Rice MAP Kinase Kinase 2 (OsMEK2) Contribute to Plant Immunity by Regulating Second Phase ROS Burst Against Magnaporthe oryzae

Dangol, Sarmina 세종대학교 대학원 2019 국내박사

Pathogen attack confers pattern-triggered immunity and effector-triggered immunity upon sensing pathogen-associate molecular patterns and effectors by plant immune receptors respectively. Immune response mostly induces hypersensitive response (HR), a programmed cell death, accompanied by a localized cell death at the infection sites. The association of HR cell death upon activation of MAPK signaling pathway has been reported in dicots plants, however, it is limited in monocot. In first chapter, we reported rice MAP kinase kinase 2 (OsMEK2), an upstream of MAP kinase 1 (OsMPK1) is activated upon avirulent Magnaporthe oryzae 007 infection. Deletion of OsMEK2 in resistant rice cultivar Dongjin suppress expression of downstream interactors OsMPK1, OsWRKY90 and NADPH-oxidase OsRBOHB resulting reduction in second phase ROS and ferric ion production and accumulation, lipid peroxidation, and HR cell death upon pathogen infection. Further, we found ferric ions and ROS (hydrogen peroxide) accumulated in HR cell death of rice leaf sheath tissues during avirulent M. oryzae infection in DJ. In second chapter, we reported ferroptosis like cell death involve in Rice-M.oryzae interaction. Small-molecule ferroptosis inhibitors deferoxamine, ferrostatin-1 and cytochalasin E, and NADPH oxidase inhibitor diphenyleneiodonium suppressed iron-dependent ROS accumulation and lipid peroxidation to completely attenuate HR cell death in rice sheaths during avirulent M. oryzae infection. By contrast, the small-molecule inducer erastin triggered iron-dependent ROS accumulation and glutathione depletion, which ultimately led to HR cell death in rice in response to virulent M. oryzae. These combined results demonstrate that iron- and ROS-dependent signaling cascades are involved in the ferroptotic cell death pathway in rice to disrupt M. oryzae infection.

Hepatoprotective and anti-fatigue effects of soluble rice peptide (SRP70) from rice by-product : 쌀부산물 유래의 수용성 펩타이드의 간보호 및 피로회복 효과

Bok Kyung, Han 고려대학교 대학원 2015 국내박사

Rice-derived by-products have been increasingly generated as rice-mediated processing products have been increased. The objective of this study is to isolate highly-purified proteins from the by-products of rice syrup meal (RSM), a processed rice product, and examine their hepatoprotective and antifatigue effects using primary culture and mice. Soluble rice peptide (SRP70) was obtained from rice syrup meal (RSM) via the enzymatic processings using Termamyl SC and Alcalase. This enzymatic treatment produced an enhanced protein level (82.1%) with the decrease of average peptide length (APL) in SRP70. Mass spectrometry analysis showed that SRP70 usually consisted of low molecular peptides less than 600 Da. SRP70 restored tert-butyl hydroperoxide (t-BHP)-induced cytotoxicity in hepatocytes, but did not affect normal cell viability. The level of alanine aminotransferase (ALT), aspartate aminotransferase (AST), and lactate dehydrogenase (LDH) elevated by t-BHP was effectively reduced by SRP70 in hepatocytes. In addition, the level of malondialdehyde (MDA), a toxic reactive aldehyde, which was increased by t-BHP, was significantly decreased by SRP70 treatment. This SRP70-induced decrease in biochemical indices was also observed in animal model. In particular, SRP70 increased activities of antioxidant enzyme such as catalase and glutathione peroxidase (Gpx), and the level of glutathione, an antioxidant peptide, in liver of t-BHP-treated mice. Hematoxylin and eosin (H & E) staining analysis showed that SRP70 protected liver tissues from cellular necrosis or transformation induced by t-BHP. These results showed that SRP70, which is derived from rice by-product, has a hepatoprotective effect in cell and animal. Another objective of the present study is to evaluate the anti-fatigue capacities of SRP70. The effect of SRP70 on physical endurance was evaluated as swimming endurance capacity of mice, and the biochemical levels of fatigue-related factors including blood glucose, lactate, blood urea nitrogen (BUN), lactate dehydrogenase were determined after 4 weeks of SRP70 administration. Swimming time was significantly increased relative to controls after 4 weeks. Blood glucose levels of SRP70-administered mice were significantly higher than in the control group, while levels of endogenous fatigue substances such as lactate and BUN were decreased. In particular, 500 mg/kg/day SRP70 reduced lactate levels by 24% compared to controls. The activity of LDH, which is responsible for lactate breakdown, was significantly increased in mice treated with SRP70 (623.3 U/L) or branched-chain amino acids (BCAA, 581.9 U/L) compared to controls (368.3 U/L). These results indicate that SRP70 could significantly alleviate physical fatigue in mice. This work describes a suggestion for the use of rice by-product by showing that enzymatic process of rice syrup meal could produce substances to suppress the chemical-induced hepatocytoxicity and to enhance physical performance. This study would give useful information in the utility of rice by-products.

Quality Monitoring of Naturally-Fermented Rice Vinegars from Different Countries by Physicochemical, E-Tongue and E-Nose Analyses : 전자혀, 전자코 및 이화학적 분석에 의한 한국, 중국, 일본산 천연발효 쌀식초의 품질특성 분석

정남혁 경북대학교 일반대학원 2016 국내석사

Rice vinegar (RV) was fermented with the major ingredients of rice, glutinous rice, and brown rice. RV has been used as a condiment for rice which is a staple food in Asia. In this study, 10 kinds of naturally-fermented commercial rice vinegars such as Korean (KRV1 - 4), Chinese (CRV1 - 2), and Japanese (JRV1 - 4) were bought to compare the quality of the products. Based on specific country on the titratable acidity of the vinegar, Korea (Food Code) 4-29%, Chinese (GB) more than 3.5%, and Japan (JAS) 4.2% or more, the sample of 10 species were all satisfied with this criterion, KRV (5.07 - 6.27%) was significantly higher than CRV (4.67 - 4.84%), and JRV (4.64 - 4.84%). The analysis also exhibited that range of the total nitrogen content was 0.01-0.22%, significantly high in KRV1 by weight basis. The major organic acids in rice vinegar were of 6 types including sugars fructose, glucose, sucrose, and maltose and they have been identified as maltose in Korean, glucose in Chinese and fructose in Japanese. In case of free amino acid, 30 types were identified and major amino acids were alanine in Korean, phenylalanine and aspartic acid in Chinese and leucine and alanine in Japanese samples. On the other hand physiologically active substance like γ-aminobutyric acid (GABA) was identified significantly higher in KRV1. The total polyphenol content was high in KRV1 and KRV2, and DPPH and ABTS radical scavenging activity of the sample was also observed to be significantly higher. The electronic tongue analyses showed that the major sour taste of the vinegar was strongest in KRV1. However, the same was observed to be weaker in JRV4, and other vinegars like KRV1 and CRV1-2. Electronic nose analyses of the odor pattern exhibited presence of propanal, acetic acid, 1-hydroxy-2-propanone, 2-ethyl furan, 2-methyl-1-butanol, methyl 2-methylbutanoate and butanoic acid as major components. As a result, in the principal component analysis distinguished clear distinction was observed between KRV1, KRV2 and other samples. The odor components of the samples were also analyzed using SPME / GC-MS technique. The major odor components of the samples from each country were isoamyl acetate and acetoin in Korean, butyric acid in Chinese and 2-methyl-1-butanol in Japanese samples. Sensory evaluation of the samples showed that the flavor of KRV1 was significantly high. On the other hand, the same in Chinese vinegars was observed to be low but good in turbidity. Correlation coefficients of physicochemical and volatile compounds and electronic tongue & nose showed a positive correlation. Physicochemical properties of naturally-fermented rice vinegar exhibited differences depending upon the kind and quantity of raw materials, fermentation methods, and aging time. And static-fermented Korean naturally-fermented vinegars using more than one year rice have identified high amino acid content, the antioxidant activity and preferences. The correlation analyses exhibited a positive correlation between the results of electronic nose and electronic tongue, and the quality of the naturally-fermented rice vinegar was expected to be used as a key indicator to determine. 쌀식초(rice vinegar, RV)는 쌀, 찹쌀, 현미 등을 주원료로 발효되며, 쌀을 주식으로 하는 아시아 지역에서 조미료로 사용되어 왔다. 본 연구에서는 한국산(KRV1-4), 중국산(CRV1-2) 및 일본산(JRV1-4) 시판 천연발효 쌀식초 10종을 구입하여 이들의 품질 특성을 비교하였다. 식초의 적정산도에 대한 나라별 기준은 한국(식품공전) 4-29%, 중국(GB) 3.5% 이상, 일본 (JAS)4.2% 이상으로, 10종의 시료는 모두 이 기준을 만족하였고, KRV(5.07-6.27%)가 CRV(4.67-4.84%) 및 JRV(4.64-4.84%)에 비해 유의적으로 높은 값을 나타내었다. 당도와 고형분 함량 역시 KRV에서 전반적으로 높은 경향이 확인되었으며, 총 질소 분석 결과 각 0.014-0.216% 범위로 KRV1에서 유의적으로 높은 함량을 보였다. 쌀식초의 주요 유기산으로 acetic acid와 succinic acid 등 6종이 분석되었고, 주요 유리당으로는 fructose, glucose, sucrose 및 maltose로서, 나라별 주요 당은 한국산 maltose, 중국산 glucose, 일본산 fructose로 각각 확인되었다. 시료의 유리아미노산은 30종이 분석되었으며, 한국산은 alanine, 중국산은 phenylalanine과 aspartic acid, 일본산은 leucine과 alanine이 주요 아미노산으로 확인되었다. 한편, 생리활성성분인 γ-aminobutyric acid(GABA)는 KRV1에서 유의적으로 높게 나타났다. 총 폴리페놀 함량은 한국산인 KRV1 및 KRV2에서 높은 함량을 나타내었고, 이 시료들의 DPPH 및 ABTS 라디칼 소거활성 또한 유의적으로 높게 확인되었다 (P<0.05). 전자혀를 이용한 맛의 분석에서 식초의 주된 맛인 신맛은 KRV1에서 가장 강하고, JRV4에서 가장 약하였으며, KRV1, CRV1-2 및 이외 식초들은 각각 맛에 대한 e-tongue패턴이 구분되었다. 전자코를 이용한 향기 패턴의 분석 결과, propanal, acetic acid, 1-hydroxy-2-propanone, 2-ethyl furan, 2-methyl-1-butanol, methyl 2-methylbutanoate 및 butanoic acid가 주된 성분이었고, 그 결과 PCA에서 KRV1, KRV2 및 그 외 시료간에 차이를 구분할 수 있었다. SPME/GC-MS를 이용한 향기성분 분석에서, 시료의 주요 향기성분은 한국산에서 isoamyl acetate와 acetoin, 중국산은 butyric acid, 일본산은 2-methyl-1-butanol로 각각 확인되었다. 향미에 대한 관능평가 결과, KRV1에서 유의적으로 높게 평가된 반면, 향미의 평가가 낮은 중국산은 혼탁도가 양호하다고 평가되었다. 이를 통한 이화학적 특성과 향미성분에 대한 전자코 및 전자혀에 대한 상관관계 분석의 결과, 양의 상관관계를 보인 품질인자들이 확인되었다. 천연발효 쌀식초의 이화학적 품질은 원료의 종류 및 함량, 발효방법, 숙성여부에 따라 차이를 나타내었고, 현미를 사용하여 1년 이상 정치 발효한 한국산에서 높은 아미노산 함량, 항산화 활성 및 관능적 선호도가 확인되었다. 그 결과들을 기초로 하여 볼 때 전자혀 및 전자코 패턴분석은 천연발효 쌀식초의 품질특성과 유의적인 상관성을 나타내어 향후 천연발효식초의 품질을 분석하는 주요 분석기법으로 활용이 기대되었다.

품종 및 질소 시비량이 벼 종실의 단백질 함량과 조성에 미치는 영향

김진웅 전북대학교 대학원 2011 국내석사

Rice proteins are nutritional, hypoallergenic, and healthy for human consumption. Protein is one of the most important factors affecting eating and processing qualities of rice. Therefore, we examined effects of cultivar and amount of nitrogen (N) fertilizer on the content and composition of proteins in rice grains. Rice cultivars used in this study were cvs. Hopumbyeo, Baekok-chalbyeo, Baeksul-chalbyeo, Bosuk-chalbyeo, Dongjin-chalbyeo, Haepyung-chalbyeo, Hwasun-chalbyeo, Jinbu-chalbyeo, and Sangjoo-chalbyeo. The amounts of N fertilizer applied were 0, 7, 9, and 13 kg/10a. There was a considerable variation in crude protein contents, ranging from 6.6 to 9.7% and 5.7 to 8.5%, respectively, in brown and milled rice of the nine test cultivars. There was also a significant varietal variation in content of the four protein fractions. The mean contents of albumin, globulin, prolamin, and glutelin fractions of brown rice were 1.79, 0.48, 0.05, and 6.94%, respectively. Those of milled rice were 0.51, 0.31, 0.1, and 8.07%, respectively. Prolamin content was 1.4~2.5 times higher in waxy-rice than in non-waxy rice cultivars. Albumin, globulin, prolamin, and glutelin fractions for brown and milled rice were composed of seven, five, one, and five major bands, respectively, and no cultivar- or tissue-specific variations were apparent in the fractional profiles. With the increased N levels, content of crude protein was gradually increased with concomitant increase in all protein fractions. The ratios of protein fractions were similar in brown and milled rice at all N fertilizer levels. Little differences were observed in the number of major protein bands between brown and milled rice at any N level. These results suggest that N fertilizer causes quantitative but not qualitative changes in major fractions of rice proteins. Increase in the crude protein content and glutelin fraction with increased N fertilization could be beneficial for human nutrition but detrimental for general eating quality of rice.

Regulatory functions of OsCO3 and OsHAP transcription factors in rice flowering

김순갑 Graduate School, Korea University 2013 국내박사

The photoperiod is an important environmental factor that determines flowering time. The CONSTANS (CO) and Heading date 1 (Hd1) genes are known to be central integrators of the photoperiod pathway in Arabidopsis and rice, respectively. At least 16 CO-like genes (COL) exist in the rice genome and OsCO3 (OsB) containing a single B-box and a CCT (CO, COL, and TIMING OF CAB1) domain belongs to this family in rice. The OsCO3 mRNA starts to increase after the beginning of the dark period and a high level of expression is maintained up to 4 h after the start of the light period. OsCO3 protein under the control of the maize ubiquitin1 (Ubi1) promoter was not degraded by light or dark. Overexpression of OsCO3 caused late flowering under short day (SD) conditions relative to wild-type rice plants. The expression levels of Heading date 3a (Hd3a), FT-LIKE (FTL/FT-L1), Rice Flowering Locus T 1 (RFT1), and OsMADS14 were decreased through Early heading date 1 (Ehd1) in OsCO3 overexpressing transgenic plants, whereas the expression of Hd1, OsMADS51, and OsMADS50 was not significantly changed. However, the heading date (flowering time) of OsCO3 RNAi transgenic plants was similar to non-transgenic plants or wild-type, suggesting that OsCO3 may have functional redundancy with other rice COL genes. To get insight into the function of OsCO3, a yeast two-hybrid assay was performed and rice HEME ACTIVATOR PROTEIN5 (OsHAP5) proteins interacted with a truncated OsCO3 protein (CCT region, C209-336). HAP complexes composed of HAP2, HAP3, and HAP5 recognize CCAAT box. It has been reported that individual HAP subunit functions as an important regulator of several essential plant processes including photoperiod-dependent flowering. Although the CCT region of OsCO3 interacted with OsHAP5B, OsHAP5C, and OsHAP5D in yeast, full length OsCO3 including Hd1 and Ghd7 (for grain number, plant height and heading date 7) did not interact with OsHAP3 and OsHAP5 proteins in vitro and in planta. In this study, OsHAP3 and OsHAP5 proteins formed heterodimers both in vitro and in planta. However, OsCO3, Hd1, and Ghd7 did not form heterotrimeric complexes with OsHAP3/OsHAP5 hetero-dimers unlike Arabidopsis CO/HAP3/HAP5 heterotrimeric complex in vitro. The diurnal expression patterns of OsHAP5B showed the highest peak at dusk and the lowest peak at dawn, whereas that of OsHAP5C exhibited the highest at dawn and the lowest at dusk. The expression level of OsHAP5B was higher than that of OsHAP5C in the root and leaf sheath, and OsHAP5C transcripts were mainly detected in leaf blade and flag leaf. However, the transcripts of OsHAP5D did not show the diurnal oscillation patterns and OsHAP5D was expressed in all tissues, specifically in root. The results of flowering time analysis indicated that the over-expression of OsHAP5B and OsHAP5C delayed flowering whereas that of OsHAP5D accelerated flowering under long day (LD) conditions. The expression levels of Hd3a, RFT1, and Ehd1 were significantly changed in these transgenic plants, whereas those of OsCO3, Hd1, Ghd7, OsMADS50, OsMADS56, and OsLFL1 (LEAFY COTYLEDON2, FUSCA3 Like 1) were not. In contrast to OsHAP5-overexpressing plants, OsHAP5B, OsHAP5C, and OsHAP5D RNAi transgenic plants did not show difference of heading date compared to non-transgenic plants and wild-type rice plants under SD and LD conditions. Taken together, these results suggest that OsHAP complexes function upstream of Ehd1 to regulate rice heading date.

ORGANIC FARMING AND RICE PRODUCTION IN SRI LANKA

Wijesundara Peramune Arachchilage Gamini 고려대학교 국제대학원 2009 국내석사

Rice is the major crop and the staple food of Sri Lanka. Its production of rice is not sufficient to feed the people and a substantial amount of foreign exchange is spent for rice imports annually. Rice farmers tend to abandon paddy cultivation mainly due to sharp increase of cost of production. To solve this problem, Sri Lanka has not given due consideration to organic farming. Before Sri Lanka became a British colony, the country was self sufficient in rice and entirely organic farming was done. So, even today the country has all the resources to turn from expensive inorganic rice farming to low cost sustainable organic rice farming which is also expected to save foreign reserves. This study is an attempt to look into the present situation deeply comparing both systems of organic and inorganic rice production and the world experience in organic farming. The study will help to find how organic rice farming can be developed to expected level in Sri Lanka. Sri Lanka still has enough ways and means to develop sustainable agriculture system. But enough research has not been conducted in the field of organic farming. So it is difficult to find sufficient documentary evidence. But the available material and data help to a certain extent to continue this research. Finally the research finds that ‘Organic farming can improve rice production in Sri Lanka. Organic rice farming will be successful in the long run but not within a short period of time.

Relationship among rice stripe virus, vector insect and its symbiotic wolbachia : using the system for the viral disease outbreak forecast

이민호 Graduate School, Korea Univeristy 2016 국내박사

벼줄무늬잎마름병바이러스(Tenuivirus: Rice Stripe Virus, RSV)의 대발생 지역은 전형적으로 한국의 남동부 지역이었으나, 2000년대 이후에는 주로 서해안 지역에서 대발생이 나타나고 있다. 그러나 지역의 환경적 요인을 반영한 발병 예측 모델은 아직까지 개발되지 않았다. 발병 예측 모델 개발은 이 병의 매개충인 애멸구(Laodelphax striatellus)가 월동처에서 논으로 이동하는 봄철의 온도 조건에 기초할 필요가 있다. 최근의 RSV 대발생을 이해하기 위하여, 본 연구에서는 애멸구가 화본과 잡초에서 벼로 이동하여 기주를 바꾸는 시기(5 ~ 6월)의 평균 온도 조건인 20oC에서 RSV 보독충의 생활사를 조사하였다. 이 온도 조건에서 RSV 보독충은 비보독충에 비해 유의적으로 짧은 약충기간을 경과하였으며 그에 따라 암수 모두에서 체중도 보독충이 유의적으로 낮았다. 매개충 체내에서 RSV는 상대적으로 높은 온도에서 매개효율이 높아, 15oC에서는 72시간이 경과해야 하나 20oC에서는 이병벼 흡즙 후 9시간 경과 후에 60-80% 수준의 안정적인 감염률을 나타냈다. 상기의 생리적 데이터는, 보독충의 월동 후 빨라진 발육 속도와 신속한 바이러스 전달효율이 RSV 대발생 요인 중 하나가 될 수 있음을 보여준다. 애멸구 매개충의 In situ 혼성화(hybridization) 실험 결과로 충체 내 혈액에서 혈구세포와 유리되어RSV가 결집되는(aggregated) 현상이 관찰됨에 따라, 애멸구 혈액 내에서 RSV 와 특이적으로 결합하는 단백질이 존재할 것으로 기대되었다. 매개충의 체내에서 바이러스와 반응하여 바이러스-단백질 복합체를 구성하는 샤프론 단백질이 목화진딧물(Myzus persicae)과 담배가루이(Bemisia tabaci)에서 보고된 바 있다. 이들 매개충의 샤프론 GroEL 단백질은 매개충의 체내 공생세균에 의해 생성된다. 따라서 본 연구에서는 애멸구의 공생세균인 볼바키아(Wolbachia)의 GroEL단백질이 RSV와 결합반응을 나타내는지를 조사하였다. 이 가정을 검증하기 위하여 본 연구에서는 groEL 유전자(1.65kb)를 분리하고, 발현벡터를 이용하여 재조합 GroEL 단백질(61.8kDa, rGroEL)의 발현을 유도하고 이에 대한 항체(polyclonal antibody)를 제작하였다. 면역결합(immuno-capture, IC)-RT-PCR법으로 RSV와 rGroEL 단백질 간 결합반응을 검정한 결과, GroEL에 결합된 RSV가 검출되었다. IC-RT-PCR의 최적 반응 조건으로, 10μg mL-1의 rGroEL, 1.25~5mg mL-1의 RSV 이병 벼 식물체 즙액 또는 1마리 이상의 애멸구 보독충이 반응에 적절하였다. 이 결합반응이 RSV 특이적 반응인지를 확인하기 위하여 벼검은줄오갈병바이러스(Reoviridae: Rice Black Streaked Dwarf Virus, RBSDV) 및 벼오갈병바이러스(Reoviridae: Rice Dwarf Virus, RDV)와 반응 여부를 조사하였다. 이들 두 바이러스는 동일 조건에서 rGroEL 단백질과 반응하지 않았다. 상기 결과는, 담배가루이에서 발견된 GroEL 단백질이 Cucumovirus나 Begomovirus와 같은 구형(globular) 바이러스와 결합하는 것과는 달리, 애멸구 내 볼바키아 GroEL단백질은 RSV와 같은 필라멘트형(filamentous virion) 바이러스와 특이적으로 반응할 것으로 기대된다. 또한, 애멸구 GroEL은 목화진딧물이나 담배가루이 GroEL의 Open Reading Frame (ORF) 염기서열에 대해 55% 이하의 상동성을 나타냈다. 볼바키아에 감염된 애멸구 개체들은 경란 전염으로 다음 세대에 볼바키아를 전달하는데, 이들 볼바키아 groEL 유전자 염기서열의 계통 분석을 수행한 결과 한국 애멸구에 공생하는 볼바키아는 일본의 그것과 99.7%의 상동성을 나타냈다. 이 볼바키아 GroEL과 결합반응을 일으키는 RSV의 서열 부위를 탐색하고자, 담배가루이와 목화진딧물의 GroEL 단백질과 반응하는 바이러스 피복단백질의 read-through domain (RTD) 서열과 RSV의 RNA 각 절편의 염기서열을 비교하여 상동성을 검색하였다. 그 결과 RNA1 절편 즉, RNA dependent RNA polymerase (RdRp)가 상대적으로 높은 상동성을 나타내어 이 부위가 애멸구 GroEL과 반응하는 부위로 추정되었다. 본 애멸구 GroEL 재조합 단백질과 상기 정보로 RSV를 신속히 정밀 진단할 수 있는 IC-RT-PCR 진단 키트가 상업적으로 개발되었다. 애멸구 볼바키아 GroEL이 RSV와 특이적으로 결합반응을 보였으므로 RSV, 볼바키아, 애멸구 삼자 간에 상호 관계성이 예상되었다. 만일 이들 삼자 간 관계성이 사실이라면, 이들 관계성을 RSV 감염의 진단 도구로뿐 만 아니라 RSV의 병역학이나 매개충 개체군 동태의 생물지표(biomarker)로 활용할 수도 있을 것이다. 상기 개발된 진단 키트와 볼바키아의 wsp 유전자를 사용하여 본 연구에서는 한국의 서해안과 중부 지역의 애멸구 월동충 개체군에서 RSV 보독충률과 볼바키아 감염률 간에 유의적인 양의 상관관계가 있음을 발견하였다. 각 애멸구 개체군별로 최소 10마리 이상의 개체에서 genomic DNA를 분리하여 볼바키아 wsp 유전자 서열을 확정하고, 이를 활용하여 지역 애멸구 개체군별 볼바키아 감염률을 검정하였다. 애멸구의 볼바키아 감염률은 지역 개체군마다 0 ~ 100%까지 상이하였고, 이들 개체군의 RSV 보독충률은 0 ~ 60%로 다양하였다. 그러나, 지역 개체군 내에서 볼바키아 감염률은 세대가 변해도 변동하지 않았다. 그러므로, 본 연구에서 지역별 애멸구 개체군의 볼바키아 감염률은 개체군의 내적 형질로서 매개충의 RSV에 대한 감수성이나 보독충의 적응력(fitness)을 결정지을 수 있는 생물적 요인(key parameter)의 하나로 제시되었다. 볼바키아 감염률은 또한 애멸구 개체군 내의 RSV 보독충률 수준을 제약하였다. 따라서, 볼바키아 감염률과 RSV 보독충률, 개체군 밀도, 논에서 RSV 발병률(이병주율) 간의 데이터 세트에서 유의적인 상관관계를 나타내는 조합을 찾아내고 적합한 회귀 방정식을 도출하였다. 그러나, 애멸구 월동세대에서 볼바키아 감염률과 RSV 보독충률이 유일하게 지역별 논에서 RSV 발병률을 유의적으로 추정할 수 있는 경로임이 밝혀졌다. 한편, 본 연구를 통하여 논에서 RSV 발병 모니터링 기법을 개선할 수 있었다. 즉, 전형적으로 식물병리학계에서 사용되어 온 대각선 조사법보다는 논둑에서 본논으로 이동하는 애멸구의 행동 특성을 반영하여 논둑으로부터 거리별로 모니터링을 하는 방식이 발병률에 따른 쌀 수확량 감소를 측정하는데 효과적임을 알 수 있었다. 결론적으로, 본 연구에서는 한국의 지역별 애멸구 개체군의 볼바키아 감염률을 기반으로 RSV 발병 예측 모델을 개발하였다. 이를 활용하면 RSV 대발생 위험 지역을 조기에 예측, 평가, 관리할 수 있을 것으로 기대된다. The hot spots of the Rice Stripe Virus (Tenuivirus, RSV) outbreak has changed since 2000 from southeastern to western coastal regions of Korea. Robust forecasting models with the regional environmental factors, however, have not been developed, especially based on temperature of spring season when the overwintered vector insects, Small brown planthopper (Laodelphax striatellus, SBPH), move to rice paddy fields. To under the recent RSV outbreaks, whether developmental changes of the RSV-viruliferous individuals in a population were caused by temperature was investigated. The temperature condition treated is mean temperature of spring season (May-June), 20 oC, in which the SBPHs move their host plants from Grameneae weeds to rice. In the temperature condition, rapid development of the RSV-viruliferous was observed in this study and it caused the lower body weight than the virus-free individuals. The RSV-transmission in the vector insect was highly efficient in higher temperature; stable infection (60 – 80%) was reached over 9hrs after acquisition at 20 oC in comparison to over 72hrs after infection at 15 oC. It is suggested that rapid development of the viruliferous and transmission time after overwintered are main factors of RSV outbreak in Korea. As a result of in situ hybridization, a specific binding protein with RSV was expected in hemolymph of the vector insect, L. striatellus, because RSV were observed as aggregated forms in hemolymph isolated from hemocytes. Chapronin proteins interacting with virus in the vector insect, that is forming a virus-protein complex, were reported in Myzus persicae and Bemisia tabaci. The chapronin GroEL proteins of the vector insects were produced by their bacterial symbionts. Thus, it was investigated if the GroEL of Wolbachia, the bacterial symbiont of SBPH, binds with RSV. In order to verify this hypothesis, groEL gene (1.65kb) was isolated and the expression of recombinant GroEL protein (61.8kDa, rGroEL) from an expression vector was induced, then a polyclonal antibody was constructed with the protein. Binding responses between RSV and the rGroEL protein was examined using immuno-Capture (IC) RT-PCR method. The optimal condition of IC-RT-PCR is as follows; 10㎍ mL-1 of rGroEL, 1.25 ~ 5 mg mL-1 of plant sap of RSV-infected rice plant, and >1 of the viruliferous insect. In order to investigate whether the binding response is RSV specific, other two rice viruses were tested; Rice Black Streaked Dwarf Virus (Reoviridae, RBSDV) and Rice Dwarf Virus (Reoviridae, RDV). The two different rice viruses were not detected in this condition. It may be caused by specific binding characteristics of the Wolbachia GroEL of SBPH with filamentous virion type virus like RSV, which is different from other GroEL proteins of B. tabaci binding globular viruses such as Cucumovirus or Begomovirus. In addition, homology of groEL Open Reading Frame (ORF) between L. striatellus and the other species, M. persicae and B. tabaci, were less than 55%. Some individuals in SBPH population were infected with Wolbachia which is transmitted to the next generation through infection of eggs in the insect. Phylogenetic analysis of Wolbachia groEL sequences was conducted. As a result, Wolbachia of SBPH in Korea showed 99.7% of homology with Japanese isolates from SBPH. A binding site of RSV with the Wolbachia GroEL, RNA 1 segment, i.e. RNA dependent RNA polymerase (RdRp), was homologous to the read-through domain (RTD) sequences of viral coat proteins binding to GroEL proteins from B. tabaci and M. persicae. Using the information and rGroEL protein from SBPH, a commercial kit was developed for accurate and rapid IC-RT-PCR diagnosis of RSV. Since Wolbachia GroEL of SBPH showed binding response to RSV specifically, it was expected an interrelationship between RSV, Wolbachia and the vector insect. Thus, if then, the triple relationship might be used as a biomarker for RSV epidemiology or population dynamics of SBPH as well as diagnostic tool for RSV infection. Using the kit and Wolbachia wsp gene, it was found that there was a significantly positive correlation between Wolbachia infection rate and RSV viruliferous rate in the field populations of SBPH overwintered in western and middle regions of Korea. Over 10 individual genomic DNAs were purified from each population and their Wolbachia infections were detected. The infection rates of Wolbachia were different in regional populations from 0 to 100 %, and the RSV-viruliferous rates also varied from 0 to 60 %. However, Wolbachia infection rate of a regional SBPH population was not fluctuated by generation. Therefore, it was suggested that Wolbachia infection rate of regional SBPH population is a biological key parameter which represents their internal traits, especially susceptibility to RSV and fitness of the vector insect population. In addition, Wolbachia infection rate limited RSV viruliferous rate in the population. Regression equations were fitted from data sets between Wolbachia and RSV viruliferous rates, population densities, and RSV disease rates in rice paddy fields. However, the Wolbachia infection rate and RSV viruliferous rate of the overwintered SBPH were the only paths to calculate statistically significant estimates of the regional RSV disease rate of rice plant. This study suggested an improved method on RSV disease monitoring in rice paddy field. Therefore, the Wolbachia-based forecasting model of RSV disease was developed with field data sets and Wolbachia infection rates as biomarker for early warning of RSV outbreaks from various regions in Korea.

Monitoring of inorganic arsenic and in vitro digestion/Caco-2 cell model in assessing the bioaccessibility/bioavailability of arsenic from cooked rice

이슬기 고려대학교 대학원 2017 국내석사

Rice can be the major contributor to exposure of inorganic arsenic (iAs). A total of 485 domestic rice (white rice, n = 368; brown rice, n = 117) samples produced in 2014 were determined for total arsenic (tAs) and As species. The determination of As species was conducted by sonication extraction followed by ICP-MS combined with HPLC. AsIII was the major detected species. AsV, dimethylarsinate (DMA) and monomethylarsonate (MMA) were occurred in lower level in both types of rice. In white rice, iAs represented 43 to 91% of tAs: tAs = 0.088 ± 0.021 mg/kg; iAs = 0.060 ± 0.013 mg/kg. In brown rice (n = 117), the percentage of tAs represented by iAs ranged from 55% to 91%; tAs = 0.160 ± 0.042 mg/kg, iAs = 0.114 ± 0.029 mg/kg. The level of iAs of white rice samples was below the current maximum limit of the Chinese and German standard. Also, brown rice samples did not exceed the standard for iAs. Average dietary exposure to iAs from white rice consumption was calculated as 0.17 ± 0.21 μg/kg·bw/day which was 8.09% level of Provisional Tolerable Weekly Intake. The result obtained in the present study provide a reference data of iAs in Korean rice for the establishment of safety standards. Rice is one of the major inorganic arsenic contributors which can easily accumulate arsenic from the irrigation water and soil. Using an in vitro digestion/Caco-2 cell model, the bioaccessibility and bioavailability of Arsenic (As) in cooked white and brown rice were studied. Inorganic arsenic (iAs), especially AsIII, was predominant species in cooked rice and bioaccessible fractions. In gastrointestinal fractions, unknown As species (probably arsenosugars) were detected. The percentage of total As bioaccessibility in white rice (75%) was slightly higher (p= 0.061) than brown rice (66%). However, there was no difference in iAs bioaccessibility between white rice (95%) and brown rice (96%). In Caco-2 cell monolayer, arsenic retention, transport, and uptake (sum of retention and transport) was determined between 7-31 and 4-25 and 16-38%, respectively. Arsenic bioavailabilities in cooked white and brown rice were 31% and 21%, respectively. The results indicated that the bioavailability of As can be affected by nutritional components including minerals and vitamins. The in vitro digestion/Caco-2 cell model can provide a more accurate risk assessment of Arsenic in rice.

Rice Agricultural Intensification and Sociopolitical Development in the Bronze Age, Central Western Korean Peninsula

김범철 University of Pittsburgh 2005 해외박사

본 연구는 한반도 중서부지역 청동기시대 중기의 도작집약화와 궤를 같이하는 이 지역 政治經濟(political economy)의 발전과정을 이해하고자 한다. 이 지역 청동기시대 중기는 '송국리유형' 유물조합이라는 새로운 고고학적 문화의 등장뿐만 아니라, 복합화된 사회조직의 등장, 벼농사의 집약화라는 사회경제적 변화도 내포하고 있다. 선사시대 복합사회들이 세계 각지에서 독립적으로 발생했음에도 불구하고, 발전과정에서 사회복합화의 진척과 농업생산의 집약화가 밀접한 관련성을 보이고 있다는 사실은 더 이상 새로운 것이 아니며, 그간 양자의 관계를 주제로 한 고고학자들 간의 논쟁은 다소 과열되는 듯한 인상마저 줄 정도이다. 그럼에도 불구하고 현재 우리가 가지고 있는 정보는 실제로 복합사회의 발생과 농업생산의 집약화가 어떠한 방식으로 연관되는지를 설명하기에 충분치 않다. 그러한 현상은 첫째, 기존의 연구들이 '首長社會 (chiefdom)'의 다소 발전된 형태를 대상으로 하였던 바, 가장 초기적인 단계의 복합사회에서 두 가지 변수의 상관관계를 고찰하기에는 다소 한계가 있다. 둘째, 기존의 연구들이 양자의 관계가 어떻게 성립?작동하는지 보다는 집약화된 농업체계가 어느 정도의 복합도 가진 사회조직에서 이루어졌는지에 주목했기 때문에 양자의 역동적인 관계를 설명하는데 한계가 있었다. 더구나, 그러한 연구들조차 주로 고대 근동지역이나 선사시대 중남미 사회를 중심으로 하였던 바, 사실 동아시아의 양상을 설명하는 데에는 부족함이 있다. 이러한 상황에서, 한반도 중서부지역에서 도작농경을 집약화하며 성장했던 초기복합사회로서 청동기시대 중기 사회를 다양한 차원 및 종류의 고고학적 정보에 근거하여 복원?설명하려는 시도는 나름의 의미가 있다고 하겠다. 본 연구는 한반도 중서부지역에서 광역적 정치체, 소규모 단위공동체, 개별 가구 등 차원을 달리하는 각 사회구성단위들이 농업생산을 집약화하는 과정에서, 어떠한 상호관련을 통해, 우리가 현재 고고학적으로 복원할 수 있는 사회정치적 조직을 형성해 가는지에 초점을 맞추고 있다. 이러한 목적을 달성하는 데에 이용되는 정보들은 크게 세 방향의 분석을 통해 획득되었다: 1) 광역적인 지표조사와 개별유적의 발굴에서 획득된 자료에 근거하여 청동기시대 중기의 취락체계를 복원, 2) 복원된 위계적 취락체계와 水稻의 생산 및 분배와 관련된 세 가지 요소(논토양 분포, 협업적 수자원 관리의 필요성, 고대교통로상 주요 결절지에의 접근성)의 단위공동체 간 차이의 공간적 상관관계에 대한 분석, 3) 개별 공동체 내에서 보이는 개별 家口들 간의 富/身分의 차이 및 그 분포양상 (단절적 혹은 연속적 등)에 대한 분석. 지역적 취락체계 복원을 통해 본 연구는 금강 중?하류유역 (서천군 일부, 부여군, 논산시) 에서 50개의 단위공동체와 이들을 포괄하는 3개의 지역적 정치체를 상정하였다. 각 정치체는 서로 다른 조직구성과 환경적 배경을 반영하고 있다. 금강 중류에 위치하는 두 정치체는 유사하게 잘 통합된 중앙집중적 조직을 유지 하지만 금강하류 및 해안의 정치체는 다소 독립적이고 경쟁적이었을 소규모 거점들을 중심으로 3개의 하위정치체를 포괄하고 있어 중앙집중도가 다소 떨어진다. 논토양의 분포는 단위 공동체별, 또한 정치체별로 상당한 차이를 보이는 것으로 나타났다. 특히, 홍수조절, 배수, 그리고 용수원 확보 등과 관련된 협업적 수자원관리 그다지 절실하지 않았던 것으로 나타났다. 공동체 내 부는 현저하게 편중적으로 소수의 elite 가구에 집중되며, 따라서 그 분포상은 또한 매우 단절적인 것으로 나타났다. 전급한 모든 종류의 정보는 한국 중서부지역 청동기시대 중기 사회에서 집약적 농업이 어떠한 방식으로, 어떤 주체에 의해 시작?운용되었는지 알아보기 위해 이용되었다. 본고에서 이러한 작업은 그 양단이 집약적 농업체제의 운용과 관련된 두 가지 전략 혹은 체제 - 下達型(top-down)과 自發型(bottom-up) -로 이루어지는 연속선상의 어디에 당시 사회를 자리매기는 작업으로 한정되었다. 사실, 지역적 취락분포유형에 근거하여 집약적 농업기술의 운용과 사회조직의 복합도의 관계를 설명하려는 최근의 논의들은 상당한 의견 차이를 보이지만 그 주된 줄기는 앞서 말한 연속선상에 대상사회를 위치 짓는 일에 집중하고 있다. 극단적 하달형체제에서는 대규모 노동력 투여의 필요성 및 그 효과적인 운용을 위한 중앙집권적 사회정치조직이 주목되는 반면, 극단적 자발형체계 내에서는 개별 가구 및 소규모 친족집단에 의한 자발적 소규모 집약화가 강조된다고 하겠다. 이러한 두 체제의 대비적인 특징은 각체제의 地域首長이 기반한 전략이 상이하다는 사실에 큰 영향을 받는다. 그것은 수도작 집약화의 가장 큰 수혜자는, 새로이 등장한 수장이기 때문이다. 사실, 대규모 취락에 기반하여, 집약화를 통한 잉여의 생산은 자연상태의 농민경제에서는 그다지 선호되지 않는 반면, 정치경제를 지향하는 수장층에게는 노동통제나 권력의 경제적 기반 확충을 위해 매우 유리한 것들이다. 결국, 하달형 전략에 기반한 수장이 직접적인 관리과 독려를 통해, 생산성을 제고 하는 반면, 자발형 전략의 수장은 직접적인 관리보다는 생산자 농가의 참여를 유도한 뒤, 조세의 수집에 초점을 맞춘다. 상위의 대규모 공동체일수록 주변에 수도생산성이 높은 토양이 풍부하게 분포하고, 협업적 수자원관리에 대한 필요성이 더욱 강조되고, 공동체 내부에서 부의 편중현상이 확연한 것 등이 하달형체제를 반영하는 고고학적인 증거들이라면, 상위의 공동체가 토지의 생산성보다는 잉여의 수집에 유리한 고대교통로상의 주요결절지를 선호하는 경향이 두드러지고, 협업적인 수자원관리가 그다지 절실하지 않으며, 공동체내의 부는 가장 부유한 쪽에서부터 가장 가난한 쪽까지 다소 연속적으로 분포하는 현상이 자발형체제의 전형적인 고고학적 증거들이라 할 것이다. 분석과 복원의 결과, 필자는 한반도 중서부지역 도작집약화는 앞서 제시한 두 체제의 조합 혹은 전략의 혼합으로 결론지었다. 하지만 앞서 설정한 세 정치체가 모두 동일한 양상으로 연속선상의 중간쯤에 位置한다기보다는 개개가 相異하게 두 가지 전략을 혼용하고 있는 것으로 드러났다. 특히, 자연환경뿐만 아니라, 사회조직의 통합성에서도 상당한 유사성을 보임에도 불구하고, 내륙의 두 정치체는 상당한 정도의 대비적 양상을 보여주고 있는 점은 매우 흥미롭다. 이러한 현상은 전급한 연속선상의 특정지점에 對象社會를 자리매김하는 단순한 복원(reconstruction)을 넘어 이러한 차이를 발생하게 했던 전략적 행위들에 대한 심도있는 탐구해야 할 필요성을 시사하는 것이다. 즉, 정치체 별로 개별 공동체, 특히 중심공동체들의 지향과 역할이 서로 달랐다는 점이며, 그러한 것들을 관철시켜가는 수장들의 전략적 행위에 관심을 기우려야 한다. 국가단계 조직과 같은 강제적 지배력이 미약한 초기 수장사회에서 이러한 전략적 행위는 사회복합도의 증대를 역동적으로 설명할 수 있는 중요한 요소이다. 과연, 하달형 전략이 상대적으로 중요하게 작용했던 중심지들에서는 어떠한 전략적 행위들이 있었을까? 필자가 상정하는 중요한 일예는 향연이다. 특히, 하달형 체제의 요소가 상대적으로 비중 높게 나타나는, 내륙 정치체의 최상위 중심지에서는, 상대적으로 높은 비율의 홍도가 출토되고 있어서, 생산자들의 노동을 위로하기 위한 향연이 빈번하게 이루어졌음을 시사하고 있다. This research attempts to understand the characteristics of the regional and local political economy utilizing intensive form of rice agricultural technology during the Middle Bronze Age (800-400 BCE), central western Korean Peninsula, focusing on how social components (e.g. regional polities, local communities and households), in the context of emergent complexity, were related to each other in shaping a specific sociopolitical organization that utilized improved technology for primary agricultural production. Relevant information has been generated by reconstructing MBA regional settlement patterns based on surface survey and excavation data, analyzing the spatial correlation between regional settlement hierarchy and differences in abundance of rice soils, necessity of cooperative water management, and easy accessibility to important junction of ancient transportation routes, and investigating household wealths variability. All the information is used to place MBA society somewhere in the sociopolitical continuum two ends of which correspond to the extreme top-down and bottom up systems, respectably. The top-down models assume that suprahousehold-level organization and management of labor-pooling to utilize intensive agricultural technology, while bottom-up ones emphasize the individual households’ and/or small kin-based groups’ role in initiation and maintenance of the intensive agricultural system. I conclude that there was a mixture of two strategies, top-down and bottom-up in MBA rice-agricultural intensification, rather than insuring consistently either of them. Individual polities constituted of communities differently indicate compatibility with either system sometimes in a substantially different manner. Even between polities located on quite similar environmental settings, quite noticeable differences in production and distribution of wet rice. In this light, beyond simple positioning in the continuum on the basis of reconstructing at the differing levels of social organization, this study makes such a reconstruction more dynamic by emphasizing the possible strategies pursued by different social actors, especially elite who are likely to get more benefits from the intensive agricultural system. A possible strategic activity subjected by elite is feasting. The rigorous participation of commoner households in the intensive production of wet rice is observed at some centers representing stronger compatibility with top-down system than any others, and it maight have been encouraged and compensated by the activities.

Polishing and washing effects on the changes of nutritional components and arsenic content in rice

김지현 중앙대학교 대학원 2016 국내석사

이 연구는 쌀의 도정과 세척효과에 따라 쌀 중에 존재하는 비소를 저감화 하는 동시에 영양성분의 손실은 최소화 할 수 있는 방법을 찾고자 수행하였다. 쌀은 경기도에서 재배된 현미, 5분도미, 7분도미 그리고 백미를 구매하였다. 쌀 세척방법에 있어서는 각각의 쌀을 3회 5회 10회 15회 휘저었고 이를 2회 3회 4회 반복하여 헹구어 내었다. 불리기 단계에서는 물의 양을 쌀 중량대비 1:1.5, 1:3, 1:6으로 하여 10분 30분 60분 불렸다. 밥짓기 단계에서는 물의 양을 쌀 중량 대비 1:1.5로 고정한 후 압력밥솥을 이용하여 15분간 밥을 지었다. 비소는 ICP-MS를 이용하여 분석하였고 thiamin과 niacin은 HPLC-UV 디텍터를 이용하여 동시분석을 진행하였다. 식이섬유는 효소 중량법을 이용하여 식품공전의 방법을 따라 진행하였다. 도정도가 증가될수록 비소 및 비타민, 식이섬유의 함량은 감소하였고 쌀 세척 효과에서는 세척횟수와 불리기 시간이 길수록 비소가 줄어들었다. 현미는 3번 휘저어 4번 헹구어 낸 후 물 중량을 1:6으로 하여 60분간 불렸다. 5분도미와 7분도미는 3번 휘저어 3번 헹구어 낸 후 물 중량을 1:6으로 하여 30분간 불렸다. 백미는 3번 휘저어 3번 헹구어 낸 후 물 중량을 1:1.5로 하여 10분간 불렸다. 고정된 값으로 밥을 지었을 때 현미에서의 비소함량은 35.6% 감소하였고 5분도미는 41.4%, 7분도미는 40.2%, 백미는 50.0% 감소되었다. Thiamin과 Niacin 역시 세척횟수와 불리기 시간이 길수록 줄어드는 경향을 보였으며 고정된 값으로 밥을 지었을 경우 대부분 40% 이상 손실이 됨을 확인하였다. 총식이섬유는 도정도가 증가할수록 그 함량이 감소되었으며 세척방법에 의한 손실보다는 도정에 의한 총식이섬유의 함량 손실이 더 큰 것으로 확인하였다 The object of this study was to evaluate the total arsenic, thiamin, niacin and total dietary fiber in rice subjected to different polishing degrees and washing as well as to find out appropriate degree of polishing and washing methods with reducing arsenic and preserving nutrients. Brown rice, DP (degree of polishing) 4 % rice, DP 5.6 % rice, and white rice cultivated from Gyeong-gi province, Korea were selected for this study. The rice was stirred 3 times, 5 times, 10 times and 15 times. Each step was repeated 2 times, 3 times, 4 times. In the soaking step, the rice was washed with the above washing step for different rice to water ratio (1:1.5, 1:3 and 1:6) and soaking time(10 min, 30 min and 60 min). In the cooking step, the best conditions between washing and soaking step were chosen. Water volume was fixed to 1.5 times of rice weight. The water was added to brown rice, DP 4 % rice, DP 5.6 % rice, and white rice. Rice was cooked with rice cooker for 15 min. Total arsenic was analyzed by ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer) and thiamin and niacin were analyzed by HPLC (High Performance Liquid Chromatography)-UV detector. Total dietary fiber was analyzed by using the Korea food code method. As the degree of polishing was increased, total arsenic and nutrients concentrations of rice were decreased. In the washing effect, number of washing and soaking time increased, arsenic content decreased. In the cooking step, brown rice was stirred 3 times and rinsed 4 times. It was soaked for 60 min in water (1:6 rice:water). DP 4 % rice and DP 5.6 % rice were stirred 3 times and rinsed 3 times. Next, it was soaked for 30 min in water (1:6 rice:water). White rice was stirred 3 times and rinsed 3 times. And it soaked for 10 min in water (1:1.5 rice:water). All cooking step was conducted with 1.5 times water to rice. The reduction ratio of arsenic was 35.6 % in brown rice, 41.4 % in DP 4 % rice, 40.2 % in DP 5.6 % rice, and 50.0 % in white rice. There is a decreasing tendency of vitamins when the number of washing and soaking time were increased, and over 40% of vitamins were removed by the cooking step. In total dietary fiber, as degree of polishing was increased, it was decreased. And loss of total dietary fiber using the polishing step was higher than that of the washing step.