[국내논문]카드뮴 처리에 대한 박달나무의 가계간 생장과 광합성 차이 Differences in Growth and Photosynthesis among Three Half-sib Families of Betula schmidtii in Response to Cd Treatment원문보기
본 연구는 카드뮴 처리에 대한 박달나무 유묘의 가계간 생장 차이와 광합성 특성을 구명하고자 실시하였다. 카드뮴 처리는 3가계의 박달나무 1년생 묘목에 0, 0.4, 0.8mM의 CdSO4 · H2O 용액을 이용하여 3수준으로 2개월간 실시하였다. 박달나무의 가계간 및 처리간 생장과 생리적 반응은 건중량, 상대생장율, 순양자수율 및 탄소고정효율을 이용하여 결정하였다. 0.4 mM과 0.8mM 카드뮴이 처리된 박달나무 유묘는 대조구와 비교해서 건중량과 상대생장율이 크게 감소하였으며, 박달나무 유묘의 생장 감소는 광합성 능력의 감소에 큰 영향을 받은 것으로 나타났다. 또한 순양자수율과 탄소고정효율은 카드뮴 처리로 감소하였으며, 모든 가계에서 카드뮴 농도가 증가함에 따라 감소 폭이 커졌다. 한편 카드뮴 처리에 의한 생장과 광합성 반응은 박달나무 가계간 뚜렷한 차이를 보여 카드뮴 내성은 가계간 유전적 요인이 작용하고 있음을 확인하였다.
본 연구는 카드뮴 처리에 대한 박달나무 유묘의 가계간 생장 차이와 광합성 특성을 구명하고자 실시하였다. 카드뮴 처리는 3가계의 박달나무 1년생 묘목에 0, 0.4, 0.8mM의 CdSO4 · H2O 용액을 이용하여 3수준으로 2개월간 실시하였다. 박달나무의 가계간 및 처리간 생장과 생리적 반응은 건중량, 상대생장율, 순양자수율 및 탄소고정효율을 이용하여 결정하였다. 0.4 mM과 0.8mM 카드뮴이 처리된 박달나무 유묘는 대조구와 비교해서 건중량과 상대생장율이 크게 감소하였으며, 박달나무 유묘의 생장 감소는 광합성 능력의 감소에 큰 영향을 받은 것으로 나타났다. 또한 순양자수율과 탄소고정효율은 카드뮴 처리로 감소하였으며, 모든 가계에서 카드뮴 농도가 증가함에 따라 감소 폭이 커졌다. 한편 카드뮴 처리에 의한 생장과 광합성 반응은 박달나무 가계간 뚜렷한 차이를 보여 카드뮴 내성은 가계간 유전적 요인이 작용하고 있음을 확인하였다.
The objective of this study was to understand differences among three half-sib families of Betula schmidtii seedlings in the effect of three Cd levels on growth and photosynthesis. One-year-old seedlings of B. schmidtii were treated with 0, 0.4 and 0.8 mM CdSO$_4$ㆍ8/3$H_2O$ for...
The objective of this study was to understand differences among three half-sib families of Betula schmidtii seedlings in the effect of three Cd levels on growth and photosynthesis. One-year-old seedlings of B. schmidtii were treated with 0, 0.4 and 0.8 mM CdSO$_4$ㆍ8/3$H_2O$ for two months. Growth and physiological responses to Cd treatment levels of three families determined using dry weight, relative height growth rate(RHGR), apparent quantum yield and carboxylation efficiency. The B. schmidtii seedlings exposed to 0.4 and 0.8 mM Cd showed statisticall significant decrease in dry weight and RHGR relative to controls. In addition, the growth inhibition of B. schmidtii seedlings was accompanied by a significant decrease in net photosynthesis measured as $CO_2$ assimilation. Apparent quantum yield and carboxylation efficiency were also affected by Cd treatment, undergoing a significant and progressive reduction with increasing Cd concentrations in all families. We also found significant difference among three families of B. schmidtii in growth, biomass and photosynthesis when exposed to Cd stress. Therefore the present study showed that the difference in Cd tolerance among families might be attributed to genetic factor in response to Cd stress.
The objective of this study was to understand differences among three half-sib families of Betula schmidtii seedlings in the effect of three Cd levels on growth and photosynthesis. One-year-old seedlings of B. schmidtii were treated with 0, 0.4 and 0.8 mM CdSO$_4$ㆍ8/3$H_2O$ for two months. Growth and physiological responses to Cd treatment levels of three families determined using dry weight, relative height growth rate(RHGR), apparent quantum yield and carboxylation efficiency. The B. schmidtii seedlings exposed to 0.4 and 0.8 mM Cd showed statisticall significant decrease in dry weight and RHGR relative to controls. In addition, the growth inhibition of B. schmidtii seedlings was accompanied by a significant decrease in net photosynthesis measured as $CO_2$ assimilation. Apparent quantum yield and carboxylation efficiency were also affected by Cd treatment, undergoing a significant and progressive reduction with increasing Cd concentrations in all families. We also found significant difference among three families of B. schmidtii in growth, biomass and photosynthesis when exposed to Cd stress. Therefore the present study showed that the difference in Cd tolerance among families might be attributed to genetic factor in response to Cd stress.
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문제 정의
보고되었다(이 등 2002, 2003). 따라서 본 연구는 박달나무를 오염지 토양 복원에 이용하기 위하여 카드뮴에 대한 정화 및 내성 능력이 우수한 가계를 선발하고자 하였으며, 또한 카드뮴이 처리된 박달나무의 생장과 광합성 반응이 가계간의 내성 능력을 비교 판단하는 요인이 될 수 있는지를 검정하고자 하였다.
제안 방법
9% 이었다. 실험 설계는 카드뮴 처리를 하지 않은 대조구와 처리 수준을 달리한 두 개의 처리 구로 구성하였으며, 가계 및 처리별로 30개체씩 완전 임의배치법으로 배치하였으며, 화분 위치에 따른 효과를 줄이기 위하여 1주일 간격으로 화분을 재배치하였다. 처리 수준은 CdSCU .
8 mM로 하였으며, 주 1~2회 토양의 건조 상태에 따라서 200 ml 씩 분주하였다. 처리 기간은 8월부터 9월까지 2개월간 처리하였으며, 카드뮴 처리 이외의 관수는 하지 않았다. 또한 카드뮴의 유실을 막기 위하여 화분 밑에 접시를 받쳐 실험을 수행하였다.
처리 기간은 8월부터 9월까지 2개월간 처리하였으며, 카드뮴 처리 이외의 관수는 하지 않았다. 또한 카드뮴의 유실을 막기 위하여 화분 밑에 접시를 받쳐 실험을 수행하였다.
토양 내 카드뮴 농도를 측정하기 위하여 박달나무를 수확한 후 토양을 채취하여 건조시켰다. 건조된 10 g의 토양에 0.
토양을 채취하여 건조시켰다. 건조된 10 g의 토양에 0.1N HC1 50 ml를 첨가하여 1시간 동안 교반한 후 여과하여 여액을 원자흡광굉도계(AA-6401, Shimadzu, Japan)를 이용하여 측정하였다.
카드뮴 처리 후 1주일 간격으로 수고를 측정하고, [Ln(X2)~ 山(打)]/(如々)의 식에 의해 상대생장율(relative growth rate)을 계산하였다(Beadle 1993). 여기서 x?와打은 생장 종료 후(小와 이식 초기“/)의 수고를 나타낸다.
광합성 측정은 LI-6400 휴대용 광합성 측정기(Ll-COR Inc., USA)를 이용하여 측정하였다. 광량을 임의로 조절할 수 있는 LED(light emitting diode) light source를 이용하여 카드뮴 처리 및 관수를 한 다음날 09:00부터 11:00 사이에 광합성을 측정하였으며, 측정시 leaf chamber의 조건은 온도 25℃, 상대습도 60%로 유지하였으며, 광량은 1100 iimol m~2 "'으로 고정하고, 잎의 생리적 연령 차이에 따른 오차를 줄이기 위하여 완전하게 성숙한 잎을 대상으로 30초 간격으로 5분간 측정하였다.
, USA)를 이용하여 측정하였다. 광량을 임의로 조절할 수 있는 LED(light emitting diode) light source를 이용하여 카드뮴 처리 및 관수를 한 다음날 09:00부터 11:00 사이에 광합성을 측정하였으며, 측정시 leaf chamber의 조건은 온도 25℃, 상대습도 60%로 유지하였으며, 광량은 1100 iimol m~2 "'으로 고정하고, 잎의 생리적 연령 차이에 따른 오차를 줄이기 위하여 완전하게 성숙한 잎을 대상으로 30초 간격으로 5분간 측정하였다. 광-광합성 곡선을 구하기 위하여 각 처리구별로 LED light source의 광량을 0, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 1500, 2000 (imol m-2 广으로 조절하면서 각 광량에 따른 광합성 양을 측정하였으며, A-Ci 곡선을 구하기 위하여 잎에 공급되는 CO2의 농도를 변화시켜엽육 내 CO2 농도를 변하게 하여 광합성 양을 측정하였다(김과 이 2001).
광량을 임의로 조절할 수 있는 LED(light emitting diode) light source를 이용하여 카드뮴 처리 및 관수를 한 다음날 09:00부터 11:00 사이에 광합성을 측정하였으며, 측정시 leaf chamber의 조건은 온도 25℃, 상대습도 60%로 유지하였으며, 광량은 1100 iimol m~2 "'으로 고정하고, 잎의 생리적 연령 차이에 따른 오차를 줄이기 위하여 완전하게 성숙한 잎을 대상으로 30초 간격으로 5분간 측정하였다. 광-광합성 곡선을 구하기 위하여 각 처리구별로 LED light source의 광량을 0, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 1500, 2000 (imol m-2 广으로 조절하면서 각 광량에 따른 광합성 양을 측정하였으며, A-Ci 곡선을 구하기 위하여 잎에 공급되는 CO2의 농도를 변화시켜엽육 내 CO2 농도를 변하게 하여 광합성 양을 측정하였다(김과 이 2001).
생체량은 카드뮴 처리가 끝난 후, 전식물체를 수확하여 물로 세척하여 이물질을 제거하고, 잎, 줄기, 뿌리로 구분하였고, 85 ℃의 건조기에서 48시간동안 건조한 후 건중량을 측정하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 박달나무는 태백시 소도동에 위치한 폐 탄광 지역에서 선발하였으며, 종자는 폐석지내에서 자생하는 박달나무 11개체를 대상으로 채취하였고, 국립산림과학원 산림유전자원부 구내 온실에서 종자를 발아시켜 반형매 차대 묘목을 얻었다. 11개 차대 1년생 묘목 중 잎, 줄기, 뿌리의 건중량, 상대생장율 등을 고려하여 생장이 우수한 3 가계(박달나무 4번, 5번, 9 번)를 선정하였다.
11개 차대 1년생 묘목 중 잎, 줄기, 뿌리의 건중량, 상대생장율 등을 고려하여 생장이 우수한 3 가계(박달나무 4번, 5번, 9 번)를 선정하였다.
데이터처리
8 mM Cd. Bars with the same letter are not significantly different at the 5% probability level by the Duncan's multiple range test. Each bar represents mean and standard deviation oi three replications.
성능/효과
카드뮴은 광합성, 생리적인 작용 및 양료 홉수 등에 장애를 주기 때문에 식물의 생장 감소를 유발하는 것으로 보고되었으며(Kahle 1993, Toppi and Gabbrielli 1999), 본 연구에서 카드뮴에 의한 생장 감소는 Table 1에 나타낸 바와 같이 가계별, 부위별로 다르게 나타났다. 4번과 5번 가계는 처리 농도가 증가함에 따라 지상부의 생체량이 감소하였고, 9번 가계의 경우에는 농도가 다른 두 처리구 모두에서 대조구와 비교해 생체량의 감소가 나타나지 않았다. S/R율은 모든 가계가 대조구보다 0.
4 mM 처리시는 가계간 S/R율의 차이가 나타나지 않았다. 또한 Fig. 1의 상대생장율에 나타난 것처럼, 대조구는 카드뮴 처리 약 8주 후 생장율이 감소한 반면, 0.4 mM 처리시 4번 가계와 5번 가계는 카드뮴 처리 약 4주가 지난 후, 9번 가계는 약 6주가 지난 후 생장 저해를 보이며, 0.8 mM 카드뮴 처리시 4번 가계는 약 3주가 지난 후, 5번과 9번 가계는 약 9주가 지난 후 생장 저해가 나타났다.
본 연구에서 카드뮴 처리 후, 카드뮴 0.4 mM 처리구에서의 토양 내 카드뮴 농도는 50 mg kg-1, 0.8 mM 처리구에서는 100 mg kgi으로 나타나 카드뮴 노출 농도가 비교적 높았음을 알 수 있었다. 그러나 높은 카드뮴 농도에 노출된 박달나무의 지상부 생장 및 생체량은 감소한 반면, 뿌리의 생장은 모든 가계 및 처리구에서 감소하지 않았다.
또한 카드뮴은 목부 세포벽을 분해하여 수분 수송에 장애를 주어 식물의 증산속도를 감소시키며, 뿌리의 생장 장애에 의한 수분 흡수 감소와 수송 장애에 의하여 기공 저항을 증가시켜 잎의 뒤틀림과 같은 피해증상을 나타낼 수 있다(Barcelo and Poschenreider 1990). 본 연구에서도 처리 농도가 증가함에 따라 광합성, 기공전도도, 증산속도가 뚜렷하게 감소하였다. 그러나 잎의 가시적 인 피해 증상은 나타나지 않았다.
그러나 잎의 가시적 인 피해 증상은 나타나지 않았다. 한편 생체량, S/R율의 변화 및 상대생장율의 변화와 같이 광합성, 기공전도도, 증산속도의 감소도 가계 간에 매우 다른 양상을 보였다.
5는 각 가계별 대조구의 순양자수율에 대한 처리구의 순양자수율의 비율을 나타낸 것이다. 그림에서 나타낸 바와 같이 9번 가계의 순양자수율은 0.4 mM 처리시 대조구의 91% 수준으로 다른 가계와 비교하여 가장 적게 감소하였으며, 5번 가계는 대조구의 72%로 크게 감소하였다. 0.
4 mM 처리시 대조구의 91% 수준으로 다른 가계와 비교하여 가장 적게 감소하였으며, 5번 가계는 대조구의 72%로 크게 감소하였다. 0.8 mM 처리시에는 5번 가계의 순양자수율이 대조구의 62%로 가장 크게 감소하였고, 9번 가계는 76%로 감소 폭이 가장 적었다.
1992). 본 연구에서도 순양자수율이 감소된 것에 따라서 카드뮴에 의하여 광화학계가 많은 피해를 입은 것을 확인할 수 있었으며, 카드뮴 처리 농도가 증가함에 따라서 피해 정도는 더 커지는 것으로 나타났다.
4 mM 처리 구에서 9번 가계의 탄소고정효율은 감소하지 않았으나, 4번 가계의 탄소고정효율은 대조구의 78%로 감소하였다. 0.8 mM 처리 구에서는 5번과 9번 가계의 경우 대조구의 67%와 69%로 감소하였지만, 4번 가계는 대조구의 56%로 감소 폭이 매우 컸다. 즉 탄소 고정효율은 가계에 따라서 다르게 나타났으며, 특히 0.
8 mM 처리 구에서는 5번과 9번 가계의 경우 대조구의 67%와 69%로 감소하였지만, 4번 가계는 대조구의 56%로 감소 폭이 매우 컸다. 즉 탄소 고정효율은 가계에 따라서 다르게 나타났으며, 특히 0.8 mM 처리구와 같이 높은 농도에서는 모든 가계의 탄소고정계가 Cd에 의해 피해를 입는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 종합한다면 카드뮴은 식물에 유해한 중금속으로 생리적인 작용에 장애를 주어 광합성 저해, 생장 감소를 유발한다.
8 mM 처리구와 같이 높은 농도에서는 모든 가계의 탄소고정계가 Cd에 의해 피해를 입는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 종합한다면 카드뮴은 식물에 유해한 중금속으로 생리적인 작용에 장애를 주어 광합성 저해, 생장 감소를 유발한다. 하지만 이러한 장애는 같은 종 내에서도 반형매 차대간에 차이가 나타나며, 이것은 Cd 내성에 대한 가계간 유전적 능력이 다르기 때문인 것으로 판단된다.
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