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문제 정의
- 생리학적 조사는 주로 폿트 또는 양액재배로 이루어지고 있으며, 고체 배지를 이용한 실험방법은 아직 확립되어 있지 않다. 이러한 점을 감안하여 본 실험은 고체 배지를 이용한 새로운 실험 방법을 이용하여 건조 및 염 스트레스에 대한 식물체의 형태학적인 특성을 뿌리신장률, 근단구조, 물질생산 등의 측면에서 조사하여, 벼 발아단계에서 스트레스 내성품종 육성을 위한 새로운 선발방법을 제공하고자 본 실험을 수행하였다.
제안 방법
- PEG 및 NaCl을 처리한 고체배지에 치상 후 5일간 생육시킨 동진벼의 건물 생산량을 지하부와 지상부로 나누어 조사하였다(Table 1). PEG 및 NaCl 처리에 의한 건물생산은 지상부와 지하부에서 모두 억제되었다.
- 건조 및 염 처리를 한 고체배지에서 치상 후 5일간 생육시킨 벼 식물체의 근단을 채취하여 처리에 따른 구조적인 변화를 광학현미경으로 관찰하였다(Fig. 2). 4% PEG 처리한 벼 식물체의 근단 표피세포 및 외피층 세포에서 화살표로 나타낸 것과 같이 methyl-lignin의 축적이 관찰되었으며 또한 수분 결핍을 극복하기 위한 기작으로 표피세포를 변형시킨 근모의 발생이 관찰되 었다(Fig.
- 건조 및 염 처리한 고체배지에서 치상 후 5일간 생육시킨 동진벼의 뿌리 길이를 조사하였다. PEG 처리농도에 따른 뿌리 길이는 대조구(0% PEG)에 비해 1% PEG 처리구는 92%, 2% PEG 처리구는 67%, 4% PEG 처 리구는 14%로 PEG 농도를 높임에 따라 신장의 억제가 관찰되었으며(Fig.
- 05% Toluidine Blue O로 염색한 다음, 증류수로 5번 정도 세척하였다[9]. 근단 구조는 200배율로 설정한 역상현미경(IMT2-21, Olympus Ltd.)으로 관찰하였다.
- 본 실험은 고체배지를 이용한 새로운 실험방법을 이용하여 건조 및 염 스트레스에 대한 식물체의 형태학적인 특성을 뿌 리신장률, 근단구조, 물질생산 등의 측면에서 조사하였다. PEG 및 NaCl 처리조건에서 처리 농도가 증가할수록 벼 식 물체의 뿌리신장이 현저하게 저하되었으며, PEG 및 NaCl 처리에 따른 벼 식물체의 뿌리는 methyl-lignin 축적에 의한 리그닌화가 진행되었으며, 수분결핍을 극복하려는 기 작으로 표피세포를 변형시킨 근모의 발생이 관찰되었다.
- 뿌리조직의 형태학적인 변화를 관찰하기 위해 4% PEG 처리 구와 100 mM NaCl 처리구에서 생육시 킨 벼 식물체 근단 2 mm 정도까지의 부분을 채취하여 FAA 고정 액 (formalin: acetic acid: 50% ethanol = 0.5: 0.5: 9 v/v)으로 고정하였다. 조직 관찰용 절편은 채취한 근단을 4% agar 배지에 조심스럽게 넣고 포매한 후 절편용 블록을 작성하였다[6].
- 4% 한천을 넣고 pH 5로 교정한 대조구와 1%, 2%, 4% polyethylene glycol 6000 (PEG)을 넣은 건조 처리 구, 10 mM, 50 mM, 100 mM NaCl을 넣은 염 처리 구를 설정하였다. 식물체 생육은 각 처리구별 10반복으로 하였으며 주간 24시간 주기, 광도 2, 400 Lux, 온도 24℃의 항온 실에서 치상 후 5일간 생육하였다.
- 조직 관찰용 절편은 채취한 근단을 4% agar 배지에 조심스럽게 넣고 포매한 후 절편용 블록을 작성하였다[6]. 조직 관찰은 면도날을 이용하여 100 lint 정도의 두께로 횡단으로 제작한 후, methyl-lignin 축적에 의한 리그닌화(목질화)된 조직을 진한 녹색으로 염색하는 것이 특징인 0.05% Toluidine Blue O로 염색한 다음, 증류수로 5번 정도 세척하였다[9]. 근단 구조는 200배율로 설정한 역상현미경(IMT2-21, Olympus Ltd.
- 4% agar를 넣고 잘 녹인 다음, 배양시험관에 10 ml 씩 분주하여 agar 고체 배지(이후, 고체배지라 칭함)를 작성하였다. 종자는 1% 차아염소산 나트륨으로 10분간 종자 표면을 살균한 후, 5번 정도 증류수로 헹군 후[12], 표면 살균한 동진벼를 고체배지가 들어있는 배양시험관에 1립씩 치상하였다. 처리구는 0.
- 종자는 1% 차아염소산 나트륨으로 10분간 종자 표면을 살균한 후, 5번 정도 증류수로 헹군 후[12], 표면 살균한 동진벼를 고체배지가 들어있는 배양시험관에 1립씩 치상하였다. 처리구는 0.4% 한천을 넣고 pH 5로 교정한 대조구와 1%, 2%, 4% polyethylene glycol 6000 (PEG)을 넣은 건조 처리 구, 10 mM, 50 mM, 100 mM NaCl을 넣은 염 처리 구를 설정하였다. 식물체 생육은 각 처리구별 10반복으로 하였으며 주간 24시간 주기, 광도 2, 400 Lux, 온도 24℃의 항온 실에서 치상 후 5일간 생육하였다.
- 치상 후 5일간 생육시킨 식물체를 채취하여 뿌리 길이를 측정하였으며, 지상부와 지하부로 나누어 80℃에서 72시간 이상 건조시킨 후, 건물 생산량을 조사하였다. 상대 건물중 (%)의 산출식은 아래와 같이 구하였다.
대상 데이터
- 공시재료로서는 국내에서 널리 재배되고 있는 일반 재배형 동진벼(O?%g sativa L. var. Dongjinbyeo)를 사용하였다. 배지는 0.
성능/효과
- 2). 4% PEG 처리한 벼 식물체의 근단 표피세포 및 외피층 세포에서 화살표로 나타낸 것과 같이 methyl-lignin의 축적이 관찰되었으며 또한 수분 결핍을 극복하기 위한 기작으로 표피세포를 변형시킨 근모의 발생이 관찰되 었다(Fig. 2B). 한편, 100 mM NaCl을 처리한 벼 식물체의 근단 표피세포에서도 근모의 발생이 관찰되었으나, PEG 처리구와는 달리 근단 외피층 세포에서만 methyl-lignin의 축적이 확인되었으며 고농도의 NaCl에 의한 세포의 수축도 관찰되었다(Fig.
- 한편, NaCl 처리에 의한 건물 생산량은 PEG 처리구 식물체와 마찬가지로 벼 식물체의 지상부와 지하부 모두에서 생육의 억제가 관찰되었다. NaCl 처리에 의한 지상부의 상대 건물 중(%)은 10 mM NaCl 처리구에서 77%, 50 mM NaCl 처리 구에서 61%, 100 mM NaCl 처리구에서 46%를 나타내었고 지하부의 상대 건물중은 10 mM NaCl 처리구에서 45%, 50 mM NaCl 처리구에서 28%, 100 mM NaCl 처 리구에서 17% 로 현저한 건물생산 저해를 보였다. 일반적으로 염 및 건조 스트레스 환경에서의 잎은 수분 결핍으로 인해 기공이 폐쇄되어 CO2 흡수가 저해된 결과, 광합성율의 감소로 인해 물질생산의 저하가 보고되어 있으나[3], 본 실험에서 건물생산의 저하는 Spollen 등[14]의 보고와 같이 NaCl 및 PEG 처리에 의한 벼 식물체 뿌리에서 root signal이 생성되어 ABA와 같은 생장억제 호르몬을 유도하여 지하부 뿐만 아니라 지상부의 물질생산에 영향을 주어 결과적으로 건물 생산량이 감소한 것으로 사료된다.
- 1). PEG 및 NaCl 처리에 의한 건물생산은 지상부와 지하부에서 모두 억제되었다. PEG 처리에 따른 지상부의 상대 건물중(%)은 1% PEG 처리구에서 81%, 2% PEG 처리 구에서 79%, 4% PEG 처리구에서 10%로 감소한 반면, 지하부의 상대 건물중은 1% PEG 처리구에서 40%, 2% PEG 처리 구에서 32%, 4% PEG 처리구에서 15%를 나타내었다.
- 본 실험은 고체배지를 이용한 새로운 실험방법을 이용하여 건조 및 염 스트레스에 대한 식물체의 형태학적인 특성을 뿌 리신장률, 근단구조, 물질생산 등의 측면에서 조사하였다. PEG 및 NaCl 처리조건에서 처리 농도가 증가할수록 벼 식 물체의 뿌리신장이 현저하게 저하되었으며, PEG 및 NaCl 처리에 따른 벼 식물체의 뿌리는 methyl-lignin 축적에 의한 리그닌화가 진행되었으며, 수분결핍을 극복하려는 기 작으로 표피세포를 변형시킨 근모의 발생이 관찰되었다. 또한 PEG 및 NaCl 처리에 의한 벼 식물체의 지상부와 지하부의 건물 생산량의 현저한 감소는 지상부보다 지하부에서 뚜렷하였으 며, 그 결과 PEG 및 NaCl 처 리 농도를 증가시 킴 에 따라 TR율 의 증가를 보였다.
- 뿌리 길이를 조사하였다. PEG 처리농도에 따른 뿌리 길이는 대조구(0% PEG)에 비해 1% PEG 처리구는 92%, 2% PEG 처리구는 67%, 4% PEG 처 리구는 14%로 PEG 농도를 높임에 따라 신장의 억제가 관찰되었으며(Fig. 1, PEG). 특히 2%와 4% PEG 처리구에서는 현저하게 뿌리신장이 억제되었다.
- PEG 및 NaCl 처리에 의한 건물생산은 지상부와 지하부에서 모두 억제되었다. PEG 처리에 따른 지상부의 상대 건물중(%)은 1% PEG 처리구에서 81%, 2% PEG 처리 구에서 79%, 4% PEG 처리구에서 10%로 감소한 반면, 지하부의 상대 건물중은 1% PEG 처리구에서 40%, 2% PEG 처리 구에서 32%, 4% PEG 처리구에서 15%를 나타내었다. 한편, NaCl 처리에 의한 건물 생산량은 PEG 처리구 식물체와 마찬가지로 벼 식물체의 지상부와 지하부 모두에서 생육의 억제가 관찰되었다.
- PEG 및 NaCl 처리조건에서 처리 농도가 증가할수록 벼 식 물체의 뿌리신장이 현저하게 저하되었으며, PEG 및 NaCl 처리에 따른 벼 식물체의 뿌리는 methyl-lignin 축적에 의한 리그닌화가 진행되었으며, 수분결핍을 극복하려는 기 작으로 표피세포를 변형시킨 근모의 발생이 관찰되었다. 또한 PEG 및 NaCl 처리에 의한 벼 식물체의 지상부와 지하부의 건물 생산량의 현저한 감소는 지상부보다 지하부에서 뚜렷하였으 며, 그 결과 PEG 및 NaCl 처 리 농도를 증가시 킴 에 따라 TR율 의 증가를 보였다. 상기의 결과로부터 건조 및 염 처리를 한 고체배지를 이용함으로써 벼의 경우 스트레스 처리 전 약 2 주간 유묘를 생육시키는 양액재배에 비해 발아기의 각종 스 트레스에 대한 식물체 반응의 관찰과 내성 특성 검정에 유용 할 것으로 사료된다.
- 염 스트레스를 받은 식물체의 뿌리에서는 세포벽의 구성물질인 셀롤로오스 함량이 감소하며 NaCl 농도가 높아질수록 그 감소의 폭은 증가하는데 이것은 세포에 축적된 N* a과 Cfo] 셀롤로오스 함량을 감소시켜 세포막과 세포벽을 약화시키거나 변형시켰기 때문으로 생각된다(2). 본 실험에서 PEG 처리구에 비해 NaCl 처리구의 뿌리생육의 저해는 N* a과 CT와 같은 이온에 의한 표피세포의 세포벽 약화에 기인하는 것으로 사료된다. 이러한 현상에 대해 Nible과 Rogers[ll]도 식물체는 흡수된 Na+ 과 C「을 액포에 저장시켜 세포내의 수분포텐셜을 낮추지만, 과도한 염류 축적에 의해 이온독성 및 무기양분 부족으로 생육장해를 일으킨다고 보고하였다.
- 한편, 내염성 작물로 알려진 보리의 경우는 50 mM, 100 mM, 150 mM NaCl를 Hoagland용액에 넣고 파종 후 10일간 생육시킨 보리 유묘에 직접 관주하여 그 뿌리 신장을 확인한 결과, 100 mM NaCl 농도까지는 크게 변화를 보이지 않았으며 뿌리 수 또한 큰 영향을 받지 않았다[2]. 본 실험의 결과는 염 에 강한 보리에 비해 벼 식물체는 50 mM NaCl이라는 상대적으로 낮은 농도에서도 생육 저해가 일어나는 염 민감성 작물로 벼의 생육저해는 일차적으로 지하부의 감소와 같은 형태적인 변화에 기인되는것으로 사료된다.
- 2B). 한편, 100 mM NaCl을 처리한 벼 식물체의 근단 표피세포에서도 근모의 발생이 관찰되었으나, PEG 처리구와는 달리 근단 외피층 세포에서만 methyl-lignin의 축적이 확인되었으며 고농도의 NaCl에 의한 세포의 수축도 관찰되었다(Fig. 2C). 염 스트레스를 받은 식물체의 뿌리에서는 세포벽의 구성물질인 셀롤로오스 함량이 감소하며 NaCl 농도가 높아질수록 그 감소의 폭은 증가하는데 이것은 세포에 축적된 N* a과 Cfo] 셀롤로오스 함량을 감소시켜 세포막과 세포벽을 약화시키거나 변형시켰기 때문으로 생각된다(2).
- 특히 2%와 4% PEG 처리구에서는 현저하게 뿌리신장이 억제되었다. 한편, NaCl 처리에 따른 뿌리길이는 대조구(0 mM NaCl)에 비해 10 mM NaCl 처리구에서는 96%, 50 mM NTaCl 처리구는 38%, 100 mM NaCl 처리구는 15%로 NaCl 처리농도를 증가시킴에 따라 대조구에 비해 뿌리 신장이 억제되었으며, 특히 50 mM 과 100 mM NaCl 처리에서 현저한 신장억제를 보였다. 이것은 염 및 건조 스트레스에 의한 식물체 반응은 1차적으로 뿌리에서 나타나며, 이때 생성되는 root signal에 의해 뿌리생장 뿐만 아니라 지상부의 생육 변화에도 영향을 미친다[14].
- PEG 처리에 따른 지상부의 상대 건물중(%)은 1% PEG 처리구에서 81%, 2% PEG 처리 구에서 79%, 4% PEG 처리구에서 10%로 감소한 반면, 지하부의 상대 건물중은 1% PEG 처리구에서 40%, 2% PEG 처리 구에서 32%, 4% PEG 처리구에서 15%를 나타내었다. 한편, NaCl 처리에 의한 건물 생산량은 PEG 처리구 식물체와 마찬가지로 벼 식물체의 지상부와 지하부 모두에서 생육의 억제가 관찰되었다. NaCl 처리에 의한 지상부의 상대 건물 중(%)은 10 mM NaCl 처리구에서 77%, 50 mM NaCl 처리 구에서 61%, 100 mM NaCl 처리구에서 46%를 나타내었고 지하부의 상대 건물중은 10 mM NaCl 처리구에서 45%, 50 mM NaCl 처리구에서 28%, 100 mM NaCl 처 리구에서 17% 로 현저한 건물생산 저해를 보였다.
후속연구
- 또한 PEG 및 NaCl 처리에 의한 벼 식물체의 지상부와 지하부의 건물 생산량의 현저한 감소는 지상부보다 지하부에서 뚜렷하였으 며, 그 결과 PEG 및 NaCl 처 리 농도를 증가시 킴 에 따라 TR율 의 증가를 보였다. 상기의 결과로부터 건조 및 염 처리를 한 고체배지를 이용함으로써 벼의 경우 스트레스 처리 전 약 2 주간 유묘를 생육시키는 양액재배에 비해 발아기의 각종 스 트레스에 대한 식물체 반응의 관찰과 내성 특성 검정에 유용 할 것으로 사료된다.
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