[논문]식물공장에서 인공광원의 종류가 반결구상추의 광합성, 생육 및 기능성물질 함량에 미치는 영향

김동억; 이혜진; 강동현; 이공인; 김유호

doi:10.12791/ksbec.2013.22.4.392

식물공장에서 인공광원의 종류가 반결구상추의 광합성, 생육 및 기능성물질 함량에 미치는 영향
Effects of Artificial Light Sources on the Photosynthesis, Growth and Phytochemical Contents of Butterhead Lettuce (Lactuca sativa L.) in the Plant Factory 원문보기

시설원예ㆍ식물공장 = Protected horticulture and plant factory, v.22 no.4, 2013년, pp.392 - 399

김동억 (국립농업과학원 농업공학부) , 이혜진 (국립원예특작과학원 채소과) , 강동현 (국립농업과학원 농업공학부) , 이공인 (국립농업과학원 농업공학부) , 김유호 (국립농업과학원 농업공학부)

초록
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본 연구는 식물공장에서 인공광원에 따른 서로 다른 파장이 'Seneca RZ'와 'Gaugin RZ' 반결구 상추의 광합성 특성, 생육 및 기능성물질 함량에 미치는 영향을 밝히고자 수행하였다. 본 실험에서는 FL(fluorescent lamp), 적색LED와 청색LED 및 백색LED(RBW; red : blue : white = 5 : 4 : 1)와 MH(metalhalide lamp)를 사용하였다. 두 품종 모두 생육 중기에는 RBW에서 광합성속도가 높고 생육 후기에는 'Seneca RZ' 품종은 RBW에서, 'Gaugin RZ' 품종은 MH에서 그 생육이 좋았다. 반결구 상추의 생육은 광원에 따라 생육 차이를 보였으나 각각의 광원의 영향은 품종에 따라 서로 다른 결과를 보였다. 'Seneca RZ' 품종은 생육 중기에는 MH에서, 생육 후기에는 FL에서 생육이 좋았고, 'Caugin RZ' 품종은 생육 중기와 후기 모두 MH에서 생육이 좋은 결과를 보였다. 그러나 수확시기에 'Seneca RZ' 품종은 모든 광원 처리에서, 'Gaugin RZ' 품종은 FL을 제외한 나머지 광원에서 반결구 상추의 잎끝마름증이 발생하는 결과를 보였다. 생육 단계별로 두 품종 모두 생육 중기가 후기에 비해 전반적으로 생육속도가 빠른 결과를 보였다. 'Gaugin RZ' 품종에서 생육 중기에만 광원 종류에 대한 생육속도의 차이를 보였고 생육후기에는 광원의 종류와 품종의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 인공광원에 따른 두 품종의 반결구 상추의 영양학적 특성은 대부분의 성분에서 광원의 종류에 따른 통계적 유의성이 인정되어 광질이 반결구 상추의 영양학적 품질에 미치는 것으로 판단하였다. 두 품종 모두 RBW에서 4종의 비타민 함량이 높은 결과를 보였으며, 특히 ${\beta}$-Carotene의 함량이 'Gaugin RZ' 품종의 MH에서 가장 높은 결과를 보였다. 이상의 결과에서 인공광원의 종류에 따라 반결구 상추의 생육, 광합성 특성 및 영양학적 품질이 차이가 있으나 품종과 기능성 물질에 따라 각 광원의 영향이 서로 다른 결과를 보여 식물공장 내에서 재배하는 품종과 증진시키고자 하는 기능성 물질에 따라 광원의 선택을 고려해야 할 것으로 판단하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aimed to investigate responses of photosynthesis, plant growth, and phytochemical contents to different artificial light sources for 'Seneca RZ' and 'Gaugin RZ' two butterhead lettuce (Lactuca sativa L.). In this study, fluorescent lamps (FL), three colors LEDs (red, blue and white, 5 : 4 : 1; RBW) and metalhalide lamps (MH) were used as artificial lighting sources. Photoperiod, air temperature, relative humidity, EC, and pH in a cultivation system were maintained at 16/8 h, $25/15^{\circ}C$, 60~70%, $1.4{\pm}0.2dS{\cdot}m^{-1}$, and $6.0{\pm}0.5$, respectively. The photosynthetic rate of both two butterhead lettuce were the highest under RBW in middle growth stage. However, in late growth stage, the photosynthetic rate of both two butterhead lettuce were higher under RBW and MH than FL. The light sources showed significant results for plant growth but those effects were different to variety. Fresh and dry weight of 'Gaugin RZ' butterhead lettuce under MH were heavier than other lights in all growth stages. Growth of 'Seneca RZ' butterhead lettuce was maximized highest under MH in middle growth stage and FL in late growth stage. In the leaf tissue of 'Seneca RZ' butterhead lettuce, tipburn symptom occurred under all light sources and in the leaf tissue of 'Gaugin RZ' butterhead lettuce, it occurred under two light sources except for fluorescent lamps in late growth stage. kinds of lamp affect plant growth more than plant quality. Relative growth rate of both two butterhead lettuce was faster in middle growth stage than late stage. Growth of 'Gaugin RZ' was shown by kinds of lamp in middle growth stage and but it was not significantly affected by light sources and variety in late stage. Most of the phytochemical contents of two butterhead lettuce were significantly affected by different light sources. Contents of all vitamins showed higher than other light sources on RBW for both two lettuce, especially ${\beta}$-Carotene content of 'Gaugin RZ' was the highest. Plant growth, photosynthesis, and phytochemical contents were observed significant effects by different light sources for two butterhead lettuce but those effects were highly different between variety and kinds of phytochemicals. Therefore, the selection of optimum light source should be considered by variety and kinds of phytochemicals in the plant factory.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 인공광형 식물공장에서 활용가능한 인공광원의 종류와 광도가 반결구상추의 생육과 광합성특성 및 품질에 미치는 영향을 조사하여 향후 국내 인공광형 식물공장의 실용화와 식물공장내에서 고품질 반결구상추 생산을 위한 기초자료를 얻고자 수행하였다.

제안 방법

21일간 육묘한 후 9월 6일 플라스틱베드(436 × 656 × 32mm, 내쇼날플라스틱, Korea)에 처리당 18주씩 정식하였으며 재배방식은 담액수경(Deep flow technique; DFT)방식으로 하였고 정식 후 37일간 재배하였다. 배양액은 EC 1.4 ±0.2dS · m⁻¹, pH 6.0 ± 0.5로 유지하였으며 주1회 보정하였고, 재배상의 환경조건은 광주기 16/8h, 기온 25/15℃, 상대습도 60~70%로 유지하였다.
인공광원의 종류에 따른 반결구 상추의 생육 특성을 조사하기 위하여 정식 후 15일 간격으로 지상부 생체중과 건물중, 지하부 생체중과 건물중, 엽수, 엽장, 엽폭, 엽형지수, 잎끝마름증 발생율과 상대생장률을 조사하였다.

대상 데이터

본 실험은 2011년 8월 16일부터 10월 13일까지 국립농업과학원 식물공장연구동에서 수행되었다. 공시작물은 반결구상추(Lactuca sativa L.) ‘Seneca RZ’와 ‘Gaugin RZ’(Rijk Zwaan Co., Netherlands) 두 품종을 2011년 8월 16일에 우레탄스폰지(35 × 35 × 40mm, 가화텍, Korea)에 파종하여 야마자키 잎상추 배양액(EC 0.5~0.8dS · m⁻¹, pH 5.5~6.5)으로 육묘하였다. 본 실험에 사용한 공시품종인 ‘Seneca RZ’와 ‘Gaugin RZ’ 품종은 일반적으로 유럽에서 Salanova®라는 제품명으로 유통되고 있다.
시험에 사용된 광원의 종류는 형광등(FH 28W/865HE, OSRAM, Germany) 8개(FL)를 대조구로 하여 메탈할라이드(HQI-TS 150W, OSRAM, Germany) 4개(MH), LED RBW(red5:blue4:white1; red and blue LED 38W, 오디텍, Korea; white LED, 1W 20개, 서울반도체, Korea) 3종이었다. 형광등, LED는 베드위의 정식판과 광원사이의 높이가 30cm 되도록 설치하였고 MH는 형광등과 비슷한 수준으로 광량을 맞추기 위해 64cm 높이로 설치하였다.

데이터처리

통계분석은 SAS 프로그램(SAS 9.2, SAS Institute Inc., USA)을 이용하여 ANOVA(analysis of variance) 및 Duncan’s multiple range test(DMRT)를 실시하여 5% 유의수준에서 각 처리간 차이의 유의성을 검정하였다.

성능/효과

생육 후기에는 두 품종 모두 생체중과 엽장에서 품종과 광원 종류에 따른 통계적 유의성이 인정되었고 건물중과 엽폭에서는 광원 종류에 따라 고도로 유의하지만 품종에 대한 유의성은 인정되지 않았다(Table 4). ‘Seneca RZ’는 생육 중기에는 MH에서 그 생육이 가장 좋았으나 생육 후기에는 FL에서 가장 좋은 결과를 보였고, RBW에서 가장 저조한 생육 결과를 보였다. ‘Gaugin RZ’은 생육 후기에도 MH에서 월등히 높은 생육을 보였다.
본 실험에서 분석한 결과 대부분의 성분에서 광원의 종류에 따른 통계적 유의성이 인정되어 광질이 반결구 상추의 영양학적 품질에 기여하는 바가 큰 것으로 판단하였다. 그러나 성분과 품종에 따라 각각의 광원의 영향이 서로 달라 특정한 광원으로 많은 종류의 성분을 증가시키는 것은 어려울 것으로 생각하며 특정한 기능성 성분을 기준으로 광원을 선택하여 재배방법을 확립한다면 기능성 결구상추 생산에 유용할 것으로 판단하였다.
생육 중기 광원의 종류에 대한 두 품종의 광합성속도는 품종과 인공광원 처리에 따라 고도로 유의한 결과를 보였는데, ‘Seneca RZ’와 ‘Gaugin RZ’ 두 품종 모두 RBW에서 가장 높은 광합성속도를 보였다. 그러나 광합성속도를 제외한 기공전도도와 증산량에서는 품종과 광원의 종류에 따른 통계적 유의성이 나타나지 않았다(Table 1).

후속연구

본 실험에서 분석한 결과 대부분의 성분에서 광원의 종류에 따른 통계적 유의성이 인정되어 광질이 반결구 상추의 영양학적 품질에 기여하는 바가 큰 것으로 판단하였다. 그러나 성분과 품종에 따라 각각의 광원의 영향이 서로 달라 특정한 광원으로 많은 종류의 성분을 증가시키는 것은 어려울 것으로 생각하며 특정한 기능성 성분을 기준으로 광원을 선택하여 재배방법을 확립한다면 기능성 결구상추 생산에 유용할 것으로 판단하였다.
일반적으로 광도가 증가하거나 일장이 길어지면 잎끝마름증의 발생률이 증가하고 발생정도가 심해지는 것으로 알려져 있는데(Gaudreau 등, 1994; Pressman 등, 1993) 본 실험의 결과에 의하면 광도뿐만 아니라 광원 종류에 따른 광질도 영향을 미치는 것으로 판단된다. 더욱이 시설재배 조건과 비교했을 때 광도가 낮고 광질, 온도 등 환경조건이 다르기 때문에 광도, 광질, 환경조건이 잎끝마름증 발생에 미치는 영향에 대한 추가적인 실험이 필요할 것으로 판단하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	식물공장에서 사용 가능한 인공광원에는 무엇이 있는가?	식물공장에서 사용 가능한 인공광원으로는 고압나트륨램프, 메탈할라이드램프, 형광등, 발광다이오드(Light emitting diodes, LED) 등이 있는데, 이 광원들은 광량과 광질이 각기 다르기 때문에 광원에 따라 식물생육에 미치는 영향이 다르다. 국내의 인공광형 식물공장은 형광등과 LED를 주 광원으로 채택하는 경우가 많은데, 형광등은 고압나트륨램프이나 메탈할라이드램프에 비해 광속은 낮으나 식물에 근접 조사할 수 있고, 광량을 조절함으로써 우수한 품질의 작물생산이 가능한 것으로 보고되고 있다(Kim 등, 2008).
	식물공장이란 무엇인가?	식물공장이 미래의 식량위기와 이상기상을 극복할 수 있는 대안으로 제시되면서 식물공장에 투입되는 여러 분야의 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 식물공장이란 작물을 시설 내에서 광, 온·습도, 이산화탄소 농도 및 배양액 등의 환경조건을 인공적으로 제어해 계절이나 장소에 관계없이 연중 연속 생산이 가능하며 작물의 수량과 품질을 조절할 수 있는 공장형 식물생산시스템을 뜻한다(Kang, 2008; Lee와 Choi, 2010). 최근에는 인공광원을 이용하여 외부환경과 무관하게 식물을 재배할 수 있는 장점이 있는 인공광형 식물공장에 관심이 집중되고 있다.
	식물재배용 인공광원으로 사용되는 발광다이오드의 단점은 무엇인가?	LED는 무수은으로 안전하고 환경 친화적이며, 형광등을 비롯한 방전램프에 비해 수명이 길고, 전력소모가 적으며, 광질(파장) 선택 및 광량 제어가 다른 광원에 비해 용이하며, 광합성에 유리한 펄스 조사가 가능한 장점을 지니고 있어 식물재배용 인공광원으로서 많은 연구가 진행되고 있다(Kim, 1999; Hwang 등, 2004). 그러나 LED는 고가의 설치비로 인해 식물공장 초기 투자비용이 높고 발열이 많은 단점과 파장의 조합에 따라 식물의 생육반응이 상이한 결과를 보여 식물의 종류에 따른 적정한 파장의 조합이 아직은 명확하게 밝혀져 있지 않은 실정이다(Matsumoto 등, 2010).

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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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