간 vortexing하고 10분간 4°C에서 원심분리(3,600 rpm)하였다. 상등액을 질소가스로 건조한 후 1 ml의 20% acetonitrile에 용해 후 0.22 µm filter syringe로 여과하여 분석하였다. LC-MS/MS 분석은 SCIEX Triple QuadTM 5500+ System-QTRAP (Sciex, Framingham, MA, USA)과 Shimadzu LC 40 System UHPLC (AB SCIEX, Singapore)이 장착된 QTRAP 5500+ Ultra high performance hybrid LC-MS/MS system을 사용하였다. 분석 컬럼으로 Acquity UPLC BEH C18 column (1.7 μ m, 100×2.1 mm; Waters, Milford, MA, USA), 이동상으로 5 mM ammonium formate와 0.1% formic acid이 함유된 물(deionized water) (A)과 methanol (B)의 구배 조건을 사용하였다(유속 0.3 ml/min, 컬럼온도 40°C, 주입량 2 μ l).
Barley and wheat samples tested in this study
맥류 시료의 연도별 DON과 NIV의 평균값, 중간값, 최대값은 대부분 NIV가 DON보다 높게 나타났다(Table 2). 평균값은 모든 연도에서 NIV가 DON보다 높았고 최대값은 2023년을 제외한 모든 연도에서 NIV가 높았다. DON과 NIV의 발생 비율은 모든 연도에서 NIV가 DON보다 높았다. DON과 NIV가 함께 검출된 비율은 2020년을 제외한 연도에서 66.1-89.7%로 나타났다. NIV의 검출량이 DON보다 큰 시료의 비율은 5년간 65.6-92.9%인 반면 DON의 검출량이 NIV보다 큰 비율은 20.7% 이하였다. 또한 NIV 만 검출된 비율이 3.4-74.6%인 반면 DON 만 검출된 비율은 0-1.6%로 나타났다. 이러한 결과는 NIV의 발생이 DON 보다 압도적으로 높음을 보여줌과 동시에 국내 맥류의 곰팡이 독소 발생 수준이 DON이 아닌 NIV에 의해 결정됨을 보여준다. NIV의 우점 현상은 우리나라의 곡류에 NIV형 F. asiaticum이 우점하기 때문이며 Lee 등(2009)은 이를 우리나라의 오래된 벼 재배 역사와 함께 NIV형 F. asiaticum이 진화한 결과라고 추정하였다. 또한 2010년 대에도 유사한 연구 결과가 벼와 맥류에서 보고(Lee 등, 2010; Shin 등, 2018)되었고 NIV의 발생 또한 Lee 등(1986)의 보고 이후 꾸준하게 연구되고 있다. 종합하면, NIV 의 우점은 우리나라 맥류의 전형적이며 현재 진행 중인 발생 양상임이 이 연구를 통해 확인되었다. 한편, 연도별 붉은곰팡이 독소의 발생이 다르게 나타난 것은 연도별 개화기 이후 기상 환경의 차이 때문인 것으로 추정된다.
Occurrence of deoxynivalenol (DON) and nivalenol (NIV) in barley and wheat (2020-2024)
흥미롭게도 DON과 NIV 모두 보리의 발생 비율이 밀보다 높았다(Table 2). 이는 밀과 보리 유전자원의 붉은곰팡이병 발병이 밀보다 보리에서 높았다는 기존의 보고(Baek 등, 2022)와 유사하다. 이 결과는 우리나라에서 재배 중인 보리 품종이 평균적으로 밀보다 붉은곰팡이병과 독소 생성에 취약하며, 따라서 보리의 붉은곰팡이 저항성 품종 개발이 시급함을 나타낸다.
국내에 분포하는 붉은곰팡이인 F. asiaticum이나 F. graminearum은 NIV와 DON뿐만 아니라 이들의 아세틸 유도체인 4-acetyl NIV, 3-acetyl DON, 15-acetyl DON과 함께 제랄레논도 동시에 생성할 수 있다(Jang 등, 2019). 따라서, 붉은곰팡이 오염시료의 경우 이러한 복합 감염에 따른 다종 독소의 동시 오염을 예상하고 대처할 필요가 있다. NIV는 DON과 달리 현재 허용 기준이 설정되지 않았지만 우리나라 맥류에 주로 발생하는 곰팡이독소이다. 따라서, 이러한 국내 맥류의 특이적인 NIV 발생 양상을 고려한 지속적인 추적 관찰과 NIV 의 오염을 효과적으로 제어할 수 있는 방제기술의 개발이 필요한 것으로 보인다.
Notes
Conflicts of Interest
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
Acknowledgments
This study was carried out with the support of “ Research Program for Agricultural Science & Technology Development (Proj-ect No. PJ017227), National Institute of Agricultural Sciences, Rural Development Administration, Republic of Korea.