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문제 정의
- 국내 자생 수생식물인 창포의 중금속 카드뮴(Cd)에 대한 생리적･구조적 장해를 알아보고자 본 연구를 실시하였다. Cd 농도에 따른 생장률, 광합성, 뿌리활력의 생리적 반응과 잎과 뿌리 조직의 해부학적 상해 반응을 조사하였다.
- 따라서 본 연구는 관상가치와 더불어 환경복원적 이용가치가 높은 자생 창포를 대상으로 Cd에 대한 환경복원적 적용범위를 판단하고자 생리적, 구조적 장해를 조사하였다.
제안 방법
- 국내 자생 수생식물인 창포의 중금속 카드뮴(Cd)에 대한 생리적･구조적 장해를 알아보고자 본 연구를 실시하였다. Cd 농도에 따른 생장률, 광합성, 뿌리활력의 생리적 반응과 잎과 뿌리 조직의 해부학적 상해 반응을 조사하였다. 잎이 5매 전개된 식물체를 대상으로 Cd 농도를 반치사농도 범위 이하 조건에서 0(control), 10, 25, 50μM로 15일간 처리하였다.
- Cd 처리 농도는 Lee and Kim(2011)이 보고한 창포에 대한 반치사량 농도 범위 내에서 CdCl2･2.5H2O(Kanto Chemical Co., INC., FW: 228.35)를 이용하여 0, 10, 25, 50μM로 조정하였으며, 중금속 연구에서 일반적으로 적용하는 처리기간인 15일을 기준으로 Cd 농도별로 10주씩 3반복으로 처리하였다(Sandalio et al., 2001).
- Cd처리에 따른 창포 엽육과 뿌리 조직의 구조적 상해 반응을 알아보고자 광학현미경을 이용한 조직 내부의 해부학적 조사와 전자현미경을 이용한 조직 표면의 형태학적 조사를 실시하였다. 먼저 엽육과 뿌리 조직 내부의 해부학적 상해 정도를 조사하였다.
- The photosynthesis was measured at PPFDs of 0, 50, 100, 300, 500, 1000, 1500, and 2000 μmol･m-2･s -1, leaf temperature of 25℃, relative humidity of 60-65%, CO2 concentration of 400 ppm, and air flow rate of 500 μmol･s -1.
- 광도에 따른 광합성 측정을 위해 광합성유효광양자속(photosynthetic photon flux density, PPFD)을 0, 50, 100, 300, 500, 1000, 1500, 2000μmol･m-2･s-1로 조절하였고, 이 때 온도, 상대습도, CO2 농도 및 공기유속은 각각 25℃, 60-65%, 400ppm, 500μmol･s-1로 일정하게 유지하였다.
- 5g에 대한 건물중으로 나누어 뿌리활력을 구하였다. 광합성(photosynthetic rate, Pn)은 뿌리활력 측정 시점과 동일하게 Cd 처리 15일 경과된 식물체의 기부로부터 3번째 전개된 잎을 대상으로 Li-6400(Li-cor Inc., USA)을 이용하여 측정하였다. 광도에 따른 광합성 측정을 위해 광합성유효광양자속(photosynthetic photon flux density, PPFD)을 0, 50, 100, 300, 500, 1000, 1500, 2000μmol･m-2･s-1로 조절하였고, 이 때 온도, 상대습도, CO2 농도 및 공기유속은 각각 25℃, 60-65%, 400ppm, 500μmol･s-1로 일정하게 유지하였다.
- 2)로 20분 간격으로 4회 세척한 후 마지막으로 phosphate buffer에서 하룻밤 경과하였다. 다음으로 40, 60, 80, 90, 95% ethanol로 각각 5분씩 그리고 100% ethanol로 5, 15, 30분간 탈수하였고 Epon resin에 포매(embedding)시켰다. 초미세절단기(Ultra R.
- Cd처리에 따른 창포 엽육과 뿌리 조직의 구조적 상해 반응을 알아보고자 광학현미경을 이용한 조직 내부의 해부학적 조사와 전자현미경을 이용한 조직 표면의 형태학적 조사를 실시하였다. 먼저 엽육과 뿌리 조직 내부의 해부학적 상해 정도를 조사하였다. Cd 처리 15일 경과된 식물체를 대상으로 엽육조직의 경우 기부로부터 3번째 전개된 잎의 선단부 10mm, 뿌리조직의 경우 근단 10mm를 대상으로 채취한 생체 절편을 2.
- 생리적 상해로는 지상부와 지하부를 포함한 생체량, 초장, 뿌리활력 및 광합성을 조사하였다. 모든 조사는 15일간의 Cd 처리 후 실시하였다. 생체량과 초장은 실험 전과 실험 후로 구분하여 Cd 농도에 따른 일 평균 증가율로 비교하였다.
- 생리적 상해로는 지상부와 지하부를 포함한 생체량, 초장, 뿌리활력 및 광합성을 조사하였다. 모든 조사는 15일간의 Cd 처리 후 실시하였다.
- 모든 조사는 15일간의 Cd 처리 후 실시하였다. 생체량과 초장은 실험 전과 실험 후로 구분하여 Cd 농도에 따른 일 평균 증가율로 비교하였다. 뿌리활력은 Cd 처리 15일 경과 후 근단 10mm의 생체시료 0.
- 잎이 5매 전개된 식물체를 대상으로 Cd 농도를 반치사농도 범위 이하 조건에서 0(control), 10, 25, 50μM로 15일간 처리하였다.
- 5% periodic acid(H5IO6) 용액에 30분간 담근 후 세척, Schiff's reagent에 15분간 처리, 1% sodium bisulfite 용액에 5분간 처리 후, 흐르는 물로 30분간 세척하였다. 처리가 끝난 시료는 광학현미경(Axioskop 2, Carl Zeiss Co., Germany)을 이용해 100배로 검경하였고, 엽육 조직의 두께와 세포 크기, 세포 내 전분립(starch grain), 통기구조(arrenchyma), 뿌리 조직의 근관(root cap), 중심주(central cylinder), 중력감수체(stalolith)를 소프트웨어(Adobe Photoshop CS4, USA)을 이용해 수치화하였다(Sandalio et al., 2001). 한편, 엽육과 뿌리 조직 표면의 형태학적 상해 정도를 알아보고자 전자현미경(SEM, AURIGA, Germany)을 이용하여 잎 표면의 기공과 주변 세포, 뿌리 표피 세포를 관찰하였다.
- 다음으로 40, 60, 80, 90, 95% ethanol로 각각 5분씩 그리고 100% ethanol로 5, 15, 30분간 탈수하였고 Epon resin에 포매(embedding)시켰다. 초미세절단기(Ultra R., Leica Co., Germany)를 이용하여 1,500nm 두께로 절단하여 슬라이드 글라스 위에 증류수 1방울을 떨어뜨려 치상하고, 60℃에서 5시간 건조시켰다. 건조된 조직절편은 0.
- , 2001). 한편, 엽육과 뿌리 조직 표면의 형태학적 상해 정도를 알아보고자 전자현미경(SEM, AURIGA, Germany)을 이용하여 잎 표면의 기공과 주변 세포, 뿌리 표피 세포를 관찰하였다.
- , Japan) 470nm에서 흡광도를 측정하였다. 혼합시약 0, 0.05, 0.1, 0.3, 0.5mL를 이용하여 검량선을 작성하고 생성된 formazan을 생체 시료 0.5g에 대한 건물중으로 나누어 뿌리활력을 구하였다. 광합성(photosynthetic rate, Pn)은 뿌리활력 측정 시점과 동일하게 Cd 처리 15일 경과된 식물체의 기부로부터 3번째 전개된 잎을 대상으로 Li-6400(Li-cor Inc.
대상 데이터
- 균일한 식물재료를 얻기 위해 창포 종자를 버미큘라이트에 파종 후 50일 째 발아한 묘를 규격육묘상(8 × 16 tray)에 이식하고, 0.1M Hoagland액으로 50일 동안 수경방식으로 육묘한 후, 엽수가 5매, 초장이 8cm인 식물체를 실험재료로 이용하였다(Singh et al., 2006).
- 실험은 2009년 5월부터 7개월간 서울시립대학교 환경자동 제어 생육상에서 실시하였으며, 생육상 환경은 주간 14시간, 야간 10간으로 구별하여 주간 광도는 600 μmol･m-2･s-1 PAR, 온도는 주/야간 25/28℃, 상대습도는 60%로 조절되었다.
데이터처리
- 통계분석용 프로그램인 SAS package(statistical analysis system, version 9.1, SAS Institute Inc., USA)를 이용하여 ANOVA(analysis of variance) 분석을 실시하였으며 각 처리간의 유의성은 Duncan의 다중검정법으로 5% 유의수준에서 실시하였다.
성능/효과
- Cd 농도에 따른 뿌리 조직의 해부학적 변화를 광학현미경으로 관찰한 결과, 근관, 정단분열조직, 중심주, 신장대, 피층과 표피세포의 변화가 확인되었다(Fig. 4). Cd 50μM 처리에서 근관세포가 형체를 확인할 수 없을 정도로 심하게 손상된 점은 Cd 고농도에서 뿌리 끝부분이 심하게 손상된다는 기존 연구 결과와 일치하였다(Sandalio et al.
- Cd 농도에 따른 엽육 조직의 해부학적 변화를 관찰한 결과, Cd 처리로 엽육 조직 두께가 감소하고 전분축적은 증가 하였다(Fig. 3 and Table 1). 특히 Cd 농도가 증가할수록 잎 전체와 엽육 조직의 두께는 유의하게 감소하였고 엽육 조직의 세포크기 감소 또한 확인되었다(Table 1).
- Cd 무처리구와 Cd 50μM의 뿌리를 전자현미경으로 관찰한 결과, 정상조직의 경우 무처리에서는 표피조직이 촘촘하고 규칙적으로 배열되어 있는 반면, 50μM에서는 표피조직이 파괴되어 형태가 일정하지 않고 표면이 녹아버린 것과 같은 공동화 현상이 관찰되었다(Fig. 6).
- Cd에 대한 창포의 생리적, 구조적 장해 반응을 고려할 때, Cd 오염지역에서 창포의 경관적 가치와 지속적인 생장을 유지할 수 있는 Cd 한계농도는 10μM 정도인 것으로 확인되었다.
- , 1988). 결과적으로 Cd에 의해 뿌리생장이 감소되면서 수분공급이 원활하지 못해 정상적인 광합성이 이뤄지지 않은 것이 식물생장 감소를 가져온 것으로 생각된다. 근단에서는 중력감수체 (statolith)가 관찰되었으며, 중력감수체수는 Cd 농도가 증가할수록 통계적으로 유의하게 감소하였다(Table 2 and Fig.
- 구조적 상해의 경우 지상부 엽육조직의 상해는 Cd 10-50μM 범위에서 큰 차이를 보이지 않은 반면, 지하부 뿌리조직의 상해는 Cd 농도가 증가할수록 뚜렷하게 나타났다.
- 구조적 상해의 경우 지상부(엽육조직)와 지하부(뿌리조직) 모두 25μM에서 시작되었으나, Cd 농도가 증가할수록 엽육조직 보다는 뿌리조직의 상해 정도가 현저하였다.
- 근관 세포조직은 오히려 무처리구보다 Cd 10μM에서 두꺼워졌으나, Cd 25-50μM 범위에서 농도가 높아질수록 무처리구보다 감소하였으며, Cd 50μM에서는 전혀 측정할 수 없 었다(Table 2).
- , 1988; Vassilev and Yordanov, 1997). 또한 전분립수는 Cd 농도가 증가할수록 통계적으로 유의하게 증가하였다(Table 1). 창포는 전분이 풍부한 괴경상의 구경을 가지고 있어 세포 내 전분축적이 용이한 것으로 알려져 있다(Huxley et al.
-
생리적 장해 반응
반치사량 농도 이하 Cd 처리에서도 창포의 생장은 현저하게 억제되는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 1). 이러한 억제현상은 Cd 10-50μM 범위에서 전반적으로 확인되었으며, 식물체 전체 생체량(biomass)의 일일 증가가 무처리(4.
- , 1992). 본 실험에서도 Cd 처리 유무와 관계없이 전분립 축적이 많았으며 특히 Cd 농도가 증가할수록 많이 축적되었다. 이것은 Cd에 의한 물질대사의 억제로 호흡작용 역시 감소하기 때문이다(Vassilev and Yordanov, 1997).
- 이러한 억제현상은 Cd 10-50μM 범위에서 전반적으로 확인되었으며, 식물체 전체 생체량(biomass)의 일일 증가가 무처리(4.8mg･d-1)보다 50% 정도 감소하였다(2.1mg･d-1).
- 이상과 같이 Cd 반치사량 농도 이하에서 창포의 식물생장 등 생리적 장해와 세포조직 등 구조적 상해 반응을 지상부와 지하부로 구분하여 살펴 본 결과, Cd에 대한 생리적 장해(일일 생장량 및 신장량, 광합성, 뿌리활력)는 구조적 상해(엽육 및 뿌리 세포조직)보다 상대적으로 저농도에서 나타났다. 생리적 장해는 10μM에서 시작되어 25μM에서 현저한 증상을 나타낸 반면, 구조적 상해는 25μM에서 시작되어 50μM에서 뚜렷하게 구별되었다.
- 3 and Table 1). 특히 Cd 농도가 증가할수록 잎 전체와 엽육 조직의 두께는 유의하게 감소하였고 엽육 조직의 세포크기 감소 또한 확인되었다(Table 1). 강낭콩에서 Cd에 의한 엽면적의 감소는 세포의 팽압과 탄력성이 감소하면서 세포크기가 감소하고 세포간극이 형성되었기 때문으로 보고되었다(Barceló et al.
- 한편 전자현미경을 이용하여 Cd 처리 된 창포 잎의 표피조직과 기공을 관찰한 결과, 기공주변 조직은 물론 표피조직이 심하게 손상되었고, 특히 Cd 25-50μM에서 상해 정도가 심각한 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5).
- 한편, 광합성과 뿌리 활력의 경우 각각 Cd 10μM, 25μM에서 통계적으로 유의적인 차이를 보였고 일일 생장량 역시 Cd 10μM에서 유의적으로 감소한 점을 고려할 때, 지상부가 지하부보다 상대적으로 저농도에서 장해를 받는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 따라서 우리나라 전역에서 자생하는 창포의 Cd에 대한 생리적, 구조적 장해 특성을 고려할 때 Cd 오염지역에서 경관적 가치를 제공하면서도 정상적인 생장을 유지할 수 있는 한계 농도는 10μM 전후인 것으로 판단된다. 다만 본 연구 결과는 단기간 조절된 환경조건에서 수행된 것으로서 현장 적용을 위해서는 금후 좀 더 장기적인 생장반응 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서 우리나라 전역에서 자생하는 창포의 Cd에 대한 생리적, 구조적 장해 특성을 고려할 때 Cd 오염지역에서 경관적 가치를 제공하면서도 정상적인 생장을 유지할 수 있는 한계 농도는 10μM 전후인 것으로 판단된다.
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