1. 서 론

식물의 색은 외형적 특성 중에서도 중요한 생물학적 지표로, 색의 변화는 신체 보호와 수분 매개자와의 상호작용에 관여하는 것으로 알려져 있다 (Park et al. 2019). 환경 요인 (온도, 습도 등)에 의해 발현되는 색은 인공적인 색보다 더 다양하고 이는 식물의 생리적, 생화학적 반응과 밀접한 관련이 있다 (Han et al. 2006). 생리학적으로 식물 색소는 여러 화학 계열로 구분된다. 플라보노이드 계열의 케르세틴은 갈색, 카로티노이드 계열의 베타카로틴과 라이코펜은 각각 노랑, 오렌지색 및 붉은색을 나타내며, 포르피린 계열의 엽록소는 초록색을 생성한다 (Ortega- Regules et al. 2006;Chen et al. 2023). 특히 플라보노이드 계열의 안토시아닌은 다양한 색상을 발현하는 주요 색소로, 현재까지 540종 이상의 화합물이 색소 형성에 관여하는 것으로 보고되었다 (Wrolstad et al. 2005;Teppabut et al. 2018). 브라질 원산지인 Petunioideae에 속하는 Brunfelsia acuminata는 보라색 꽃을 피우며, 시간이 지남에 따라 흰색으로 변하는데, 이는 안토시아닌 합성을 조절하는 칼콘합성효소 (chalcone synthase) 유전자의 발현 감소로 인해 나타나는 현상이다 (Li et al. 2019;Zhao et al. 2024). 유사하게, 멕시코 나팔꽃인 Ipomoea tricolor는 개화 초기에는 붉은색을 띠다가 만개 시 세포 내부의 pH 변 화로 인해 색이 알칼리성 조건에서 파란색으로 변한다 (Yoshida et al. 2009).

반면 색소에 의해 발현되지 않고, 광결정 미세구조와 빛의 간섭 및 굴절에 의해 나타나는 구조색은 환경 변화에 영향을 받지 않고 보는 각도에 따라 색이 달라지는 특성을 가진다 (Seo et al. 2012;Im et al. 2014). 대표적인 구조색 발현 식물로는 다층 광자 구조로 인해 금속성 파란색을 보이는 Polia condensata의 열매와, 꽃잎 큐티클의 주름진 이중 층 구조로 진주색 광택을 나타내는 수박풀 (Hibiscus trionum)이 있다 (Vignolini et al. 2012;Airoldi et al. 2021). 이와 같이 식물은 색소 및 구조를 통해 다양한 색상을 발현할 수 있으며, 일부 식물은 외부 환경 변화에 따라 색상이 변화하기도 한다.

특히, 다육식물은 온도와 광도의 변화에 따라 잎의 색상이 원래보다 진해지거나 다양한 무늬를 형성하는 특성이 있다 (Lee and Kim 2009;Choi and Kim 2014). Echeveria spp. (블랙베어)는 빛과 온도가 증가하면 성장 속도가 증가하고 건조하고 서늘한 온도에서는 잎이 적색으로 발현된다. Adromischus maculatus (어소금)의 잎은 붉은 반점이 나타나며 햇빛에 노출 시간이 증가할수록 색이 더욱 진해진다 (Smith 1939;Rodgerson and Cocozza 1994;Erwin et al. 2017;Ma et al. 2019;Park et al. 2021). 본 연구에서는 광 환경에 따라 잎 색상 변화가 나타나는 다육식물 Echeveria spp.와 A. maculatus의 생리활성 물질의 변화상을 분석하였다. 이를 통해 색소 및 생리활성 물질이 환경 요인에 따라 식물 잎 색소 및 생리활성 물질의 연관성을 구명하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1. 다육식물의 환경조성 및 표면 변색 확인

본 연구에서는 색상 변화가 뚜렷한 다육식물 중 시중에서 쉽게 구할 수 있는 두 품종을 선정하였고 장항읍의 한 농원에서 블랙베어와 어소금을 7월경 구입하였다. 블랙베어 (Echeveria spp.)는 다양한 교잡종 중 어두운 붉은색을 띠는 특징을 가지며 어소금 (A. maculatus)은 연녹색 잎에 반점이 있고 평평한 하트 모양의 잎을 가진 품종으로 선택 하였다 (Fig. 1). 잎 색의 변화를 관찰하기 위해 온도와 일조량에 따라 두 가지 환경 조건을 설정하였다. 대조군은 변색이 발생하지 않는 실험실 내부 (평균 20°C)에 배치하였고, 처리군은 변색이 유도될 수 있는 일조량이 강한 실외 (평균 30°C)에 약 3주간 배치하였다. 한낮 기온이 30°C 를 초과하는 날에는 잎의 화상을 방지하기 위해 실내 (평균 24°C)에서 관찰하였다 (Choi et al. 2021). 실험 초기에는 다육식물이 색 변화를 최소화할 수 있도록 낮은 온도와 그늘에 배치하여 원래 색상을 최대한 보호하였다. 관수는 1주일에 1회로 하였고 온도와 일조량에 따른 변색을 확인하기 위해 1일 후, 14일 후, 21일 후에 사진을 촬영하였다.

2.2. 색도계로 다육식물 엽색 분석

온도와 빛에 따른 잎 색상의 변화를 측정하기 위해 색도계 (Colormate, SCINCO, Korea)를 사용하였다. 측정은 가시광선 영역 (400~700 nm)에서 반사되는 빛을 이용한 반사도 (reflectance) 방식으로 진행되었으며, 정반사 조건은 SCI (Spherical Component Included) 모드를 사용하여 전체 외관을 측정하였다. 샘플 포트 크기는 6 mm로 설정하였으며, 조명 조건은 산업 및 제조용 표준 조명인 D65 (6,500 K 광원)으로 설정하였다. 색 좌표는 국제조명위원회 (CIE, Commission Internationale de l’Eclairage) 의 기준에 따라 L^*, a^*, b^*로 표시하였다. 여기서 L은 명도 (Lightness)를 의미하며, a는 적녹색 (빨간색-녹색), b는 황청색 (노란색-파란색) 정도를 나타낸다 (Lee et al. 2018).

L^*ab 색상을 RGB (red, green, blue) 값으로 변환하기 위해 오픈 소스 라이브러리인 ColorMine을 사용하였다. 또한, 색상 인식과 일치하는 HSV 프로그램을 통해 색상 (Hue), 채도 (Saturation), 명도 (Value)를 측정하였으며, RGB 값은 오픈소스 (RapidTables.org)를 사용하여 색상 (Hue) 값을 구하였다. 실험은 그늘에서 보관한 블랙베어의 검붉은색 잎 3개, 어소금의 녹색 잎 3개, 그리고 26°C의 일조량이 강한 환경에서 보관한 블랙베어의 연한 녹색 잎 3개와 어소금의 점박이가 있는 잎 3개를 대상으로 진행되었으며, 총 12개의 잎을 분석하였다 (Fig. 2). 색상 측정은 각 잎에 대해 5회씩, 총 3회 반복하여 실시하였다.

2.3. UPLC-MS/MS 분석

잎 변색 관련하여 생리활성 물질 파악을 하고자 고분 해능질량기 (ultra-performance liquid chromatography, Waters, Milford, USA)를 사용하여 분석하였다. 최대한의 성분을 분석하기 위해 다육식물 두 종의 잎을 분쇄한 후 동결 건조시킨 시료 3 g을 90% Methanol에 추출한 농축액을 사용하였다. 분석 컬럼은 ACQUITY UPLC HSS T3 컬럼 (100×2.1 mm, 1.8 μm)을 사용하였으며 컬럼 온도는 40°C로 고정하였다. 기울기 용리 방식을 선택하여 이동상은 용매 A (물+0.1% 포름산)와 용매 B (아세토니트릴+0.1% 포름산)를 이용하여 0.5 mL min^-1 유속으로 시간에 따라 비율을 변화시켜 사용하였다. 샘플 로딩 부피는 5 μL이고 5분까지 A 비율이 97%였고 B 비율은 5분~16분 동안 3%에서 100%로 올렸다가 2분 동안 유지시켰으며 19분까지 3%로 낮추었고 A는 25분까지 97% 유지시켰다. 텐덤질량분석기 (SYNAPT G2 Si HDMS QTOF; Waters, UK)의 컬럼에서 용출된 추출물을 이온화 방식으로 측정하였다. 양이온 모드는 capillary voltage 2 kV와 cone voltage을 40 V로, 음이온 모드는 1 kV와 40 V로 각각 설 정하였다. 기본 스캔 범위는 50~1200 Da이며 모든 분자이온 (Parent ions)은 20~40 eV를 사용하였고, 모든 조각의 정보를 수집하는데 소요된 시간은 0.2초였다. 데이터 수집 및 분석은 Waters UNIFI V1.71 소프트웨어를 사용하였고 MS/MS는 50~1,200 m/z 범위에서 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 잎 표면 변화

외부 환경 (빛, 온도)에 따른 다육식물의 잎 표면 색상 변화를 관찰하였다. 높은 온도와 강한 광도 환경에서 자란 블랙베어는 첫날 검붉은색을 띠었으나, 14일째에는 붉은 색과 녹색 계열로 변하였고, 21일째에는 잎이 빠르게 펼쳐지면서 연한 녹색으로 확인되었다 (Fig. 3a). 첫날 어소금의 잎 아랫부분은 녹색으로 보였고, 윗부분에는 옅은 붉은 반점이 나타났다. 14일째에는 붉은 반점의 면적이 확장되었고, 잎이 점차 펼쳐지면서 21일째에는 붉은 반점이 더욱 진해져 전체적으로 색상이 변화하는 양상을 보였다 (Fig. 3b).

그늘 환경에서 성장한 블랙베어는 첫날 검붉은색을 띠었으나, 시간이 경과함에 따라 잎은 진한 녹색으로 변하였고, 실외 환경에서 자란 개체에 비해 잎이 천천히 펼쳐지는 특징을 보였고 이후에도 녹색 상태를 유지하였다 (Fig. 4a, b). 어소금 또한 녹색에서 진한 녹색으로 변화한 상태를 유지하였으며 색상 변화의 차이는 시간이 지나도 크지 않았다 (Fig. 4c, d).

Cabahug (2017a)에 따르면 Echeveria 속의 agavoides는 고광도 (150 μmol m^-2 s^-1) 조건일수록 식물의 성장 속도와 안토시아닌 농도가 증가해 색상이 변화하는 반면, 저광도 (35 μmol m^-2 s^-1) 조건에서는 marcus에서 색상 변화가 미미하다고 보고되었다. 이러한 변색 반응은 강한 자외선에 노출되면 식물이 화상을 예방하고 색상이 달라지는데 중요한 역할을 한다고 알려져 있다 (Pervaiz et al. 2017). 따라서, 동일한 조건에서 빛의 세기와 온도 차이에 따른 안토시아닌 함량 변화를 분석하여 색상 변화의 다양성에 미치는 영향을 이해하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

3.2. 색도계를 이용한 엽색 변화

색이 변하는 다육식물의 엽색 변화를 비교 분석하기 위해 색도계 (Colormate)를 사용하였다. CIE (국제조명위원회, Commission Internationale de l’Eclairage)는 색 좌표계를 평가하기 위해 CIE Lab을 정의하였고 이를 통해 색상 변화를 수치적으로 분석할 수 있었다 (Deng et al. 2022). Fig. 5에서는 잎의 L^*ab (명도, 적녹색, 황청색) 색상 매개변수의 분포도와 L^* 좌표를 제시하였다. X축은 a (적녹색) 값을 Y축은 b (황청색) 값을 나타낸다. L^* 값이 증가함에 따라 색상은 검은색에서 흰색으로 점차 밝아지며, a 값은 양수에서 음수로 변할수록 빨간색에서 녹색으로, b 값은 양수에서 음수로 갈수록 노란색에서 파란색으로 나타난다. 빛의 양이 증가함에 따라 색이 변한 블랙베어의 검붉은색 잎과 연한 녹색 잎의 L^*ab 값을 분석한 결과, 검붉은색 잎에 비해 연한 녹색 잎은 노란색 계열로 이동했으며, L^* 값은 30~40 사이에서 50으로 증가하였다 (Fig. 5a, b). 어소금의 연한 녹색 잎과 점박이 잎에서는 노란색 계열이 감소하는 경향을 보였으며, L^* 값은 60에서 30~60 이하로 변동하였다 (Fig. 5c, d). 색채 시각은 관찰자의 시점과 이미지 크기에 따라 달라질 수 있으므로, L^*ab 그래프에 나타난 결과를 정확히 해석하기 위해 Table 1에서는 잎의 Lab 평균값과 오차값을 제시하였고, 이를 바탕으로 평균값으로 나타난 색상을 확인할 수 있었다. 색도계는 색상의 차이를 수치적으로 제시하므로 시각적으로 관찰된 색상과의 차이를 확인할 수 있다.

L^* 값이 0일 경우 검은색, 100일 경우 흰색을 나타내며, a 값이 음수이면 초록색, 양수이면 빨간색/보라색 계열, b 값이 음수일 경우 파란색, 양수일 경우 노란색을 나타낸다. 블랙베어 잎의 L^* 값은 시간이 지남에 따라 34.99에 서 50.46으로 증가하여 밝기가 점차 증가하였으며, a 값은 1.83에서 -3.85로 감소하여 빨간색 색조가 감소하였다. b 값은 0.73에서 12.57로 증가하여 노란색 색조가 증가하였으며, 이는 검붉은색에서 연한 녹색으로 변화한 것을 반영한다. 어소금의 L^* 값은 58.83에서 55.07로 감소하여 밝기가 낮아졌고, a 값은 -9.24에서 2.57로 증가하여 빨간색이 두드러지게 나타났으며, b 값은 28.38에서 9.59로 감소하여 노란색이 감소하였다. 이는 빛의 세기가 증가함에 따라 잎에 적색 반점이 나타난 결과로 해석될 수 있다. 엽색의 정확한 변화를 확인하기 위해 RGB (red, green, blue) 값을 색 선명도 (hue, saturation, value) 값으로 변환하여 Table 2에 RGB 평균값과 증감률 그리고 Hue 값으로 나타 내었다.

HSV에서 색상 (Hue)은 14가지 색으로 표현되며 각도에 따라 색상이 다르게 나타난다. 빨강 (0°, 360°), 주황 (30°), 노랑 (50°), 올리브 (60°), 잔디 (90°), 녹색 (120°), 청록 (189°), 옥색 (180°), 하늘 (210°), 파랑 (240°), 남색 (260°), 보라 (280°), 마젠타 (300°), 그리고 분홍 (330°) 색으로 나타낼 수 있다. 블랙베어 잎은 적색 42.31%, 녹색 49.32%, 청색 21.58%가 증가하면서 전체적으로 색상이 변하였고 Hue 값은 2° (빨강) 계열에서 58° (노랑) 계열로 나타났다. 어소금의 경우 적색 0.15%, 녹색이 10.44% 감소하였으나, 적색 반점의 색상이 더욱 뚜렷해지며 Hue 값은 62° (올리브)에서 31° (주황) 계열로 변화하였음을 확인하였다.

3.3. 잎 성분 UPLC-MS/MS 분석

초고성능 액체 크로마토그래프 (UPLC)와 텐덤 질량 분석기 (MS/MS)를 이용하여, 다육식물의 잎 색 변화에 따른 성분 변화를 분석하였다 (Fig. 6). 블랙베어와 어소금의 잎 색 변화는 환경에 따른 내부 물질 농도의 변화에 기인한 것으로 판단된다. 이전 연구들에서는 환경적 요인, 특히 빛의 변화가 다육식물의 성분 농도에 영향을 미친다고 보고되었으며, Cabahug (2017b)은 안토시아닌 농도의 변화를 제시하였다. 다육식물 agavoides와 marcus가 빛에 노출 되었을 때 안토시아닌 농도가 각각 1.32 μg g^-1와 0.82 μg g^-1였고, 그늘에 배치되면 0.66 μg g^-1와 0.44 μg g^-1로 감소함을 확인하였다.

본 실험에서는 빛에 노출된 다육식물 (블랙베어, 어소금)을 분석한 결과, 다양한 quercetin 계열 물질이 추출되었으며, 그중 주요 성분으로는 quercitrin과 quercetin-3- O-sambubioside가 확인되었다. 이들 물질의 농도 변화가 색상의 변화와 연관이 있으며, 빛 노출 시 농도 변화에 중점을 두어 실험을 진행하였다.

블랙베어의 검붉은 잎이 연한 녹색으로 변할 때 quercitrin 농도가 크게 감소한 것으로 확인되었다 (Fig. 6a, b). Quercitrin은 플라보노이드 계열의 화합물로, 대부분 식물 구성 물질 중 높은 비율을 차지하며 산화적 손상으로부터 식물체를 보호하는 역할을 한다 (Zheng et al. 2019;Chen et al. 2022). 특히, quercitrin 농도는 빛에 노출되면 감소하며, 그로 인해 잎의 명도가 증가하고 적색도는 낮아 진다고 보고되었다 (Nam et al. 2005;Park et al. 2023). 따라서 블랙베어는 빛에 노출되었을 때 quercitrin 농도가 감소하여 검붉은색에서 적색이 낮아지고, 엽록소가 우세한 녹색으로 변하게 된 것으로 해석되었다.

어소금의 경우, 녹색 잎에서 붉은 반점이 나타날 때 quercetin-3-O-sambubioside 농도가 크게 증가하였다 (Fig. 6a, b). Quercetin-3-O-sambubioside는 비안토시아닌 플라보노이드로, 활성 산소에 의한 산화적 손상을 보호하며, 가수분해 과정에서 kaempferol의 유도체를 형성하는 물질이다. 이 유도체는 안토시아닌 합성에 관여하는 물질로, 빛에 의해 농도가 증가하는 것으로 알려져 있다 (Matlawska 2001;Deng et al. 2009;Delazar et al. 2010;Vargas-Álvarez et al. 2018).

어소금은 빛이 있는 환경에서는 붉은 반점이 생기지만 그늘에서는 반점이 생기지 않는데 이는 quercetin-3-Osambubioside가 빛에 의해 활성화되어 증가하고 분해하면서 안토시아닌이 생성되기 때문이다. 빛의 강도가 높을수록 안토시아닌 농도가 증가하지만, 광도가 낮을수록 안토시아닌은 감소하고 플라보노이드 농도가 증가하는 것으로 나타난다 (Cortell and Kennedy 2006;Azuma et al. 2012;Chávez-Reyes et al. 2013;Jing et al. 2022;Li et al. 2022). 이러한 결과는 잎의 색 변화가 quercitrin과 quercetin-3-O-sambubioside 농도의 변화와 밀접한 관련이 있음을 시사한다.

적 요

블랙베어 (Echeveria spp.)와 어소금 (Adromischus maculatus)은 빛과 온도에 따라 색상이 변화하는 관상용 다육식물이다. 이들의 잎 색상은 관상 가치와 시장 수요에 중요한 역할을 하지만, 다육식물 잎에 함유된 플라보노이드에 대한 정량적 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 블랙베어와 어소금의 색상 변화와 내부 생리활성 물질 간의 연관성을 파악하기 위해 색도계와 초고성능 액체 크로마토그래피 (UPLC)를 활용하여 잎 표면 색상 변화와 생리 활성 물질 성분을 비교 분석하였다. 색도계 분석 결과, 블랙베어는 초기 대비 적색이 42.31%, 녹색이 49.32%, 청색이 21.58% 증가하며 잎 색상이 검붉은색에서 녹색으로 뚜렷하게 변하였다. 반면, 어소금의 경우 적색은 0.15%, 녹색은 10.44% 감소하여 녹색의 감소폭이 더 컸고, 이로 인해 녹색에서 붉은 점박이 패턴이 더욱 두드러지고 면적이 넓어졌다. UPLC 분석에서는 블랙베어 잎 추출물에서 quercitrin이, 어소금에서는 quercetin-3-O-sambubioside 가 검출되었다. 이러한 물질들은 환경변화 (빛, 온도)에 따라 안토시아닌 농도와 색 변화에 주요하게 작용하는 것으로 판단된다. 본 연구는 다육식물의 빛과 온도에 따른 잎 색 변화와 생리활성 물질의 상관성을 이해하는 데 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.