Establishment of discrimination system using multivariate analysis of FT-IR spectroscopy data from different species of artichoke (Cynara cardunculus var. scolymus L.)

FT-IR 스펙트럼 데이터 기반 다변량통계분석기법을 이용한 아티초크의 대사체 수준 품종 분류

To determine whether FT-IR spectral analysis based on multivariate analysis for whole cell extracts can be used to discriminate between artichoke (Cynara cardunculus var. scolymus L.) plants at the metabolic level, leaves of ten artichoke plants were subjected to Fourier transform infrared(FT-IR) spectroscopy. FT-IR spectral data from leaves were analyzed by principal component analysis (PCA), partial least square discriminant analysis (PLS-DA) and hierarchical clustering analysis (HCA). FT-IR spectra confirmed typical spectral differences between the frequency regions of 1,700-1,500, 1,500-1,300 and $1,100-950cm^{-1}$, respectively. These spectral regions reflect the quantitative and qualitative variations of amide I, II from amino acids and proteins ($1,700-1,500cm^{-1}$), phosphodiester groups from nucleic acid and phospholipid ($1,500-1,300cm^{-1}$) and carbohydrate compounds ($1,100-950cm^{-1}$). PCA revealed separate clusters that corresponded to their species relationship. Thus, PCA could be used to distinguish between artichoke species with different metabolite contents. PLS-DA showed similar species classification of artichoke. Furthermore these metabolic discrimination systems could be used for the rapid selection and classification of useful artichoke cultivars.

본 연구는 FT-IR 스펙트럼 데이터를 기반한 다변량통계분석을 이용한 대사체 수준에서 아티초크(Cynara cardunculus var. scolymus L.) 품종 구분하였다. FT-IR 스펙트럼 데이터로부터 PCA(principal component analysis), PLS-DA(partial least square discriminant analysis) 그리고 HCA(hierarchical clustering analysis) 분석을 실시하였다. 아티초크 품종들은 1700-1500, 1500-1300, $1100-950cm^{-1}$ 부위에서 대사체의 양적, 질적 패턴 변화가 FT-IR 스펙트럼상에서 나타났다. FT-IR 스펙트럼의 $1700-1500cm^{-1}$ 부위는 주로 Amide I 과 II을 포함하는 아미노산 및 단백질계열의 화합물들의 질적, 양적 정보를 나타내고, $1700-1300cm^{-1}$ 부위는 phosphodiester group을 포함한 핵산 및 인지질의 정보가 반영이 되고, $1100-950cm^{-1}$ 부위는 단당류나 복합 다당류를 포함하는 carbohydrates 계열의 화합물들이 질적, 양적 정보가 반영되는 부위이다. PCA 상에 나타난 10품종의 아티초크들은 품종간에 중첩이 많이 이뤄지는 모습을 나타냈다. 아티초크 10개의 품종 중에서 'Cardoon'과 'Green Globe'가 계통분류학적으로 유연관계가 낮고, 서로간에 대사체 수준의 차이가 뚜렷하게 나타나는 것으로 보아 대사체 수준에서 마커 탐색에 가장 중요한 품종으로 작용할 것으로 판단된다. PLS-DA 분석의 경우 PCA 분석 보다 아티초크의 종간 식별이 뚜렷하게 나타났다. 따라서 본 연구에서 확립된 대사체 수준에서 아티초크의 품종 식별 기술은 품종, 계통의 신속한 선발 수단으로 활용이 가능할 것으로 기대되며 육종을 통한 품종개발 가속화에 기여 할 수 있을 것으로 예상된다.