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서 론
육묘는 재배의 분업화 및 전문화를 유도할 수 있는 원천 사업이며 발아, 접목, 활착, 생장조절 및 병충해 관리 등 재 배관련 기술이 집대성되는 정밀산업이다. 국내 육묘장 면적 은 1997년 약 20 ha에서 2010년 159 ha로 크게 증가하였으 며, 2015년 187 ha, 2020년 224 ha로 증가할 전망으로 (Park et al. 2011), 시설재배의 발전과 함께 국내 육묘산업 또한 지 속적으로 발전하고 있는 유망산업이다. 최근 농촌 인구 고령 화 및 농업인구 감소화로 인한 국내 농가의 문제점을 타파 하기 위하여 한국형 ICT (Information and communications technologies) 융합 스마트팜 연구개발에 대한 필요성이 대 두되고 있다 (RDA 2015).
육묘 기간 동안의 재배 환경 및 발육상태는 정식 후의 작 물의 생육 및 수확량에 큰 영향을 미친다. 특히 건조스트레 스는 발아 및 육묘의 성장을 크게 저해하는 것으로 알려져 있다 (Okcu et al. 2005). 작물의 수분관리는 농가의 수익성에 큰 연관성을 가지고 있는 요인 중 하나로서 육묘단계에서 수분이 부족하게 되면 영양 및 생식·생장이 저하되어 개화 율이 떨어지게 되며 수확량이 감소하는 것으로 알려져 있다 (Okunlola et al. 2015). 따라서 성장하는 육묘산업과 더불어 우량묘 생산을 위한 관수의 중요성이 대두되고 있다.
물관리는 대기-식물-토양이 복합적으로 연관되어 있어 농 가에서 현실적으로 정밀한 물관리가 매우 어려운 실정이다. 또한, 생육 시기 및 온습도에 따라 필요한 물량이 유동적으 로 변하므로 예측 보다는 실시간 측정을 통한 수분 조절이 필요하기 때문에 각각의 조건에 따른 식물 스트레스 진단 및 계량화를 통한 최적의 물관리가 요구되고 있다.
일반적으로 식물의 건전생장 및 모니터링에 파괴적인 방 법 (엽록소 함량, 2차 대사산물 분석 등)과 비파괴적 분석 (엽 록소 형광, 광화학 반사지수 등)을 활용한 식물 스트레스 관 련 연구가 진행되어 왔다 (Schuerger et al. 2003;Son et al. 2006;Kim et al. 2011;Park et al. 2015;Bandaru et al. 2016).
엽록소 형광 분석은 빛에 노출된 식물체의 형광반응을 처음 발견한 (Kautsky and Hirsch 1931) 식물의 비 생물학 적 스트레스 (Abiotic stress)를 진단하기 위한 분석법으로 오랫동안 연구되어왔으며, 비파괴적으로 시계열적인 모니 터링이 가능하여 식물 스트레스 연구에 널리 활용되고 있 다 (Strasser 1985; Bjorkman and Demmig 1987; Govindjee 1995;Calatayud et al. 2006;Burke 2007). 특히, 건조 스트 레스 조건에서 식물의 엽록소 형광 반응 분석을 통한 광생 리 지표 및 스트레스 조기 진단 연구가 활발히 진행되고 있 다. 식물은 건조 스트레스 조건에서 엽록소 함량 감소로 인 한 광계 II 활성이 떨어져 역으로 엽록소 형광 방출량이 증 가하는 현상이 발생하며, NADP → NADPH 및 ATP 합성 감 소로 이어지는 결과를 초래해 수량 감소 등의 피해가 발생 한다 (Lichtenthaler et al. 2005;Oukarroum et al. 2007;Yoo et al. 2013). 그러나 이는 건조 스트레스의 강도 (지속기간, 수 분함량 등), 생육 환경, 생육시기 및 식물종에 따라 매우 큰 차이 (Jeffries 1994; Fracheboud and Leipner 2003;Baker and Rosenqvist 2004;Massacci et al. 2008)를 보이므로 각각 의 조건에서 연구가 이루어져야 할 필요가 있다. 본 논문은 정밀한 물관리를 위해 엽록소 형광 반응을 활용해 건조 조 건에서 오이와 토마토 유묘의 광이용 효율을 분석하여 건조 스트레스 광생리 지표 연구를 실시하였다.
재료 및 방 법
1. 공정육묘 재배 및 건조스트레스 처리
본 연구는 국립한경대학교 육묘생장실에서 2018년 7월 부터 8월까지 진행하였다. 연구에서 사용된 공정육묘재료는 아산쎌탑육묘장에서 출하한 토마토 및 오이 육묘를 사용하 였으며 토마토 (Lycopersicon esculentum Mill.)의 접수는 도 태랑다이아, 대목은 B블로킹, 오이 (Cucumis sativus L.)의 접 수는 조은백다다기, 대목은 흑종을 사용하였으며 생장억제 제 (빈나리)를 사용하지 않은 어린모를 사용하였다. 모종토 양은 농우 초록이 (Nongwoobio, Korea)와 Pindstrup Blonde Special (Pindstrup, Denmark)을 1 : 6 (v : v)으로 섞은 혼합상 토를 사용했으며 비료는 Technigro (Sungro, USA; N : P : K 13 : 2 : 13) 120 mg kg-1을 사용하였다. 대조구의 경우 매일 오전 저면관수 1회 실시하였고 처리구는 관수를 중단하여 재배하였다.
2. 엽록소 형광 반응 분석
엽록소 형광분석 (OJIP; Origin Jump Intermediate Peak)은 식물체 잎에 leaf clip을 물려 30분간 암처리 후 Chlorophyll fluorescence meter (FP-100, Photon System Instruments, Czech Republic)을 이용하여 처리 전부터 처리 후 7일까지 매일 측 정하였다. 측정 결과는 JIP-TEST (Stirbet and Govindjee 2011) 의 방법에 따라 건조스트레스에 적합한 엽록소형광지표를 선정하였다 (Table 1). 또한 건조스트레스지수 (DFI; Drought Factor Index)를 이용하여 작물 간 건조스트레스 차이를 분 석하였다 (Oukarroum et al. 2007).
3. 통계분석
본 연구는 SAS (Statistical Analysis System, Version 9.4) 통계프로그램을 이용하여 통계분석을 실시하였으며 정규성 검정 후 분산분석은 ANOVA-test을 사용하였다. 사후검정은 DMRT (Duncan’s multiple range test, p<0.05)을 이용하여 통계적 유의성을 분석하였다.
결과 및 고 찰
1. 건조 스트레스에 따른 엽록소 형광반응 (OJIP) 비교
공정육묘의 엽록소 형광반응은 대조구의 경우 토마토와 오이 모두 시간이 경과되어도 전반적으로 엽록소 형광반응 의 차이가 크게 나타나지 않았다.
건조 처리구의 경우 토마토는 처리 후 5일차부터 활력이 급 격하게 떨어지며 최대 형광량 (P)의 수치가 낮아지며 변동형 광량 (FV)도 감소한 것으로 보였다 (Fig. 1a, b). 실제로, 작물 은 가뭄과 같은 스트레스 환경에 노출되었을 때 엽록소 형 광반응이 유의미하게 감소하는 것으로 밝혀졌다 (Rensburg et al. 1996). 상대적인 변동 형광량 (△VOP)은 건조처리 후 4 일부터 J-I 단계 (2~30 ms)의 형광방출량이 증가하는 경향 이 보이며 5일차부터 급등하였다. 일반적으로 건조스트레스 조건에서 J (2 ms) 단계의 형광반응이 높아지고 스트레스 경 과에 따라 광계II 광화학반응의 감소 (Falqueto et al. 2017) 및 I-P 전이 과정 중 엽록소 형광량 증가 (Oukarroum et al. 2009) 등 광화학 기구의 활성 저해가 나타나는 것으로 보고 되었다. 본 연구결과 토마토와 오이는 J-I 단계의 엽록소 형 광량이 증가한 것으로 보아 건조처리로 인하여 광계I의 광 화학 반응이 저해되는 것으로 판단되었다 (Fig. 1c, d).
토마토의 경우 처리 후 4일차부터 활력이 크게 감소하며 작물의 생육이 저하되는 것으로 보였다 (Fig. 1e, f). 엽록소 형 광방출량의 경우 처리 후 3일부터 J-I 단계에서 엽록소 형광 방출량이 증가하기 시작하며, 4일차부터 큰 폭으로 올라가 토마토와 마찬가지로 건조스트레스로 인하여 광계II에서 광 계I까지의 전자전달 전이 단계가 피해를 받은 것으로 사료 되었다 (Fig. 1g, h). J-I 및 I-P 단계는 열 의존적인 전이로서 전자의 연속적인 여기 현상에 의한 전자전달계의 포화 현상 및 이로 인한 비광화학적 소광이 나타난다고 알려져 있다 (Papageorgiou and Govindjee 2004). 따라서 건조스트레스로 인한 전자전달 지체 및 비광화학적 소광으로 인해 각 전이단 계에서 광화학 반응이 급격하게 감소한 것으로 사료되었다.
2. 엽록소 형광 매개변수 분석 (JIP-TEST)
건조 처리에 의한 공정육묘의 엽록소 형광 매개변수는 육 묘 종에 따라 상당한 차이가 나타났다. 토마토는 건조 처 리구에서 광계I 전자 수용체까지의 전자전달 에너지플럭스 (RE1O/RC)가 처리 후 4일에 대조군 대비 24% 감소하였으며 5일에서는 56% 감소하며 건조스트레스로 인하여 광계I 전자 전달 활력이 피해를 입은 것으로 나타났다. 광계II 전자전달 에너지 플럭스 (ET2O/RC)의 경우 4일까지는 차이가 크지 않 으나 5일부터 46% 감소하며 활력이 떨어지는 것을 알 수 있 었다. 열로 소실되는 에너지 (DIO/RC)은 5일에 30% 이상 증 가하여 식물이 포집한 빛 에너지를 열로 소실시키는 것으로 나타났다 (Fig. 2a).
토마토의 엽록소 형광 매개변수의 통계분석 결과, FV/FM, DIO/RC, ET2O/RC, RE1O/RC, PIABS, PITOTALABS 총 6개의 지 표가 통계적인 유의성을 나타내며 건조스트레스에 대한 토 마토의 지표로 선정되었다. 특히 ET2O/RC와 PIABS의 경우 6 일차에서 고도의 유의성이 인정되어 (p<0.001) 건조스트레 스 생리지표로 활용이 가능한 것으로 판단되었다 (Table 1).
오이는 RE1O/RC가 처리 후 4일에 50% 이상 감소하며 광 계I 전자전달수용체까지 전자전달이 잘 이루어지지 않았다. 광계II 전자전달 에너지 플럭스 (ET2O/RC)도 4일차에 51% 감소하며 건조처리로 인한 오이 공정육묘의 QA에서 QB까지 의 전자전달계에 피해를 입은 것으로 사료되었다. FV/FM은 식물의 건전성 평가 지표로 보편적으로 사용되며 0.78~0.84 의 지수일 때 식물의 양자수득 효율이 좋은 것으로 알려져 있다 (Butler and kitajima 1975;Paillotin 1976;Genty et al. 1989;Govindjee 2004). 오이는 토마토와는 다르게 암적응 최대양자수득률 (FV/FM)도 4일차에 67%로 크게 떨어지며, 광계II 광화학 에너지가 감소한 것으로 보였다 (Fig. 2b). 오 이는 반응중심당 환원효율 (ABS/RC)가 높아지면서 열로 의 한 손실 (DIO/RC) 수치도 증가하는데, 이는 스트레스에 의해 ABS/RC의 수치가 급격하게 높아지면 포집한 에너지를 모두 광화학에너지로 환원하지 못하고 열로 소실되는 것이 원인 으로 판단되었다 (Fghire et al. 2015).
오이의 엽록소 형광 매개변수의 통계분석 결과, FV/FM, ABS/RC, RC/ABS, TRO/RC, DIO/RC, ET2O/RC, RE1O/RC, PIABS, PITOTALABS 총 9개가 오이의 건조스트레스 지표로 선 정되었으며 ET2O/RC의 경우 처리 후 4일부터 p<0.001로 고도의 유의성을 보였다 (Table 2). 일반적으로 건조스트레스 를 받으면 먼저 작물의 양자수율이 급속히 감소한다고 보고 되었으며 (Burke 2007), 이는 작물의 광화학적 활력에 직접 적인 영향을 미치며 전자전달 능력의 감소로 이어진다.
실험 결과, FV/FM, DIO/RC, ET2O/RC, RE1O/RC, PIABS, PITOTALABS 총 6개의 지표가 토마토와 오이 모두에서 공통 된 유의성이 확인되어 공정육묘의 건조스트레스 지표로 대 표성이 인정되었다. 지금까지 엽록소 형광분석 기술을 활 용한 식물 건조 스트레스 연구를 통해 FV/FM, ΦPSII, QP, qL, ΦNO, NPQ, Rfd 등이 광생리 지표로 활용되고 있으며 (Butler and Kitajima 1975;Paillotin 1976;Calatayud et al. 2006;Yoo et al. 2012), 본 연구를 통해 선발된 광생리 지표 와 유사한 결과를 보였다.
3. 광화학 생리지표 분석
Performance index (PI)는 광계II와 광계I의 에너지 보존 효율을 나타내는 광화학성능지수이다. PI는 반응중심 밀도, 에너지 포획, 전자전달 효율의 영향을 받으며 다른 지표보 다 높은 민감성을 가지며 식물의 건전성 판단 지표로 보편 적으로 사용되고 있다 (Oukarroum et al. 2007;Stirbet and Govindjee 2011). 토마토는 처리 후 5일차에 광계II 광화학 지수인 PIABS가 대조구 대비 64% 낮아졌으며, 광계I 광화학 지수인 PITOTALABS가 80% 감소하면서 건조스트레스로 인 하여 광화학성능이 악화된 것을 알 수 있었다 (Fig. 2c). 오이 의 경우 처리 후 2일에 PIABS는 48%, PITOTALABS는 53% 대 조군 대비 감소한 것으로 나타났으며 4일차부터는 PIABS와 PITOTALABS가 대조군 대비 각각 98%, 95% 감소하며 급격하 고 활력이 감소하였다 (Fig. 2d). 광화학성능 (PI)을 보면 토마 토와 오이 모두 광계I의 광합성 전달 효율이 광계II에 비해 상대적으로 감소한 것으로 나타났으며 오이가 토마토보다 건조로 인한 광합성 성능피해가 더 큰 것으로 사료되었다.
한발 및 수분스트레스 조건에서 광화학 성능지수 (PI) 가 감소하는 것으로 알려져 있다 (Thach 2007; Zivcak et al. 2008; Yoo et al. 2013). Oukarroum et al. (2007)은 건조처리 및 재관수 실험에 의한 광화학성능지수 변화를 기반으로 한 건조스트레스지수 (DFI; Drought factor index)을 이용하여 보리 품종들의 건조 스트레스를 평가하였다. 본 실험은 수분 스트레스로 인하여 광화학 성능지수를 감소한다는 연구 결 과에 근거하여 광화학 성능지수를 활용한 건조스트레스지수 를 작물별 건조스트레스 평가지표로 산정하였다. 대조구 대 비 처리 후 2일과 4일을 기준으로 건조스트레스지수를 활 용하여 건조스트레스에 의한 토마토와 오이의 광화학성능 감소의 차이를 분석하였다. 오이의 DFI는 - 3.35이며 토마 토의 DFI는 -0.20으로 상대적으로 오이가 토마토에 비해 건조스트레스로 인한 피해가 더 큰 것으로 보였다. 건조처 리 기간을 기준으로 확인했을 때 오이는 △Log (Treatment/ Control)이 처리 후 2일에서 4일이 지나는데 1.25가 감소하 였지만 토마토는 0.11 만큼 감소하여 오이가 토마토에 비해 상대적으로 건조 처리 기간이 지속될수록 건조스트레스로 인하여 광화학반응의 활력이 떨어지는 것으로 나타났다 (Fig. 3). 본 연구의 공정육묘에 대한 광화학적 건조스트레스 평가 에서 오이는 토마토에 비해 상대적으로 건조조건에서의 저 항성이 낮은 것으로 판단되어 각별한 수분관리가 요구된다.
현재 우리나라는 농업 모델 개발에 필요한 작물 생육 등 의 기초데이터 수집량이 부족하고 최적작물 생육제어 모델 개발에 어려움을 겪고 있다 (Yeo et al. 2016). 따라서 본 연구 를 통해 선발된 광화학 지표 (DFI 등 7개)는 육묘의 건조스 트레스에 대한 데이터베이스의 원천자료로서의 가치를 가지 며 ICT기반 스마트팜 모델의 생리적 기반을 제시하고 관수 시스템 구축에 대한 생리적 기초데이터로 유의미하게 사용 될 것으로 기대된다.
적 요
본 연구는 엽록소형광반응 분석을 이용하여 건조스트레 스에 의한 공정육묘의 광화학적 활력을 분석하였다. 토마토 와 오이 공정육묘를 8일 동안 건조스트레스 처리를 하였다. 엽록소형광반응 (OJIP)과 매개변수 분석을 통해 건조스트레 스로 인한 작물의 광화학적 변동을 평가하였다. 엽록소 형 광반응 (OJIP) 분석 결과, 토마토는 처리 후 5일부터 최대 형 광량 (P)이 감소한 반면 J-I 단계에서는 엽록소 형광량이 증 가하였다. 따라서 생리적 활력이 감소한 것을 알 수 있었다. 오이의 경우 처리 후 4일부터 최대 형광 (P) 및 변동 형광량 (FV)이 낮아지고 J-I 단계의 엽록소 형광 수치가 증가하였다. 엽록소 형광 매개변수 분석한 결과 토마토는 처리 후 5일부 터 특히 ET2O/RC와 RE1O/RC가 감소하면서 광계II와 광계I 의 전자전달효율이 유의적으로 낮아진 것으로 보인 반면 오 이는 처리 후 4일부터 ET2O/RC와 PIABS가 상당히 변화하였 다. 결론적으로 FV/FM, DIO/RC, ET2O/RC, RE1O/RC, PIABS, PITOTALABS 6개의 지표가 공정육묘의 건조스트레스를 판단 하는 지표로 선정되었다. 건조스트레스지수 (DFI)를 통해 건 조스트레스로 인한 작물별 건전성 평가를 하였고 오이의 경 우 토마토에 비해 건조 저항성이 낮은 것으로 판단되었다.
