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고구마 유전체 연구현황 및 전망 (Current status of sweetpotato genomics research)

  • 윤웅한;정재철;곽상수;양정욱;김태호;이형운;남상식;한장호
    • Journal of Plant Biotechnology
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    • 제42권3호
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    • pp.161-167
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    • 2015
  • 고구마는 척박한 환경에서도 생육이 가능한 세계 7대 농작물로 식량뿐만 아니라 사료용, 전분 등의 산업용으로도 중요하다. 최근 고구마는 항산화물질, 식이섬유질 등을 고함유하는 건강식품으로 각광을 받고 있다. 그러나 고구마 유전체 해독에 관한 연구는 고구마의 중요도에 비해 많이 이루어지지 않고 있다. 본 총설의 목적은 고구마 유전체 연구 동향분석을 통하여 유전체 해독 연구의 효율성 증대 및 유용형질 유전자의 실용화 연구를 위한 기반구축을 모색하는데 있다. 최근 NGS 분석을 통한 동식물 유전체해독이 급진적으로 많이 이루어지고 있다. 고구마 유전체 해독의 경우는 다배수성 문제와 이질유전체 문제로 유전체 완전해독 연구가 이루어지지 않고 있으며 반면 전사체 분석 연구는 활발히 이루어지고 있는 실정이다. 최근 2015년 일본 연구자들에 의해 2배체 고구마의 유전체 해독 초안이 보고되었다. 한중일 고구마 연구협의회(Trilateral Research Association of Sweetpotato, TRAS)에 의해 6배체 고구마 Xushu 18의 유전자지도 작성 및 유전체 해독 연구가 2014년부터 이루어지고 있다. 빌게이츠재단(Bill & Melinda Gates Foundation)은 사하라사막 남쪽 아프리카지역의 기근과 영양문제를 해결하기 위해 고구마 유전체 기반 분자육종을 위한 분자도구 개발에 관한 프로젝트를 미국을 중심으로 한 컨소시엄을 구성하여 출범하였다. 고구마 유전체 해독과정 중에 분석된 고구마 엽록체 유전체 분석을 통하여 진화학적 해석연구가 이루어지고 있다. 본 총설을 통하여 고구마 유전체 해독 연구동향을 살펴보았다. 이러한 연구 동향 분석은 고구마의 생산성 및 기능성 향상 등의 실용화 연구를 수행하는 연구자들에게 최근의 연구현황을 제공할 수 있을 것이며 세계적인 식량, 에너지, 환경문제의 해결에 크게 기여 할 것으로 생각된다.

재배양식(栽培樣式)에 따른 수종(數種) 제초제(除草劑)에 대한 벼와 피의 해부형태적(解剖形態的) 반응차이(反應差異) - I. Pyrazolate에 대한 반응차이(反應差異) (Morphological and Anatomical Response of Rice and Barnyardgrass to Herbicides under Various Cropping Patterns - I. Response to Pyrazolate)

  • 천상욱;구자옥;국룡인
    • 한국잡초학회지
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    • 제15권1호
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    • pp.30-38
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    • 1995
  • 재배양식별(栽培樣式別)로 발생전토양표면처리(發生前土壤表面處理)된 pyrazolate는 처리후(處理後) 10일째 피에서는 건답조건(乾畓條件)의 경우 twist현상(現像)이, 담수조건(湛水條件)에서는 백화현상(白化現像)이 현저하게 나타났다. 처리후(處理後) 20일째 표면직파(表面直播) 벼의 초장(草長) 및 근장(根長)은 무처리(無處理)와 유사하였으나, 토중(土中) 직파(直播)벼는 근장(根長)보다 초장(草長)이 더 억제(抑制)되었으며 피는 벼보다 심하게 억제(抑制)되었다. 담수조건(湛水條件)에서는 건답조건(乾畓條件)보다 더 심한 억제경향(抑制傾向)을 보였으나 벼와 피간의 뚜렷한 차이(差異)는 인정(認定)되지 않았다. 한편 이앙(移秧)벼의 초장(草長)과 근장(根長)은 무처리(無處理)에 비해 증가(增加)되는 생장(生長)을 보였다. 표면직파(表面直播)벼의 지상부(地上部) 및 지하부(地下部) 생체중(生體重)은 무처리(無處理)에 비해 오히려 증가(增加)되었고, 토중직파(土中直播)벼는 무처리(無處理)와 유사한 생장(生長)을 보였으나 피는 무처리(無處理)에 비해 각각 42% 및 41% 억제(抑制)되었다. 그러나 담수조건(湛水條件)의 표면직파(表面直播)벼에서는 지하부생장(地下部生長)이 치명적으로 억제(抑制)되었고 피는 완전히 생장(生長)이 억제(抑制)되었다. 이앙(移秧)벼는 무처리(無處理)와 유사한 생장(生長)을 보였다. 해부학적(解剖學的) 반응(反應)에 있어서 건답직파조건(乾畓直播條件)의 피에서만 엽록소(葉綠素) 파괴(破壞)에 의한 엽육조직(葉肉組織)의 위축(萎縮)과 엽초 및 엽시원체(葉始原體)의 위축(萎縮)으로 인한 두께감소가 관찰되었으나, 담수(湛水) 및 이앙조건(移秧條件)에서 벼와 피는 뚜렷한 해부학적(解剖學的) 변화(變化)는 관찰되지 않았다.

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녹색자엽 검정콩 품종 육성을 위한 Stay green 변이체 활용 (Introduction of Stay Green Mutant for the Development of Black Seed Coat and Green Cotyledon Soybean Variety)

  • 강성택;서민정;문중경;윤홍태;이영호;김시주;황영선;이석기;정명근
    • 한국작물학회지
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    • 제55권3호
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    • pp.187-194
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    • 2010
  • 고품질 녹색자엽 검정콩 신품종 육성 연구의 일환으로 녹색자엽의 유전자원별 녹색의 정도를 평가할 수 있는 엽록소 함량 및 조성과 이들의 유전양상을 검토하고, 유전적 배경을 달리한 녹색자엽 자원을 활용한 녹색자엽 검정콩의 선발 효율을 검토한 결과를 요약하면 아래와 같다. 1. 유전적 배경이 상이한 녹색자엽 자원을 검정콩 육종프로그램에 도입코자 실시한 특성조사 결과 핵유전 녹색자엽 유전자 d1d2를 보유한 자원은 세포질 유전 녹색자엽 유전자 cytG를 보유한 자원보다 총 엽록소의 함량이 매우 높은 경향이었고, 조성에서는 d1d2 보유 자원은 엽록소 a의 함량이 엽록소 b보다 2배 이상 높고, cytG 보유 유전자원은 엽록소 b의 함량이 엽록소 a 함량 보다 높은 경향이었다. 2. 핵유전 녹색자엽 유전자(d1d2)는 당대의 종실에서 발현되어 $F_1$ 세대의 $F_2$ 종실에서부터 선발이 가능하며, 2개의 열성유전자에 지배를 받는다. 3. 녹색 종피의 핵유전 녹색자엽(d1d2)과 황색자엽 검정콩(D1D2)의 교배후대에서 검정색 종피에 녹색자엽 종자를 가진 개체는 모본의 유전적 배경에 따라 조금은 다르지만 $F_2$ 전체 개체 중 3% 미만의 낮은 비율로 나타나, 향후 핵유전 녹색자엽 검정콩 신품종 육성효율 증진을 위해서는 핵유전 녹색자엽 검정콩 중간모본 개발과 선발방법 개선이 필요할 것으로 판단된다.

종자내 아미노산 합성 조절 유전자에 관한 연구 (Amino Acid Biosynthesis and Gene Regulation in Seed)

  • 임용표;서미정;조수진;이정희;이효연
    • 한국식물학회:학술대회논문집
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    • 한국식물학회 1996년도 제10회 식물생명공학심포지움 고등식물 발생생물학의 최근 진보
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    • pp.61-74
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    • 1996
  • Human and monogastric animals can not synthesize 10 out of the 20 amino asids and therefor need to obtain these from their diet. The plant seed is a major source of dietary protein. It is particular important in their study to increase nutritional quality of the seed storage proteins. The low contents of lysine, asparagine and threonenein various cereal seeds and of cystein and methionine. In legume seeds is due to the low proportions of these amino acids in the major storage proteins, we have tried to apply the three strategies; (1) mutagenesis and selection of specific amino acid analogue resistance, (2) cloning and expression study of lysine biosynthesis related gene, (3) transfomation of lysine rich soybean glycinin gene. The 5-methyltryptophan (5MT) resistant cell lines, SAR1, SAR2 and SAR3 were selected from anther derived callus of rice (Oryza sativa L. "Sasanishiki"). Among these selected cell lines, two (SAR1 and SAR3) were able to grow stably at 200 mg/L of 5MT. Analysis of the freed amino acids in callus shows that 5MT resistant cells (SAR3) accumulated free tryptophan at least up to 50 times higher than those that of the higher than of SAS. These results indicated that the 5MT resistant cell lines are useful in studies of amino acid biosynthesis. Tr75, a rice (Oryza sativa L., var. Sasanishiki) mutant resistant to 5MT was segregated from the progenies of its initial mutant line, TR1. The 5MT resistant of TR75 was inherited in the M8 generations as a single dominant nuclear gene. The content of free amino acids in the TR75 homozygous seeds increased approximately 1.5 to 2.0 fold compared to wild-type seeds. Especially, the contents of tryptophan, phenylalanine and aspartic acid were 5.0, 5.3 and 2.7 times higher than those of wild-type seeds, respectively. The content of lysine is significantly low in rice. The lysine is synthesized by a complex pathway that is predominantly regulated by feedback inhibition of several enzymes including asparginase, aspatate kinase, dihydrodipicolinat synthase, etc. For understanding the regulation mechanism of lysine synthesis in rice, we try to clone the lysine biosynthetic metabolism related gene, DHPS and asparaginase, from rice. We have isolated a rice DHPS genomic clone which contains an ORF of 1044 nucleotides (347 amino acids, Mr. 38, 381 daltons), an intron of 587 nucleotides and 5'and 3'-flanking regions by screening of rice genomic DNA library. Deduced amino acid sequence of mature peptide domain of GDHPS clone is highly conserved in monocot and dicot plants whereas that of transit peptide domain is extremely different depending on plant specie. Southern blot analysis indicated that GDHPS is located two copy gene in rice genome. The transcripts of a rice GDHPS were expressed in leaves and roots but not detected in callus tissues. The transcription level of GDHPS is much higher in leaves indicating enormous chloroplast development than roots. Genomic DNA clones for asparaginase genes were screened from the rice genomic library by using plaque hybridization technique. Twelve different genomic clones were isolated from first and second screening, and 8 of 12 clones were analyzed by restriction patterns and identified by Southern Blotting, Restriction enzyme digestion patterns and Southern blot analysis of 8 clones show the different pattern for asparaginase gene. Genomic Southern blot analysis from rice were done. It is estimated that rice has at least 2-3 copy of asparaginase gene. One of 8 positive clones was subcloned into the pBluescript SK(+) vector, and was constructed the physical map. For transformation of lysine rich storage protein into tobacco, soybean glycinin genes are transformed into tobacco. To examine whether glycinin could be stably accumulated in endosperm tissue, the glycinin cDNA was transcriptionally fused to an endosperm-specific promotor of the rice storage protein glutelin gene and then introduced into tobacco genomic via Agrobacterium-mediated transformation. Consequently the glycinin gene was expressed in a seed-and developmentally-specific manner in transgenic tobacco seeds. Glycinin were targeted to vacuole-derived protein bodies in the endosperm tissue and highly accumulated in the matrix region of many transgenic plant (1-4% of total seed proteins). Synthesized glycinin was processed into mature form, and assembled into a hexamer in a similar manner as the glycinin in soybean seed. Modified glycinin, in which 4 contiguous methionine residues were inserted at the variable regions corresponding to the C - teminal regions of the acidic and basic polypeptides, were also found to be accumulated similarly as in the normal glycinin. There was no apparent difference in the expression level, processing and targeting to protein bodies, or accumulation level between normal and modified glycinin. glycinin.

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한국산 도둑놈의갈고리족(콩과)의 DNA 바코드 및 계통학적 연구 (DNA barcode and phylogenetic study of the tribe Desmodieae (Fabaceae) in Korea)

  • 진동필;박종원;박종수;최병희
    • 식물분류학회지
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    • 제49권3호
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    • pp.224-239
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    • 2019
  • 본 연구에서는 DNA 바코드, 즉 엽록체 DNA의 rbcL, matK와 핵 리보솜 DNA의 ITS 염기서열을 이용하여 한국산 도둑놈의갈고리족 식물들의 종 식별을 실시하였다. 총 5개속 25분류군(총 75개체)의 식물에 대한 염기서열이 밝혀졌고, DNA 바코드 구간 조합에 따라 neighbor-joining 계통수들이 작성되었다. 그 결과, 종 식별률은 DNA 바코드 3개의 구간을 모두 사용하였을 때 가장 높게 나타났다(72%). rbcL+matK+ITS 계통수에서 본 족의 두 개의 아족과 다섯 속들은 단계통군으로 유집되었다. 도둑놈의갈고리아족군에서 도둑놈의 갈고리속과 갈고리속이 된장풀속보다 더 가깝게 묶였다. 갈고리속군에서 큰도둑놈의갈고리는 개도둑놈의갈고리 복합체의 자매군으로 형성되었고, 개도둑놈의갈고리의 종내분류군들은 각각 단계통을 형성하였다. 특히 형태적 변이로 인해 도둑놈의갈고리의 변종 또는 개도둑놈의갈고리와의 중간형으로 인식된 바 있는 긴도둑놈의갈고리는 개도둑놈의갈고리와 가장 가깝게 묶였다. 한편 도둑놈의갈고리의 변종이나 이명으로 인식되어온 애기도둑놈의갈고리는 변종으로 판단되었다. 싸리아족군의 경우, 매듭풀속 분류군들은 계통수상에서 각각 단계통으로 지지되었으나, 싸리속의 식물 16분류군 중 9분류군만 종식별이 가능하였다. 특히 싸리속내 땅비수리절보다 싸리절에서 낮은 종판별 해상능이 나타났다(싸리절=28.5%, 비수리절=77.8%). 싸리속 식물 중에 비수리는 계통수상에서 형태적으로 유사한 자주비수리와 확연히 구분되었다. 잡종으로도 인식된 바 있는 해변싸리와 청비수리 중, 해변싸리는 독립종으로 판단되었다. 반면 청비수리는 잡종 여부를 판단할 수는 없었지만, 땅비수리와 근연 관계에 있는 것으로 사료된다.

Delta 15 desaturase 유전자 억제에 의해 알파리놀렌산 함량이 낮은 들깨 육성 (Development of Perilla frutescens with Low Levels of Alpha-Linolenic Acid by Inhibition of a delta 15 desaturase Gene)

  • 김경환;이경렬;김정봉;이명희;이은경;김년희;이홍석;김송림;백정호;최인찬;지현소
    • 한국육종학회지
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    • 제50권4호
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    • pp.463-471
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    • 2018
  • 들깨는 우리나라에서 재배되어온 대표적인 유지작물로 지질의 함량 중 알파리놀렌산의 함량이 60% 전후로 불포화도가 높아서 산패가 쉽게 일어나는 문제가 있다. 알파리놀렌산은 소포체 유래의 ${\Delta}15$ desaturase (FAD3)와 엽록체 유래의 ${\Delta}15$ desaturase (FAD7)에 의해서 합성된다. 엽록체 유래의 FAD7 유전자 발현의 손상없이 종자의 알파리놀렌산 함량을 낮추기 위해 소포체 유래 FAD3 유전자를 RNAi기법을 이용하여 발현을 억제하였다. 재배종인 엽실들깨의 배축을 이용하여 아그로박테리움 매개 형질전환법으로 제초제(바스타) 저항성을 가진 형질전환체 17개체를 획득하였다. 형질전환체는 0.3% (v/v) 바스타제초제를 이용하여 선발하였으며 Northern blot으로 FAD3 유전자의 발현이 억제되는 것을 확인하였다. 온실에서 수확한 12개체 종자 지방산 함량을 분석한 결과 알파리놀렌산 함량이 10-20% 2개체, 30-40% 7개체, 대조구와 비슷한 60%대 3개체를 획득하였다. 형질전환체의 $T_2$ 종자의 분리비와 지방산 조성을 분석한 결과 동형접합체 계통에서 6-10% 알파리놀렌산 함량을 보였으며 이형접합계통은 20-26% 알파리놀렌산 함량을 나타내어 동형으로 고정시 FAD3 유전자 발현이 상당히 강력히 억제됨을 확인할 수 있었다. 들기름의 지방산 중 알파리놀렌산 함량의 감소는 들깨의 산패를 방지하고 감마리놀렌산 등의 고가의 건강기능성 지방산 생산에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

밭 작물(作物)의 가리(加里) 생리(生理) (Potassium Physiology of Upland Crops)

  • 박훈
    • 한국토양비료학회지
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    • 제10권3호
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    • pp.103-134
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    • 1977
  • 밭 작물에 대(對)한 칼리의 생리(生理) 및 생화학적(生化學的) 역할(役割)을 최근(最近) 연구결과(硏究結果)를 중심(中心)으로 검토(檢討)하였으며 우리나라 밭 작물(作物)의 가리영양(加里營養) 현황(現況)을 살펴봤다. 칼리이온의 물리화학적(物理化學的) 특성(特性)은 Na에 의(依)하여 완전(完全) 대체(代替) 불가능(不可能)함을 보이며 대부분(大部分)의 작물(作物)에서 Na의 K대체(代替)는 불가피(不可避)한 대체기능(代替機能)에 대(對)한 부분적(部分的) 대체(代替)에 불과(不過)한 것 같다. 칼리의 특이성(特異性)은 엽록체(葉綠體) thylacoid막(膜)과 같은 미세구조(微細構造)를 효율적(效率的) 구조(構造)로 유지(維持)하며 주(主)로 탄수화물(炭水化物)과 단백질(蛋白質) 대사(代謝)에 관계(關係)하는 제효소(諸酵素)들의 allosteric effector로, 효율적(效率的) conformation의 유지자(維持者)로 작용(作用)하는 것으로 보였다. 광인산화(光燐酸化) 반응(反應)과 산화적(酸化的) 인산반응(燐酸反應) 등(等) energy 대사(代謝)에 필수적(必須的) 존재(存在)로서 유기물(有機物)의 합성(合成)과 전류등(轉流等) 광범(廣範)한 energy 의존(依存) 생리작용(生理作用)에 관여(關與)하고 있다. 칼리는 삼투압(渗透壓) 및 교질(膠質)의 가수도(加水度)를 유지(維持)하여 수분흡수(水分吸收) 및 전류(轉流)의 동인(動因)으로 작용(作用)하여 생리작용(生理作用)의 최적환경(最適環境)을 만들며 수분효율(水分效率)을 높인다. 칼리는 무기양분(無機養分)의 흡수(吸收)와 체내분포(體內分布)에 영향(影響)을 주고 생산물의 품질향상(品質向上)에도 영향을 주며 생산품의 K함량자체(含量自體)가 인체(人體)에서의 K의 중요성(重要性)으로 품질평가(品質評價)의 기준(基準)이 될 것 같다. 칼리의 흡수(吸收)는 저온(低溫)에 의(依)해 크게 저해(沮害)받으며 내부(內部) 칼리 함량에 의(依)한 부(否)의 feedback기작(機作)이 있어서 칼리의 사치흡수는 재평가(再評價)되어야 할 것으로 보였다. 우리나라 토양(土壤)의 전가리(全加里)는 약(約) 3%이나 치환성(置換性)은 0.3me/100g으로 동해(凍害), 한해(寒害)와 불균일(不均一)한 강우(降雨)로 인(因)한 습해(濕害), 한해(旱害) 등(等)으로 모든 밭 작물(作物)에서 요구도(要求度)가 컸다. 대맥(大麥)은 결빙직전(結氷直前) 및 해빙(解氷) 직후(直後)의 K영양(營養)이 수량(收量)과 유의성(有意性) 상관(相關)을 보이며 곡실(穀實)로 많이 전류(轉流)되는 것이 좋았다. 대맥(大麥)의 가리이용률(加里利用率)은 27%, 대두(大豆)는 숙전(熟田)에서 58% 개간지(開墾地)에서 46%였다. 대두(大豆)는 야산(野山) 개발지(開發地)에서 특(特)히 가리(加里) 결핍증상(缺乏症狀)을 많이 보였으며 화아분화기(花芽分花期)에 엽(葉) 중(中) $K_2O$ 2% 이상(以上) K/(Ca+Mg) (함량비(含量比))비(比)는 1.0 이상(以上)이어야 할 것 같다. 고구마는 가리흡수력(加里吸收力)이 커서 후작(後作)의 K영양(營養)에 크게 영향(影響)을 주었다. 감자와 옥수수는 Ca와 Mg에 비(比)해 K가 특히 높았다. 가리결핍(加里缺乏) 고구마는 뿌리에서 K농도 차이가 가장 컸다. 당근, 가지, 배추, 고추, 무우, 도마도가 가리(加里) 함량(含量)이 많았으며 배추 수량(收量)은 가리(加里)와 정상관(正相關)이었다. 사료작물(飼料作物)의 가리(加里) 함량(含量)은 비교적(比較的) 높은 편이었으며 식물체(植物體) 중(中) N, P, Ca와 유의정상관(有意正相關)을 보였다. 과수원(果樹園)의 16~25%가 가리(加里) 부족(不足)으로 나타났으며 우량(優良) 사과밭과 배밭의 토양(土壤)과 엽(葉)은 가리(加里) 함량(含量)이 높았다. 뽕나무의 동해(凍害)에 의(依)한 가지 끝 고사방지(枯死防止)를 위(爲)한 엽(葉) 중(中) $K_2O/(CaO+MgO)$ 임계치(臨界値)는 0.95이었다. 밭 작물재배(作物栽培) 뒤의 토양(土壤) 중(中) 가리(加里)는 전작(前作)에 따라 증가(增加)되는 경우와 감소(減少)되는 경우가 있으며 가리(加里) 흡수(吸收)는 토양수분(土壤水分)에 존재(依存)하는 것 같다. 따라서 토양(土壤) 중(中)의 전가리(全加里)를 포함한 형태별(形態別) 가리(加里) 함량(含量)의 토질(土質), 기상(氣象), 작부체계(作付體系) 등(等) 제요인(諸要因)과 관련(關聯) 장기적(長期的)이고 정량적(定量的)인 조사(調査)가 필요(必要)하다. 가리(加里)의 추비(追肥), 심층시비(深層施肥) 또는 완용성(緩溶性) 비료(肥料)와 입상비료(粒狀肥料) 등(等)이 강우양상(降雨樣相)과 관련(關聯) 검토(檢討)됨으로써 K흡수(吸收) 및 효율(效率)을 증진(增進)시킬 수 있을 것 같다. 가리영양(加里營養)을 포함하여 밭 작물(作物)의 영양해석(營養解析)에는 다요인분석(多要因分析)에 의(依)한 합리적(合理的)이고 실용적(實用的)인 영양지표(營養指標)를 찾는데 경주(傾注)해야 할 것 같다.

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