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문제 정의
- 본 실험에서는 X선 광원의 위상차 영상 기법을 활용하기 위하여 물관을 절개하여 인위적으로 생성시킨 물-공기 계면의 이동을 추적하였다. 그러나 건조와 재충전 과정을 반복하는 절개된 식물 샘플이 살아있는 식물 상태와 동일하다고는 할 수 없다.
제안 방법
- X선 영상 기법을 이용하여 애기장대 뿌리털 내부의 물관들과, 천공판(perforation plate)으로 추정되는 내부 구조물들의 위치, 각도 등에 대한 정보, 물-공기 계면의 거동을 실시간으로 가시화하였다(Fig. 4, 5). 물관의 직경은 8.
- 가속기 X선 영상기법을 이용하여 애기장대 뿌리털 내부의 물관 구조와 물흡수 과정을 가시화하고 분석하였다. 뿌리털 내부의 해부학적 구조와 긴 물관을 따라 일어나는 물흡수 과정을 가시화하였으며, 천공판(perforation plate) 부위에서 일정 시간 정지하였다가 재가속하는 현상이 나타났다.
- 가속기 X선은 샘플을 거쳐 scintilator 결정에서 가시광선으로 변환되며, 이를 현미경용 대물렌즈를 부착한 CCD 카메라로 촬영하였다(Fig. 1). 관측장(field of view)의 크기는 대물렌즈의 배율에 따라 결정된다.
- 물-공기 계면의 중심 좌표가 움직이는 변위 벡터를 구하고 각각의 영상 사이의 시간 간격을 나누어줌으로써 물이 차 올라가는 속도를 계산하였다. 물-공기 계면은 상승하는 도중에 천공판(perforation plate)으로 추정되는 물관 내부 구조물을 만나게 되면 일시적으로 감속하거나 일정 시간동안 상승을 멈추는 현상을 보여주었다.
- 2). 본 실험에서는 물-공기 계면의 상승 속도와 물관 내부 구조의 정밀도 등을 종합적으로 고려하여 10배율 대물 렌즈를 사용하였다.
- 높이가 약 25~30 cm인 애기장대(Arabidopsis)를 식물샘플로 선정하고 뿌리에 묻은 흙을 제거한 후 아크릴 지지대에 고정하였다. 아크릴 지지대에서 X선이 지나가는 부분은 투과율이 높은 켑톤 테잎으로 만들고, 실험용 hutch 외부에서 원격 조종이 가능한 2차원 스테이지에 샘플을 고정하여 시간에 따라 상승하는 물-공기의 계면을 연속으로 관찰하였다. 이 때 지지대의 수직방향 높이를 스텝 모터로 조절하여 계면이 항상 카메라 촬영 범위 안에 위치 하도록 하였다.
- 아크릴 지지대에서 X선이 지나가는 부분은 투과율이 높은 켑톤 테잎으로 만들고, 실험용 hutch 외부에서 원격 조종이 가능한 2차원 스테이지에 샘플을 고정하여 시간에 따라 상승하는 물-공기의 계면을 연속으로 관찰하였다. 이 때 지지대의 수직방향 높이를 스텝 모터로 조절하여 계면이 항상 카메라 촬영 범위 안에 위치 하도록 하였다. X선 입사 중에도 식물 샘플에 물을 공급하고 제거하기 위해 역시 hutch 외부에서 통제 가능하도록 튜브를 syringe와 연결하였다.
대상 데이터
- 높이가 약 25~30 cm인 애기장대(Arabidopsis)를 식물샘플로 선정하고 뿌리에 묻은 흙을 제거한 후 아크릴 지지대에 고정하였다. 아크릴 지지대에서 X선이 지나가는 부분은 투과율이 높은 켑톤 테잎으로 만들고, 실험용 hutch 외부에서 원격 조종이 가능한 2차원 스테이지에 샘플을 고정하여 시간에 따라 상승하는 물-공기의 계면을 연속으로 관찰하였다.
- X선 입사 중에도 식물 샘플에 물을 공급하고 제거하기 위해 역시 hutch 외부에서 통제 가능하도록 튜브를 syringe와 연결하였다. 지면에서 아래로 뿌리털의 길이가 약 1.5 cm인 것을 샘플로 선정하여 그 끝을 절개하고 공기 중에서 약 5분간 건조시킨 뒤 실험에 사용하였다. 절개된 뿌리 끝에 물을 공급하며 그 흡수 과정을 촬영하였고, 물을 빼고 다시 5분간 건조시킨 후 물을 재공급하며 촬영하는 과정을 반복하였으며, 물 흡수가 더이상 일어나지 않는 것으로 판단되면 종료하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 Lee와 Kim5-7)에 의해 개발된 가속기 X선 영상기법을 적용하였는데, 본 기법은 2 μm 이하의 우수한 공간 분해능으로 뿌리털 물관 내부 구조를 고해상도로 관찰할 수 있고, 충분한 강도의 결맞음(coherent)을 가진 X선 광원을 사용하므로 10 fps 이상의 높은 시간 분해능으로 선명한 상차(phasecontrast) 영상을 얻을 수 있다는 장점이 있어 식물 내부의 수액 거동을 가시화하는데 적합하다.
성능/효과
- 가속기 X선 영상기법을 이용하여 애기장대 뿌리털 내부의 물관 구조와 물흡수 과정을 가시화하고 분석하였다. 뿌리털 내부의 해부학적 구조와 긴 물관을 따라 일어나는 물흡수 과정을 가시화하였으며, 천공판(perforation plate) 부위에서 일정 시간 정지하였다가 재가속하는 현상이 나타났다. 재가속 될 때의 속도는 약 20 μm/s에서 1345 μm/s 사이에 분포하였다.
- 7은 물의 상승 속도와 올라온 물관의 길이 사이의 관계를 나타낸 것이다. 여기서 유속이 급격히 감속되어 y축(u=0)과 만나는 위치들을 확인한 결과 대체로 X선 영상에서 천공판과 같은 물관 구조물이 위치한 지점과 일치하는 것으로 나타났다.
- 재가속 될 때의 속도는 약 20 μm/s에서 1345 μm/s 사이에 분포하였다. 정지시간과 재가속 속도는 샘플 종류와 반복 실험 횟수에 따라 매우 크게 변화하였으며, 심지어 같은 물관 내에서도 다양한 값을 가졌다. 이것은 물관의 내부 조직 구조의 다양성에서 기인한 것으로 추정된다.
- 8 μm 범위에서 고르게 분포하였다. 카메라로 취득한 원천 영상(raw image)에 대비(contrast) 강화, sharpening 등과 같은 영상처리기법을 적용하여 큰 직경의 물관에서는 내부 조직 구조들의 각도, 물-공기 계면들의 곡률, 물관 벽과의 접촉각 등에 관한 정보를 확인할 수 있었다.
후속연구
- 그러나 건조와 재충전 과정을 반복하는 절개된 식물 샘플이 살아있는 식물 상태와 동일하다고는 할 수 없다. 실제 상황에서 in-vivo 실험 결과를 얻기 위해서는 식물 샘플의 절단/건조 과정 없이 살아있는 실제 생육 상태에서 물 이동을 가시화 할 수 있는 실험기법이 개발되어야 한다.
- 이러한 문제점에 대한 해법으로는 X선 영상에서 큰 흡수대비(absorption contrast)를 가지고 식물의 물관 내부의 유동에도 뛰어난 추종성을 가지는 금나노 입자와 같은 미세 입자를 추적 입자로 개발하고 이를 식물에 직접 투입하여 in vivo 조건에서 유동 정보를 추출하는 연구가 수행되어야 한다.
- 이러한 유동 현상은 물관 내부에 작용하는 음압과 밀접하게 관련된 것으로 추정되며, 이런 현상을 제대로 규명하기 위해서는 물관 내부의 압력 변화에 대한 정보를 얻을 필요가 있다. 이를 위해서는 물의 재충진 과정에 대한 가시화 실험과 동시에 물관 내부 압력을 비파괴 방식으로 측정할 수 있는 방법을 개발하여야 한다.
- 본 실험에서 10 sec 이상의 긴 시간 동안 상승이 정지한 경우들은 천공판이 유체 저항으로 크게 작용한 것으로 보인다. 향후 연구에서는 강한 유체 저항으로 작용한 천공판 부위들에 대해 SEM 영상을 찍고 그 형상과 정지 시간 사이의 연관성을 조사할 필요가 있다. 또한 실험하는 동안 실내 온도(24~25℃)와 광량은 일정하게 유지되었으나 습도는 정밀하게 통제되지 않았으며, 대체로 같은 깊이와 굵기를 가진 뿌리털을 선정하였으나 원뿌리(main root)에서 뻗어나온 곁뿌리(lateral root)의 밀도 등은 고려하지못하였다.
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