[국내논문]온도와 $CO_{2}C$ 농도에 따른 배추의 광합성특성 및 세포조직의 변화 Photosynthetic Characteristics and Cellular Tissue of Chinese Cabbage are Affected by Temperature and $CO_{2}C$ Concentration원문보기
본 연구는 배추 재배시 기후변화에 대비하여 고온과 고농도의 이산화탄소 조건에서 생육반응과 세포조직의 변화를 알아보고자 수행하였다. 처리는 '대기중 온도+대기중 $CO_{2}$ 농도(Control)', '대기중 온도+대기보다 $CO_{2}$ 2배 상승(Elevated $CO_{2}$)' '(대기온도보다 4$^{\circ}C$ 상승+대기중 $CO_{2}$ 농도(Elevated temp.)', '대기온도보다 4$^{\circ}C$ 상승+대기보다 $CO_{2}$ 2배 상승(Elevated temp.+$CO_{2}$)'의 4가지 조건으로 처리하였다. 그 결과, 대기조건보다 온도만 높아지게 되면 배추의 생체중이 현저하게 저하되어 수량이 떨어지는 것으로 나타났고, 온도가 높아지고 $CO_{2}$ 농도가 동시에 올라가게 되면 생육이 어느정도 회복되는 것으로 나타났다. 또한 칼륨과 인산함량은 처리별로 차이가 없었지만 칼슘과 총질소함량은 온도만 높인 처리에서 높았고, 마그네슘 함량은 온도와 $CO_{2}$ 농도를 동시에 높인 처리에서 높게 나타났다. 배추잎의 세포 관찰결과 $CO_{2}$ 농도를 2배 정도 높인 처리에서 잎내의 전분함량이 증가하는 것으로 나타났고, 온도만 높인 처리에서 전분 함량이 가장 낮았다.
본 연구는 배추 재배시 기후변화에 대비하여 고온과 고농도의 이산화탄소 조건에서 생육반응과 세포조직의 변화를 알아보고자 수행하였다. 처리는 '대기중 온도+대기중 $CO_{2}$ 농도(Control)', '대기중 온도+대기보다 $CO_{2}$ 2배 상승(Elevated $CO_{2}$)' '(대기온도보다 4$^{\circ}C$ 상승+대기중 $CO_{2}$ 농도(Elevated temp.)', '대기온도보다 4$^{\circ}C$ 상승+대기보다 $CO_{2}$ 2배 상승(Elevated temp.+$CO_{2}$)'의 4가지 조건으로 처리하였다. 그 결과, 대기조건보다 온도만 높아지게 되면 배추의 생체중이 현저하게 저하되어 수량이 떨어지는 것으로 나타났고, 온도가 높아지고 $CO_{2}$ 농도가 동시에 올라가게 되면 생육이 어느정도 회복되는 것으로 나타났다. 또한 칼륨과 인산함량은 처리별로 차이가 없었지만 칼슘과 총질소함량은 온도만 높인 처리에서 높았고, 마그네슘 함량은 온도와 $CO_{2}$ 농도를 동시에 높인 처리에서 높게 나타났다. 배추잎의 세포 관찰결과 $CO_{2}$ 농도를 2배 정도 높인 처리에서 잎내의 전분함량이 증가하는 것으로 나타났고, 온도만 높인 처리에서 전분 함량이 가장 낮았다.
Numerous studies have presented evidence that global atmospheric carbon dioxide ($CO_{2}$ ) concentration and temperature is increasing every year. Both of the $CO_{2}$ and temperature are important components for photosynthesis activity of plants and thusgrowth and yield. Howe...
Numerous studies have presented evidence that global atmospheric carbon dioxide ($CO_{2}$ ) concentration and temperature is increasing every year. Both of the $CO_{2}$ and temperature are important components for photosynthesis activity of plants and thusgrowth and yield. However, little information is available in terms of the reaction of vegetable plants to increased $CO_{2}$ concentration and temperature, and also the reaction to a complex condition of both increased $CO_{2}$ concentration and temperature. The aim of this research was therefore to investigate changes in growth, photosynthetic activity and ultra-cellular structure of leaf tissue of Chinese cabbage. Plants were grown under either of elevated $CO_{2}$ concentration (elevated $CO_{2}$, 2-fold higher than atmospheric $CO_{2}$ ) or elevated temperature (elevated temp, 4$^{\circ}C$ higher than atmospheric temperature), under both of elevated $CO_{2}$ concentration and elevated temperature (elevated temp+$CO_{2}$), and under atmospheric $CO_{2}$ concentration and temperature (control). The treatment of 'elevated temp' negatively affected leaf area, fresh weight, chlorophyll and starch content. However, when the treatment of 'elevated temp' was applied coincidently with the treatment of 'elevated $CO_{2}$', growth and photosynthetic performance of plants were as good as those in the treatment of 'elevated $CO_{2}$', Microscopic study resulted that the highest starch content and density of cells were observed in the leaf tissue grown at the treatment of 'elevated $CO_{2}$', whereas the lowest ones were observed in the leaf tissue grown at the treatment of 'elevated temp'. These results suggest that when Chinese cabbage grows under a high-temperature condition, supplement of $CO_{2}$ would improve the growth and yield. In our knowledge, it is the first time to determine the effect of a complex relationship between the increased $CO_{2}$ concentration and temperature on the growth of Chinese cabbage.
Numerous studies have presented evidence that global atmospheric carbon dioxide ($CO_{2}$ ) concentration and temperature is increasing every year. Both of the $CO_{2}$ and temperature are important components for photosynthesis activity of plants and thusgrowth and yield. However, little information is available in terms of the reaction of vegetable plants to increased $CO_{2}$ concentration and temperature, and also the reaction to a complex condition of both increased $CO_{2}$ concentration and temperature. The aim of this research was therefore to investigate changes in growth, photosynthetic activity and ultra-cellular structure of leaf tissue of Chinese cabbage. Plants were grown under either of elevated $CO_{2}$ concentration (elevated $CO_{2}$, 2-fold higher than atmospheric $CO_{2}$ ) or elevated temperature (elevated temp, 4$^{\circ}C$ higher than atmospheric temperature), under both of elevated $CO_{2}$ concentration and elevated temperature (elevated temp+$CO_{2}$), and under atmospheric $CO_{2}$ concentration and temperature (control). The treatment of 'elevated temp' negatively affected leaf area, fresh weight, chlorophyll and starch content. However, when the treatment of 'elevated temp' was applied coincidently with the treatment of 'elevated $CO_{2}$', growth and photosynthetic performance of plants were as good as those in the treatment of 'elevated $CO_{2}$', Microscopic study resulted that the highest starch content and density of cells were observed in the leaf tissue grown at the treatment of 'elevated $CO_{2}$', whereas the lowest ones were observed in the leaf tissue grown at the treatment of 'elevated temp'. These results suggest that when Chinese cabbage grows under a high-temperature condition, supplement of $CO_{2}$ would improve the growth and yield. In our knowledge, it is the first time to determine the effect of a complex relationship between the increased $CO_{2}$ concentration and temperature on the growth of Chinese cabbage.
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문제 정의
본 연구는 배추 재배시 기후변화에 대비하여 고온과 고농도의 이산화탄소 조건에서 생육반응과 세포조직의 변화를 알아보고자 수행하였다. 처리는, 대기중 온도+ 대기중 CO2 농도(Control), , , 대기중 온도+대기보다 CO2 2배 상승(Elevated CO2)', , 대기온도보다 4°C 상승+대기중 CO2 농도(Elevated temp.
따라서 본 연구는 CO2 농도가 2배로 증가하고 온도가 4°C 상승하였을 때 배추의 생육반응과 광합성능력 , 세포조직의 변화 등을 알아보고자 실시하였다.
제안 방법
생육조사는 파종 후 97일에 수행하였다. 생육조사항목은 엽수, 엽장, 엽폭, 엽면적 등을 조사하였고, 생체중을 측정한 후 80°C 건조기에서 4&시간 건조한 후무게를 측정하였다.
생육조사항목은 엽수, 엽장, 엽폭, 엽면적 등을 조사하였고, 생체중을 측정한 후 80°C 건조기에서 4&시간 건조한 후무게를 측정하였다. 엽록소 함량은 잎이 가장 큰 것을 대상으로chlorophyll meter(model SPAD-502, Minolta, Japan)를 사용하여 측정하였다.
생육조사항목은 엽수, 엽장, 엽폭, 엽면적 등을 조사하였고, 생체중을 측정한 후 80°C 건조기에서 4&시간 건조한 후무게를 측정하였다. 엽록소 함량은 잎이 가장 큰 것을 대상으로chlorophyll meter(model SPAD-502, Minolta, Japan)를 사용하여 측정하였다.
식물체 분석을 위해 건물중을 조사하고 건조된 잎을분쇄포트를 이용하여 곱게 분쇄하였다. 시료 0.
광합성 측정 조건은 광합성측정기(LI-6400, LI- COR., USA)로 파종 후 50일에 측정하였으며 측정조건은 인공광 l, 000|imol, 온도 20°C, CO2는 대기농도 처리구의 경우 350mg . L-1, 2배 농도 처리구는 700mg .
세포 조직 관찰은 파종 후 90일에 배추 잎의 일부분을 채취한 후 1차 고정액 2.5% glutarldehyde에 넣은 즉시 모든 과정은 40(2에서 진행되었으며 1차 고정 90분간 처리, 0.1M phosphate buflfer(pH 7.2)로 15 분 간격 4~5회 세척, 2차 고정 1% osmium tetroxide 분간 처리, 위와 동일한 세척 과정 후 하룻밤을 침지시켰다. 탈수는 상온에서 40, 60, 80, 90, 95% ethanol 로 각각 5분씩, 100% ethanol로 5, 15, 15, 30분간처리로 이루어졌으며 propylene oxide로 치환 후 최종적으로 epon에 포매 (embedding)하여 60℃(2의 오븐에서 4일간 중합시켰다.
2)로 15 분 간격 4~5회 세척, 2차 고정 1% osmium tetroxide 분간 처리, 위와 동일한 세척 과정 후 하룻밤을 침지시켰다. 탈수는 상온에서 40, 60, 80, 90, 95% ethanol 로 각각 5분씩, 100% ethanol로 5, 15, 15, 30분간처리로 이루어졌으며 propylene oxide로 치환 후 최종적으로 epon에 포매 (embedding)하여 60℃(2의 오븐에서 4일간 중합시켰다. 중합된 epon block을 초미세절편기 (Ultracut R, Leica Co.
탈수는 상온에서 40, 60, 80, 90, 95% ethanol 로 각각 5분씩, 100% ethanol로 5, 15, 15, 30분간처리로 이루어졌으며 propylene oxide로 치환 후 최종적으로 epon에 포매 (embedding)하여 60℃(2의 오븐에서 4일간 중합시켰다. 중합된 epon block을 초미세절편기 (Ultracut R, Leica Co., Austria)를 이용하여 l, 500nm의 두께로 시료를 절단하여 P.A.S. 염색법으로 염색한 후 광학현미경(Axioskop 2, Carl Zeiss Co., Germany) 100배로 검경하였다.
알아보고자 수행하였다. 처리는, 대기중 온도+ 대기중 CO2 농도(Control), , , 대기중 온도+대기보다 CO2 2배 상승(Elevated CO2)', , 대기온도보다 4°C 상승+대기중 CO2 농도(Elevated temp.)', , 대기온도보다 4°C 상승+대기보다 CO2 2배 상승(Elevated temp.+ CO?)'의 4가지 조건으로 처리하였다. 그 결과, 대기조건보다 온도만 높아지게 되면 배추의 생체중이 현저하게 저하되어 수량이 떨어지는 것으로 나타났고, 온도가높아지고 CO2 농도가 동시에 올라가게 되면 생육이어느정도 회복되는 것으로 나타났다.
대상 데이터
+CO, '의 4가지 처리조건을 설정한 phytotron에서 재배하였다. 배추 종자 파종은 4월 7일, 높이 40cm, 폭 30cm의 플라스틱 포트에 육묘용 상토 (바로커, 서울농자재)를 채운 후 직파하였다. 처리는 4 월 22일부터 실시하였다.
이론/모형
이용하여 곱게 분쇄하였다. 시료 0.5g에황산 10ml과 분해 촉진제 0.5g을 가한 후 3시간 동안 분해 후 Kjeldahl 방법 (Eastin, 1978)으로 전질소 (T-N) 함량을 분석하였다. 또한 양이온 분석을 위해분쇄된 시료 0.
성능/효과
결과이다. 배추의 엽수, 엽장, 엽면적은 처리간에 유의성을 보이지 않았지만 엽록소함량은 대기조건에서 높게 나타났고, 온도와 CO2 농도를 동시에 올린 처리에서 낮게 나타났다. 생체중은 대기조건에서 좋았고, CO2 농도를 높인 처리에서 온도만을 높인 처리에 비해서 높게 나타났다.
배추의 엽수, 엽장, 엽면적은 처리간에 유의성을 보이지 않았지만 엽록소함량은 대기조건에서 높게 나타났고, 온도와 CO2 농도를 동시에 올린 처리에서 낮게 나타났다. 생체중은 대기조건에서 좋았고, CO2 농도를 높인 처리에서 온도만을 높인 처리에 비해서 높게 나타났다. 이와같은 결과는 배추의 경우 일정한 크기에 이른 다음 결구가 되는 작물이기 때문에 엽수, 엽장 및 엽면적에서는 차이를 보이지 않은것으로 사료되며, 온도와 co2 농도가 동시에 높아지면 생육이 크게 저하되지 않음을 알 수 있었다.
이와같은 결과는 배추의 경우 일정한 크기에 이른 다음 결구가 되는 작물이기 때문에 엽수, 엽장 및 엽면적에서는 차이를 보이지 않은것으로 사료되며, 온도와 co2 농도가 동시에 높아지면 생육이 크게 저하되지 않음을 알 수 있었다. 즉, 기상이변으로 온도만 4°C 이상 상승하면 배추의 생육은 현저하게 떨어지게 되고, 온도가 높은 상태에서 co2 농도가 올라가면 생육이 호전되는 것으로 사료되었다. 이와 같은 결과는 무의 경우 대기중의 온도보다 5°C 상승시키면 생육이 저하되고, C02 농도를 2배 정도 올려주면 생육이 회복되었다(Lee 등, 2006)는 보고와 같은 양상이었다.
m-2s-1 정도를 보였다. 이것은 배추 재배시 CO2 농도를 대기보다 2배 정도 높여주면 광합성능력이 좋아지는 것으로 나타났고, 온도를 4°C 높인 처리는 고온의 영향으로 광합성능력이 오히려 떨어진다는 것을 시사하였다. 아울러 온도가 상승되어 광합성속도가 떨어지면 CO2 농도를 동시에 높여 주어 낮아진 광합성능력을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
L-1으로 처리하면 광합성능력이 좋아졌다는 보고 (Lee 등, 2006)와도 같은 결과를 보였고, Lee 등 (2007)이 상추에서 CO2 농도를 l, 000mg . L-1까지 올리면 생장량이 지속적으로 증가하였다는 내용과도 유사하여 배추의 경우 이상기후에 따른 대기중의 CO2 농도가 2배 정도까지 상승하는 것은 광합성능력을 오히려 좋게 한다는 결과를 얻었다.
파종후 97일의 배추 잎의 처리별 무기성분을 분석한 결과(Table 3), 칼륨 함량은 4.42-5.11%, 인산함량은 1.61T.75%로 처리가 유의성이 없었다. 칼슘 함량은온도만 높인 처리에서 가장 높았으며 대기조건과 CO2 농도만 높인 처리구가 2.
75%로 처리가 유의성이 없었다. 칼슘 함량은온도만 높인 처리에서 가장 높았으며 대기조건과 CO2 농도만 높인 처리구가 2.86과 2.65로 낮았다. 마그네슘은 온도와 CO2 농도를 동시에 높인 처리구가 높았고, 총 질소함량은 온도만을 높인 처리구가 C02 농도만을 높인 처리구에 비해 높았다.
65로 낮았다. 마그네슘은 온도와 CO2 농도를 동시에 높인 처리구가 높았고, 총 질소함량은 온도만을 높인 처리구가 C02 농도만을 높인 처리구에 비해 높았다. 배추의 경우 C02 농도만을 높인 처리에서 낮았고, 온도를 높인 처리에서높게 나타났다.
1)를 보면 CO2 농도를 높인 처리에서 검은색점(전분, starch)들이 많이 있었다. 또한 CO2 농도와온도를 동시에 높인 처리에서도 CO2 농도만을 높인처리보다는 적게 나타났지만 온도만을 높인 처리보다전분이 많이 남아 있었다. 이것은 온도만 높인 처리에서는 호홉작용이 활발하여 양분의 소모가 많았기 때문에 전분의 량이 적은 것으로 사료된다.
따라서 이상기상 현상으로 온도와 CO2 농도가 높아지면 배추의 과중이 저하되므로 재배 기간동안 온도가 높지 않은 시기로 재배작기를 조절하거나 고랭지 지역으로 이동할 필요성이 있으며, 온도가 높은 시기에 재배할 경우에는 CO2 농도를 2배 정도 높여주면 생육및 수량감소를 줄일 수 있을 것으로 사료되었다.
+ CO?)'의 4가지 조건으로 처리하였다. 그 결과, 대기조건보다 온도만 높아지게 되면 배추의 생체중이 현저하게 저하되어 수량이 떨어지는 것으로 나타났고, 온도가높아지고 CO2 농도가 동시에 올라가게 되면 생육이어느정도 회복되는 것으로 나타났다. 또한 칼륨과 인산함량은 처리별로 차이가 없었지만 칼슘과 총질소함량은 온도만 높인 처리에서 높았고, 마그네슘 함량은 온도와 co2 농도를 동시에 높인 처리에서 높게 나타났다.
그 결과, 대기조건보다 온도만 높아지게 되면 배추의 생체중이 현저하게 저하되어 수량이 떨어지는 것으로 나타났고, 온도가높아지고 CO2 농도가 동시에 올라가게 되면 생육이어느정도 회복되는 것으로 나타났다. 또한 칼륨과 인산함량은 처리별로 차이가 없었지만 칼슘과 총질소함량은 온도만 높인 처리에서 높았고, 마그네슘 함량은 온도와 co2 농도를 동시에 높인 처리에서 높게 나타났다. 배추 잎의 세포 관찰결과 C02 농도를 2배 정도높인 처리에서 잎내의 전분함량이 증가하는 것으로나타났고, 온도만 높인 처리에서 전분 함량이 가장 낮았다.
또한 칼륨과 인산함량은 처리별로 차이가 없었지만 칼슘과 총질소함량은 온도만 높인 처리에서 높았고, 마그네슘 함량은 온도와 co2 농도를 동시에 높인 처리에서 높게 나타났다. 배추 잎의 세포 관찰결과 C02 농도를 2배 정도높인 처리에서 잎내의 전분함량이 증가하는 것으로나타났고, 온도만 높인 처리에서 전분 함량이 가장 낮았다.
후속연구
이것은 배추 재배시 CO2 농도를 대기보다 2배 정도 높여주면 광합성능력이 좋아지는 것으로 나타났고, 온도를 4°C 높인 처리는 고온의 영향으로 광합성능력이 오히려 떨어진다는 것을 시사하였다. 아울러 온도가 상승되어 광합성속도가 떨어지면 CO2 농도를 동시에 높여 주어 낮아진 광합성능력을 높일 수 있을 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 가을배추 재배시 일반 대기조건보다 온도를 5°C 높여주고 CO2 농도를 6500mg.
+COj' 처리에서 세포가크고, 울타리 조직의 두께가 두꺼웠다는 보고(Lee 등, 2008)와 상이하였다. 이것은 무 뿌리와 배추 잎의 생장 환경이 다르기 때문으로 사료되었고, 이에 대해서는 지속적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
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