염화칼슘 처리가 산벚나무 엽의 엽록소형광반응과 광합성기구에 미치는 영향 Effect of Calcium Chloride($CaCl_2$) on Chlorophyll Fluorescence Image and Photosynthetic Apparatus in the Leaves of Prunus sargentii원문보기
겨울철 제설제로 사용되고 있는 염화칼슘($CaCl_2$)이 산벚나무(P. sargentii) 가로수에 미치는 영향을 조사하기 위해서, 염화칼슘 농도가 다른 수용액을 2회 처리 후 엽록소형광이미지와 광반응-광합성속도와 같은 광합성기구의 반응, 엽과 근원경 생장을 조사하였다. 3년생 산벚나무를 대상으로 개엽 전에 염화칼슘 0.5%(9 mM), 1.0%(18 mM), 3.0%(54 mM)를 2(1 L)회 뿌리둘레 부위에 처리하였다. 염화칼슘의 처리결과, 염화칼슘의 농도가 짙어짐에 따라 대조구에 비해 염화칼슘처리구의 총엽록소함량과 엽록소 a/b, 광합성속도, 양자수율, 암호흡이 감소하였다. 반면 광보상점은 염화칼슘의 농도가 높아짐에 따라 증가였다. 광합성과 양자수율, 암호흡, 광보상점과의 상관관계에서 양자수율과 광보상점에서 유의성이 나타났다(p<0.05). 한편, 최대형광($F_M$)과 최소형광($F_0$)의 차이인 Fv값의 형광이미지를 통해 빛을 이용하는 능력의 차이가 처리구와 대조구간에 확실하게 나타나는 것을 알 수 있었으며, 광계의 활성(Fv/$F_M$과 비광화학적 소멸(NPQ)의 처리 80일째 값이 모든 처리구에서 대조구에 비해 급격히 감소하였다. 이와 같은 결과로 염화칼슘 수용액에 의해서 산벚나무의 광합성, 동화기관 및 비대생장이 장애를 받고 있음을 알 수 있었다.
겨울철 제설제로 사용되고 있는 염화칼슘($CaCl_2$)이 산벚나무(P. sargentii) 가로수에 미치는 영향을 조사하기 위해서, 염화칼슘 농도가 다른 수용액을 2회 처리 후 엽록소형광이미지와 광반응-광합성속도와 같은 광합성기구의 반응, 엽과 근원경 생장을 조사하였다. 3년생 산벚나무를 대상으로 개엽 전에 염화칼슘 0.5%(9 mM), 1.0%(18 mM), 3.0%(54 mM)를 2(1 L)회 뿌리둘레 부위에 처리하였다. 염화칼슘의 처리결과, 염화칼슘의 농도가 짙어짐에 따라 대조구에 비해 염화칼슘처리구의 총엽록소함량과 엽록소 a/b, 광합성속도, 양자수율, 암호흡이 감소하였다. 반면 광보상점은 염화칼슘의 농도가 높아짐에 따라 증가였다. 광합성과 양자수율, 암호흡, 광보상점과의 상관관계에서 양자수율과 광보상점에서 유의성이 나타났다(p<0.05). 한편, 최대형광($F_M$)과 최소형광($F_0$)의 차이인 Fv값의 형광이미지를 통해 빛을 이용하는 능력의 차이가 처리구와 대조구간에 확실하게 나타나는 것을 알 수 있었으며, 광계의 활성(Fv/$F_M$과 비광화학적 소멸(NPQ)의 처리 80일째 값이 모든 처리구에서 대조구에 비해 급격히 감소하였다. 이와 같은 결과로 염화칼슘 수용액에 의해서 산벚나무의 광합성, 동화기관 및 비대생장이 장애를 받고 있음을 알 수 있었다.
There is a little information on the effect of calcium cloride ($CaCl_2$) which is used as deicing salt in Korea on the physiological responses of the street trees. Prunus sargentii is one of the most widespread tree species of street vegetation in Korea. In this study, the effect of
There is a little information on the effect of calcium cloride ($CaCl_2$) which is used as deicing salt in Korea on the physiological responses of the street trees. Prunus sargentii is one of the most widespread tree species of street vegetation in Korea. In this study, the effect of $CaCl_2$ on photosynthetic apparatus such as chlorophyll fluorescence image and light response curve of P. sargentii in relation to their leaf and root collar growth responses were investigated. To study the effect of $CaCl_2$ treatment in the early spring, we irrigated twice in rhizosphere of P. sargentii (3-year-old) planted plastic pots with solution of 0.5%, 1.0%, 3.0% $CaCl_2$ concentration before leaf expansion. Results after treatments, total chlorophyll contents and the chlorophyll a/b, photosynthetic rate, quantum yield, dark respiration decreased with increasing $CaCl_2$ concentration. On the contrary, light compensation point increased with increasing $CaCl_2$ concentration. Through the linear regressions of correlation of photosynthetic rate with photosynthetic parameters (quantum yield, dark respiration and light compensation point), we found a significant relationship (p<0.05) between photosynthetic rate and quantum yield and light compensation point except dark respiration. Calcium cloride ($CaCl_2$) induced inhibition of photochemical efficiency ($F_v/F_M$) and non-photochemical quenching (NPQ) were found in treatments of $CaCl_2$, and these reduction rates between control and CaCl2 treatments were drastically showed at 80 days. We suggest that physiological activities are limited from treatment of $CaCl_2$. These reductions of photosynthetic apparatus ability caused eventually the reduction of leaf and diameter at root collar growth.
There is a little information on the effect of calcium cloride ($CaCl_2$) which is used as deicing salt in Korea on the physiological responses of the street trees. Prunus sargentii is one of the most widespread tree species of street vegetation in Korea. In this study, the effect of $CaCl_2$ on photosynthetic apparatus such as chlorophyll fluorescence image and light response curve of P. sargentii in relation to their leaf and root collar growth responses were investigated. To study the effect of $CaCl_2$ treatment in the early spring, we irrigated twice in rhizosphere of P. sargentii (3-year-old) planted plastic pots with solution of 0.5%, 1.0%, 3.0% $CaCl_2$ concentration before leaf expansion. Results after treatments, total chlorophyll contents and the chlorophyll a/b, photosynthetic rate, quantum yield, dark respiration decreased with increasing $CaCl_2$ concentration. On the contrary, light compensation point increased with increasing $CaCl_2$ concentration. Through the linear regressions of correlation of photosynthetic rate with photosynthetic parameters (quantum yield, dark respiration and light compensation point), we found a significant relationship (p<0.05) between photosynthetic rate and quantum yield and light compensation point except dark respiration. Calcium cloride ($CaCl_2$) induced inhibition of photochemical efficiency ($F_v/F_M$) and non-photochemical quenching (NPQ) were found in treatments of $CaCl_2$, and these reduction rates between control and CaCl2 treatments were drastically showed at 80 days. We suggest that physiological activities are limited from treatment of $CaCl_2$. These reductions of photosynthetic apparatus ability caused eventually the reduction of leaf and diameter at root collar growth.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구는 가로수로 식재된 산벚나무를 대상으로 서로 다른 농도의 염화칼슘을 처리하여 빛을 포획하고 CO2를 흡수, 고정하는 광합성기구의 변화를 엽록소 형광방출 이미지를 통해 고찰하고 이에 따른 생장율의 변화를 통하여 근권부의 염화칼슘처리에 따른 산벚나무의 생리적 변화를 연구하고자 한다.
제안 방법
15분간의 암적응 후 FluorCam 소프트웨어의 quenching analysis 측정을 위한 프로토콜 템플릿을 이용하여(10 s pulses intensity 약 0.003 µmol m−2s−1)의 낮은 광에서 최초 측정되는 값을 F0, 그 후, 지속적인 actinic saturating light(약 2000 µmol photons m−2s−1)로 측정되는 최고 형광 값 F M 을 측정하였다.
각각의 염화칼슘 처리구당 세 본씩 무작위로 선정하여 전체 수고를 위에서부터 아래로 네 개의 그룹을 만들어 동일하게 두 번째 그룹의 위치에서 가지 가장자리 부분의 4~5개의 완전히 확장된 성숙한 엽을 채취 한 후, 절편 0.1 g을 10 mL의 DMSO(Dimethyl Sulfoxide)용액에 넣어 65℃ 건조기에서 6시간 30분 동안 추출한 후, 분광광도계(UV/Visible Diode Array, Walden Precision Apparatus Ltd., UK)를 사용하여 파장 663 nm와 645 nm에서 측정하여 Arnon(1949)의 방법(Chlorophyll a=12.7 A663-2.69 A645, Chloyophyll b=22.9 A645-4.68 A663, Total Chlorophyll = Chlorophyll a + Chlorophyll b)으로 산출하였다.
광반응곡선은 부착된 red-blue LED를 이용하여 PPFD(photosynthetic photon flux density) 0, 30, 50, 100, 300, 700, 1000, 1500, 2000 µmol photons m−2s−1으로 광도가 높은 곳에서 낮은 곳 순으로 설정하였다.
기온과 습도를 외부 환경조건과 동일하게 하기 위해 국립산림과학원(서울특별시 동대문구 회기로 57)의 온실 옆야외에 비가림막 구조물 설치(4 m×4 m)를 하여 3년생 산벚나무 유묘 중 수고가 비슷한 묘목을 대조구, 염화칼슘 0.5%, 1.0%, 3.0% 로 각 처리구당 3본씩 선정하여 배치하였다.
실험기간은 2007년 3월 29일부터 6월 17일까지 80일 동안 엽의 가시적인 피해 및 생리적인 변화를 모니터링 하였다.
염화칼슘 수용액의 처리는 실제 제설작업 시 사용하는 공업용 염화칼슘을 이용하여 각 농도에 맞게 완전히 용해하여 제조한 후, 엽이 나기 전인 이른 봄 2007년 3월 29일에 500 mL 씩 1차 처리를 하고 일주일 후에 같은 양을 2차 처리를 하였다.
엽록소형광반응 유도는 공시목을 암적응 후, 690 nm에가까운 붉은색의 엽록소 형광방출을 CCD(Charge-Coupled Device) 카메라와 비디오보드를 엽록소 형광 측정에 적용한 Portable HandyCam(FluorCam, Photon System Instruments Ltd., Brno, Czech Republic)를 이용하여 이미지화 하였다.
처리별 광합성속도(Net photosynthesis rate)는 휴대용광 합성측정기(Licor-6400, Li-cor Inc., USA)을 이용하여 엽록소 측정을 위해 채취하였던 동일한 위치에서 측정하였다.
포트 내 식재된 유묘의 토양으로부터 1 cm 위를 표시하며 실험초기와 실험 마지막 시기인 80 일째 근원경을 측정하여 근원경의 생장율을 구하였다.
데이터처리
또한 염화칼슘의 서로 다른 농도 처리구 간의 광합성율과 양자수율, 암호흡, 광보상점과의 관계를 Pearson의 상관분석을 통하여 분석하고, 상관관계가 유의성을 보이는 요소 간 회귀분석을 시행하였다.
엽내 광합성기구의 변수(총엽록소 함량, 엽록소 a와 b함량, 엽록소 a/b, 광합성속도, 양자수율, 암호흡, 광보상점, FV/FM, NPQ)들과 근원경 생장율에 대하여 염화칼슘의 서로 다른 농도 처리구 간의 차이를 GLM(General Linear Model)을 이용하여 검증하였고, Duncan multiple range test 를 통해서 p<0.05 수준에서 평균값 간의 차이를 분석하였다.
성능/효과
15 분간의 암적응후 최대 형광값(FM)과 최소 형광값(F0)의 차이에 의한 Figure 2의 형광반응이미지 결과를 통해 산벚나무의 엽이 염화칼슘처리에 따라 엽맥쪽으로 점차 붉은색이 사라지며 낮은 형광 값인 푸른색을 띄는 것을 알 수 있었다.
80 일째의 경우 3.0% 처리구의 엽이 이미 모두 고사하였으며, 0.5% 처리구에서부터 총엽록소함량의 감소 및 엽록소 a/b의 비율 감소가 나타났다.
a)와 엽록소 b (Chl. b)함량이 감소하였다. 총 엽록소함량의 경우 염화칼슘 0.
광반응 곡선을 통한 광합성기구의 값들을 비교하여 보면(Table 2), 흡수된 광자수에 대한 흡수된 이산화탄소의 비를 나타내는 양자수율(Φ, quantum yeild)은 40 일째 이미 대조구에 비해 0.5% 처리구에서 56% 의 감소율을 나타냈으며, 1.0% 처리구의 경우 40 일째와 80 일째 대조구에 비해 68%, 75% 로 감소율이 더 증가하였다.
염화칼슘 처리 전과 실험 마지막 80 일째의 근원경 측정후 생장율을 비교해 본 결과, 감소하는 광합성과 형광반응능력 곧, 광합성 기구능력의 쇠퇴로 인해 고농도의 염화칼슘 처리구일수록 생장율이 감소하였다. 대조구에 비해 0.5%, 1.0%, 3.0% 처리구의 근원경 생장율은 각각 45%, 49%, 89%가 감소하는 것으로 나타났다(Figure 4). 이와같은 결과는 염화칼슘처리가 빛을 포획하고 CO2를 고정하는 광합성기구의 피해로 인해 생장량에 영향을 미친 것으로 판단되었다.
대조구와 비교하여 염화칼슘처리에 따른 엽록소 a 의 감소 폭이 엽록소 b 의 감소 폭에 비해 크게 나타났기 때문에 엽록소 a/b의 경우 대조구에 비해 0.5% 처리구에서는 32%, 1.0% 처리 구에서는 55% 감소하였다.
5% 처리구에서부터 총엽록소함량의 감소 및 엽록소 a/b의 비율 감소가 나타났다. 또한, 염화칼슘처리구에서 양자수율(Φ)의 감소와 포화광도에서의 광합성속도의 감소 그리고 광보상점의 증가를 통해 산벚나무가 빛을 포획하고 CO2를 고정하는 능력에 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 형광반응 이미지를 통한 FV/FM 및 NPQ 역시 처리 80 일째가 되면서 0.
염화칼슘 처리 전과 실험 마지막 80 일째의 근원경 측정후 생장율을 비교해 본 결과, 감소하는 광합성과 형광반응능력 곧, 광합성 기구능력의 쇠퇴로 인해 고농도의 염화칼슘 처리구일수록 생장율이 감소하였다.
염화칼슘처리 40 일째와 80 일째의 광도변화에 따른 광합성속도의 변화를 살펴보면 광도가 증가함에 따라 광합성속도는 증가하는 일반적인 경향을 보인 가운데, 40 일째의 경우 대조구, 0.5%, 1.0%, 3.0% 처리구의 순서로 광합성속도가 낮아짐을 알 수 있었다.
5% 처리구에서부터 각각 30% 이상의 감소율을 나타냈다. 이러한 결과는 빛을 포획하고 이용하여 CO2를 고정하고 물질생산을 하는 광합성경로가 염화칼슘처리로 인해 직접적인 피해를 받는다는 것을 알 수 있었다. 따라서 염화칼슘 처리가 산벚나무의 생장 및 생리적 활동이 저해를 받으므로 염화칼슘의 제설제 사용 시에는 주의가 필요하다.
총 엽록소함량의 경우 염화칼슘 0.5% 와 1.0% 처리구는 각각 대조구에 비해 62%, 85% 감소하였다(Table 1).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광합성작용을 위해 1차적으로 빛을 수확하는 곳은 어디인가?
식물이 생장하기 위해서는 빛에너지를 이용하여 CO2를 고정하는 광합성작용이 필수이다. 1차적으로 빛을 수확하는 곳은 엽육세포내 엽록체안의 엽록소로써 엽록소에서 빛에너지를 흡수하게 되면 분자가 들뜬 상태가 되는데 이것을 안정된 상태의 바닥상태로 되돌리기 위해 광자를 방출하게 된다. 이때 이 광자는 붉은 빛의 형광의 형태로 방출되게 되는데, 이 엽록소 형광방출은 빛을 흡수하는 광계의 기능뿐만 아니라 광합성 전체의 기능과 스트레스에 대한 민감한 지표로 이용할 수 있다.
제설제로 이용되는 염화물계 화합물로는 무엇이 있는가?
특히, 겨울철과 이른 봄의 도로 제설제 살포로 인한 염분의 영향을 간과할 수 없다. 제설제로 이용되는 것은 염화물계 화합물로 NaCl, KCl, K2SO2 , Na2SO4, MgCl 등이 있다(Jonsson and Magnusdottir, 2007; Goodrich et al., 2009).
산벚나무는 어떤 특징이 있는 식물인가?
산벚나무는 낙엽활엽교목으로 한국이 원산지로 일본 및중국에도 분포한다. 내한성이 강하여 전국 어디서나 적응 성이 강하고 양수의 특징을 가지며, 봄에 엽과 같이 피는 꽃이 화려하고 가을에 붉게 물드는 붉은 자색의 수피는 대중적인 아름다움을 주어 공원수나 가로수 소재로 적합 하다(국가생물종지식정보시스템, 2009). 2008년 산림청 가로수조성현황을 보면 전체 식재 본 4,527천본 중 벚나무, 은행나무, 플라타너스, 느티나무가 전체의 75%를 차지하 는데, 이중 벚나무의 경우 1.
Abreu, M.E. and Munne-Bosch, S. 2008. Salicylic acid may be involved in the regulation of drought-induced leaf senescence in perennials: A case study in field-grown Salvia officinalis L. plants. Environmental and Experimental Botany 64(2): 105-112.
Ashraf, M., Arfan, M., Shahbaz, M., Ahmad, M. and Jamil, A. 2002. Gas exchange characteristics and water relation in some elite skra cultivars under water deficit. Photosynthetica 40(4): 615-620.
Galmes, J., Ribas-Carbo, M., Medrano, H. and Flexas, J. 2007. Response of leaf respiration to water stress in Mediterranean species with different growth forms. Journal of Arid Environments 68: 206-222.
Glynn, C.P., Gillia, A.F. and Oxenham, G. 2003. Foliar salt tolerance of Acer genotypes using chlorophyll fluorescence. Journal of Arboriculture 29(2): 61-65.
Gratani, L., Varone, L. and Catoni, R. 2008. Relationship between net photosynthesis and leaf respiration in Mediterranean evergreen species. Photosynthetica 46(4): 567-573.
Goodrich, B.A., Koski, R.D. and Jacobi, W.R. 2009. Condition of soils and vegetation along roads treated with magnesium chloride for dust suppression. Water, Air, Soil Pollution 198: 165-188.
Jonsson, T.H. and Magnusdottir, M.L. 2007. Salt-related suppression of bud break in Populus trichocarpa: Cost of inclusion, ion-specific or osmotic effects? Icelandic Agricultural Sciences 20: 35-47.
Lawson, T., Lefebvre, S., Baker, N.R., Morison, J.I.L. and Baines, C.A. 2008. Reductions in mesophyll and guard cell photosynthesis impact on the control of stomatal responses to light and $CO_2$ . Journal of Experimental Botany 59(13): 3609-3619.
Lu, C.M., Qiu, N.W., Lu, Q.T., Wang, B.S. and Kuang, T.Y. 2002. Dose salt stress lead to increased susceptibility of photosystem to photoinhibition and changes in photosynthetic pigment composition in halophyte Suaeda salsa grown outdoors? Plant Science 163: 1063-1068.
Maricle, B.R., Lee, R.W., Hellquist, C.E. Kirasts, O. and Edwards, G.E. 2007. Effects of salinity on chlorophyll fluorescence and $CO_2$ fixation in C4 estuarine grasses. Photosynthetica 45(3): 433-440.
Masojidek, J., Torzillo, G., Kopecky, J., Koblzek, M., Nidiaci, L., Komenda, J., Lukavska, A. and Sacchi, A. 2000. Change in chlorophyll fluorescence quenching and pigment composition in the green Chlorococcum sp. Grown under nitrogen deficiency and salinity stress. Journal of Applied Phycology 12: 417-426.
Muraoka, H., Koizumi, H. and Pearcy, R.W. 2003. Leaf display and photosynthesis of tree seedlings in a cool temperate deciduous broad leaf forest understory. Oecologia 135: 500-509.
Poorter, H., Remkes, C. and Lambers, H. 1990. Carbon and nitrogen economy of 24 wild species differing in relative growth rate. Plant physiology 94: 621-627.
Timm, H.C., Stegemann, J. and Kuppers, M. 2002. Photosynthetic induction strongly affects the light conpensation point of net photosynthesis and coincidentally the apparent quantum yield. Trees 16: 47-62.
Wang, R., Chen, S., Zhou, X., Shen, X., Deng, L., Zhu, H., Shao, J., Shi, Y., Dai, S., Fritz, E., Huttermann, A., and Polle, A. 2008. Ionic homeostasis and reactive oxygen species control in leaves and xylem sap of two poplars subjected to NaCl stress. Tree physiology 28: 947-957.
Zhang, X., Wollenweber, B., Jiang, D., Liu, F. and Zhao, J. 2008. Water deficits and heat shock effects on photosynthesis of a transgenic Arabidopsis thaliana constitutively expressing ABP9, a bZIP transcription factor. Journal of Experimental Botany 59(4): 839-848.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.