광원의 종류, 주기와 세기의 변화에 따른 '신홍쌈' 배추 내 글루코시놀레이트 함량 Variation of glucosinolate contents of 'Sinhongssam' grown under various light sources, periods, and light intensities원문보기
The variation of glucosinolates (GSLs) in Chinese cabbage ('Sinhongssam') (Brassica rapa L. spp. pekinensis) cultivated under lights to control plant growth conditions was evaluated at different development stages. Under experimental conditions in plant factory system, plant growth conditions includ...
The variation of glucosinolates (GSLs) in Chinese cabbage ('Sinhongssam') (Brassica rapa L. spp. pekinensis) cultivated under lights to control plant growth conditions was evaluated at different development stages. Under experimental conditions in plant factory system, plant growth conditions including light, temperature, and nutrients were designed to enhance GSLs. The variation of glucosinolates (GSLs) in Chinese cabbage ('Sinhongssam') (Brassica rapa L. spp. pekinensis) cultivated under lights to control plant growth conditions was evaluated at different development stages. Under experimental conditions in plant factory system, plant growth conditions including light, temperature, and nutrients were designed to enhance GSLs. The contents of GSLs were quantified in Chinese cabbage according to different light sources (Red+White, RW; Red+Blue+White, RBW, Fluorescence lamp, FL) at development stages (28, 42, and 56 days after sowing, DAS) using HPLC. Nine GSLs including five aliphatic (progoitrin, sinigrin, glucoalyssin, gluconapin, and glucobrassicanapin) three indolyl (glucobrassicin, 4-methoxyglucobrassicin, and neoglucobrassicin), and one aromatic (gluconasturtiin) GSLs were identified based on peak retention time in previous results of our laboratory. GSL contents were higher in RBW (36.55) and lower in FL ($15.24{\mu}mol/g/\;DW$). Results revealed that GSL contents were higher under controlled photoperiods (20/4 h) ($58.35{\mu}mol/g\;DW$) and controlled light intensity ($160{\mu}mol/m^2/s$) ($34.02{\mu}mol/g\;DW$), respectively. Lower amount of progoitrin and comparatively higher amount of glucobrassicin and gluconasturtiin was noted in Chinese cabbage cultivated under FL light (2.38, 9.82, and 2.10) at 42 DAS, photoperiod 20/4 h (3.16, 2.52, and 1.30) at 28 DAS, and light intensity at $130{\mu}mol/m^2/s$ (2.28, 2.24, and $1.51{\mu}mol/g\;DW$) at 42 DAS. Therefore FL light, photoperiod (20/4 h), and light intensity ($130{\mu}mol/m^2/s$) were considered as most suitable for the enhancement of GSLs in Chinese cabbage.
The variation of glucosinolates (GSLs) in Chinese cabbage ('Sinhongssam') (Brassica rapa L. spp. pekinensis) cultivated under lights to control plant growth conditions was evaluated at different development stages. Under experimental conditions in plant factory system, plant growth conditions including light, temperature, and nutrients were designed to enhance GSLs. The variation of glucosinolates (GSLs) in Chinese cabbage ('Sinhongssam') (Brassica rapa L. spp. pekinensis) cultivated under lights to control plant growth conditions was evaluated at different development stages. Under experimental conditions in plant factory system, plant growth conditions including light, temperature, and nutrients were designed to enhance GSLs. The contents of GSLs were quantified in Chinese cabbage according to different light sources (Red+White, RW; Red+Blue+White, RBW, Fluorescence lamp, FL) at development stages (28, 42, and 56 days after sowing, DAS) using HPLC. Nine GSLs including five aliphatic (progoitrin, sinigrin, glucoalyssin, gluconapin, and glucobrassicanapin) three indolyl (glucobrassicin, 4-methoxyglucobrassicin, and neoglucobrassicin), and one aromatic (gluconasturtiin) GSLs were identified based on peak retention time in previous results of our laboratory. GSL contents were higher in RBW (36.55) and lower in FL ($15.24{\mu}mol/g/\;DW$). Results revealed that GSL contents were higher under controlled photoperiods (20/4 h) ($58.35{\mu}mol/g\;DW$) and controlled light intensity ($160{\mu}mol/m^2/s$) ($34.02{\mu}mol/g\;DW$), respectively. Lower amount of progoitrin and comparatively higher amount of glucobrassicin and gluconasturtiin was noted in Chinese cabbage cultivated under FL light (2.38, 9.82, and 2.10) at 42 DAS, photoperiod 20/4 h (3.16, 2.52, and 1.30) at 28 DAS, and light intensity at $130{\mu}mol/m^2/s$ (2.28, 2.24, and $1.51{\mu}mol/g\;DW$) at 42 DAS. Therefore FL light, photoperiod (20/4 h), and light intensity ($130{\mu}mol/m^2/s$) were considered as most suitable for the enhancement of GSLs in Chinese cabbage.
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제안 방법
‘신홍쌈’ 배추를 식물공장에서 다양한 광조건을 조절하여 재배한 후 생장단계별로 수확하여 GSL 함량 변화를 조사하였다.
GSL 분석은 Inertsil ODS-3 column(150 × 3.0 mm i.d., particle size 3 µm)을 장착한 Agilent 1200 series HPLC를 이용하여 분석하였고, 가드 칼럼은 Inertsil ODS-2 Carteidge Guard column E(10 × 2.0 mm i.d., particle size 5 µm, GL Science, Tokyo, Japan)을 사용하였다.
GSL 함량이 가장 높은 광원 (RBW)을 선발하여 광주기(12/12, 14/10, 16/8, 18/6, 20/4h)와, 광도(100, 130, 160, 190, 220 µmol/m2/s)를 달리하여 당해 5월 18일 파종하여 14일 간격으로 가장 큰 잎 한 장을 수확하였다.
RW에서 가축의 갑상선종을 유발하는 progoitrin의 함량(2.88)이 낮고 항암예방효과가 뛰어난 glucobrassicin과 gluconasturtiin의 함량(각 4.58, 1.28 µmol/g DW)이 높아 고기능성 배추 재배 조건에 적합하였으나, 총 GSL 함량은 RBW(36.55 µmol/g DW)가 가장 높아 다음 실험의 광원으로 선택하였다.
광원의 종류에 따른 ‘신홍쌈’ 배추 내 생체중은 생장단계(28, 42, 56 DAS)와 비례하여 증가하였다.
/s), 광주기(12/12)를 조절하여 충남대학교 바이오시스템기계공학과 소재 식물공장에서 2012년 3월 9일 파종 후 14일 간격으로 수확하여 56일(days after sowing, DAS)까지 줄기를 제외하고 잎을 수확하였다. 동결건조 하여 분말 한 뒤 추출하여 GSL 함량 분석에 사용하였다. GSL 함량이 가장 높은 광원 (RBW)을 선발하여 광주기(12/12, 14/10, 16/8, 18/6, 20/4h)와, 광도(100, 130, 160, 190, 220 µmol/m2/s)를 달리하여 당해 5월 18일 파종하여 14일 간격으로 가장 큰 잎 한 장을 수확하였다.
따라서 본 실험에서는 재배환경 요소 중 하나인 광원을 이용하여 광원의 종류(Red+White, RW; Red+Blue+White, RBW; Fluorescent, FL), 광주기(light/dark; 12/12, 14/10, 16/8, 18/6, 20/4 h), 광세기(100, 130, 160, 190, 220 µmol/m2/s)에 따른 생장단계별 배추(‘신홍쌈’) 내 GSL 함량 변화를 조사하였다.
1 mg/mL)도 시료와 동일한 추출 과정을 거치고 DS-sinigrin 형태로 분석된 HPLC 피크 면적과 각 성분의 면적을 비교하여 정량화하였다. 또한 sinigrin을 기준으로 각 성분의 response factor(ISO 9167-1, 1992)를 곱하여 계산하였다.
‘신홍쌈’ 배추를 식물공장에서 다양한 광조건을 조절하여 재배한 후 생장단계별로 수확하여 GSL 함량 변화를 조사하였다. 실험은 광원, 광주기, 광도로 나누어서 실시하였으며 광원의 종류는 RW, RBW, FL을 사용하였다. RW에서 가축의 갑상선종을 유발하는 progoitrin의 함량(2.
1분부터 7%로 급격히 감소시킨 후 40분까지 7%를 유지 하였다. 외부 표준물질인 sinigin(0.1 mg/mL)도 시료와 동일한 추출 과정을 거치고 DS-sinigrin 형태로 분석된 HPLC 피크 면적과 각 성분의 면적을 비교하여 정량화하였다. 또한 sinigrin을 기준으로 각 성분의 response factor(ISO 9167-1, 1992)를 곱하여 계산하였다.
용매 혼합 비율은 용매 B를 0분에서 7%로 시작하여 18분까지 7 → 24%로 서서히 증가 시키고 18–32분까지 24%를 유지하였으며, 32.1분부터 7%로 급격히 감소시킨 후 40분까지 7%를 유지 하였다.
0을 유지하였다. 작물 재배를 위해 ABS(Acrylonirile Butadiene Styrene) 수지로 제작된 트레이에는 총 15개체의 작물을 재배 할 수 있으며, 미세 분사기를 이용하여 15분간 양액을 미스트 분사 한 후, 30분간 정지하는 것을 반복하는 분무경법을 사용여 뿌리가 호흡하는데 도움을 주었다. 광세기는 MQ-200 quantum sensor(Apogee instruments, Logan, UT, USA)를 사용하였다.
GSL 함량이 가장 높은 광원 (RBW)을 선발하여 광주기(12/12, 14/10, 16/8, 18/6, 20/4h)와, 광도(100, 130, 160, 190, 220 µmol/m2/s)를 달리하여 당해 5월 18일 파종하여 14일 간격으로 가장 큰 잎 한 장을 수확하였다. 파종 후 42일까지 재배하고 이에 따른 GSL 함량 변화를 조사하였다. 식물공장 내부의 환경을 온도는 20℃, 상대습도는 70%, 호글랜드 양액을 사용하였고 양액의 EC(Electrical Conductivity)는 2.
대상 데이터
‘신홍쌈’ 배추(아시아종묘)는 파종 직후 광원의 종류(RW, RBW, FL), 광합성광양자속 밀도(이하 광도, Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD)(160 µmol/m2/s), 광주기(12/12)를 조절하여 충남대학교 바이오시스템기계공학과 소재 식물공장에서 2012년 3월 9일 파종 후 14일 간격으로 수확하여 56일(days after sowing, DAS)까지 줄기를 제외하고 잎을 수확하였다.
Ltd.(Pyeong-taek, Korea)것을 사용하였다. Aryl sulfatase(type H-1, EC 3.
(Pyeong-taek, Korea)것을 사용하였다. Aryl sulfatase(type H-1, EC 3.1.6.1, 100,000 units)와 sinigrin은 Sigma-Aldrich Chemical Company(St. Louis, MO, USA)것을 사용하였다. DEAE Sephadex A-25는 General Electric Healthcare Bio-science(Uppsala, Sweden)것을 사용하였다.
Louis, MO, USA)것을 사용하였다. DEAE Sephadex A-25는 General Electric Healthcare Bio-science(Uppsala, Sweden)것을 사용하였다.
0 µL주입하였다. 이동상 용매로 A(초순수)와 B(acetonitrile)를 사용하였다. 용매 혼합 비율은 용매 B를 0분에서 7%로 시작하여 18분까지 7 → 24%로 서서히 증가 시키고 18–32분까지 24%를 유지하였으며, 32.
데이터처리
)로 여과한 후 HPLC용 vial병에 넣고 HPLC 분석 전까지 냉장 보관하였다. 각 시료들은 3반복으로 분석하였으며, 분석 결과는 Microsoft Office Excel 2007을 이용하여 DS-GSLs의 함량 평균값과 표준편차(SD, standard deviation)를 구하였다.
성능/효과
‘신홍쌈’ 배추 내 생체중은 56 DAS를 제외하고 RBW에서 가장 높게 나타나 청색광을 포함한 광원에서 생산량이 증가하는 것을 확인하였다(Table 1).
130 µmol/m2/s에서 약 1.5배 증가하여 가장 높은 glucobrassicin 함량(2.24 µmol/g DW)을 나타내었으며, 220 µmol/m2/s에서 약 1.83배 증가 하여 가장 낮은 함량(0.86 µmol/g DW)을 나타내었다.
28 DAS에서 42 DAS까지 gluconasturtiin은 220 µmol/m2/s에서 감소(약 0.45배)하여 가장 낮은 함량(0.93)을 나타내었으며, 160 µmol/m2/s에서 약 1.5배로 가장 많이 증가하여 가장 높은 함량(1.97 µmol/g DW)을 나타내었다.
28 DAS에서 42 DAS까지 progoitrin은 RW에서 약 0.22배로 함량(10.93 → 2.43 µmol/g DW)이 가장 많이 감소하였고, 42 DAS에서 56 DAS까지 RBW에서 약 1.96배로 함량(2.45 → 4.8 µmol/g DW)이 가장 많이 증가하였다.
‘신홍쌈’ 배추는 광주기가 증가함에 따라 생체중도 증가하였다. 42 DAS 에서 18/6 h(4.99)가 생체 중량이 높았으며 모든 생장단계에서 광주기가 짧은 12/12 h(2.13, 2.53 g)가 중량이 가장 낮았다(Table 2). Timergalina 등(2007)에 의하면 광도가 증가함에 따라 증산량과 광합성량이 증가하는 것을 보고하였다.
42 DAS에서 12/12 h가 가장 낮은 progoitrin 함량(2.11)과 가장 많은 glucobrassicin 함량 증가(0.47 → 1.58 µmol/g DW)를 보였고, gluconasturtiin 함량은 감소하여 가장 낮은 함량(0.48 µmol/g DW)을 나타내었다.
42 DAS에서 가장 높은 총 GSL 함량을 나타낸 100 µmol/m2/s에서 progoitrin 함량비율(17%)이 높고 상대적으로 낮은 glucobrassicin과 gluconasturtiin 함량비율(각 7과 6%)을 나타내었다.
48 µmol/g DW)을 나타내었다. 가장 낮은 progoitrin 함유율(약 22%)과 glucobrassicin과 gluconasturtiin의 함량비율(각각 약 17, 5%)이 상대적으로 높았다. 따라서 12/12 h 조건 하에서 재배 하였을 때 기능성 성분이 높은 것으로 판단된다(Table 5).
가장 낮은 총 GSL 함량을 나타낸 130 µmol/m2/s 에서 progoitrin의 함량(2.28 µmol/g DW)이 가장 낮고 생체중(7.48 g)이 가장 높아 고기능성과 생산성을 가진 재배 조건으로 판단된다.
가장 낮은 총 GSL 함량을 나타낸 130µmol/m2/s에서 progoitrin 함량(2.28 µmol/g DW)이 약 15%로 가장 낮은 비율을 나타내었으며, glucobrassicin 함량(2.24)은 약 15%, gluconasturtiin 함량(1.51 µmol/g DW)이 약 10%로 가장 높았다.
광원의 종류에 따른 ‘신홍쌈’ 배추 내 총 GSL 함량은 56 DAS에서 RBW(36.55) > FL(36.29) > RW(27.63 µmol/g dry weight, DW)순으로 높았고, 모든 생장단계(28, 42, 56 DAS)에서 RW(23.18, 28.73, 27.63 µmol/g DW)의 총 GSL 함량이 가장 낮았다.
광주기에 따른 총 GSL 함량은 20/4 h(58.35 µmol/g DW)에서 가장 높았고, progoitrin이 다른 광주기에 비해 가장 높은 비율(약 75%)을 나타내어 고기능성 배추 생산에 적합하지 않다고 판단된다.
또한 130 µmol/m2/s가 가장 높은 생체중을 나타냄으로써 기능성 성분의 함량을 증대시키는 적합한 광세기로 판단된다(Table 6).
00 g)가 높았다. 모든 생장단계에서 FL의 생체중(각각 3.67, 26.35, 33.14 g)이 가장 낮았다. ‘신홍쌈’ 배추 내 생체중은 56 DAS를 제외하고 RBW에서 가장 높게 나타나 청색광을 포함한 광원에서 생산량이 증가하는 것을 확인하였다(Table 1).
반면 12/12 h에서 가장 낮은 총 GSL 함량(9.49 µmol/g DW)을 나타내었지만 glucobrassicin과 gluconasturtiin의 함량의 비율(16.65, 5.06%)이 높아 기능성 성분 증대에 적합하다고 판단된다.
본 실험에서 42 DAS에서의 progoitirin 함량은 20/4(43.78) > 14/10(20.80) > 18/6(16.36) > 16/8(3.79) > 12/12 h(2.11 µmol/g DW)순으로 높았다.
본 실험에서 42 DAS 까지 190에서 총 GSL함량이 2.12배로 가장 많이 증가 하였으며, 160µmol/m2/s에서 0.72배로 가장 많이 감소하였다.
(2001)에 의하면 적색광에 청색광을 보광 하였을 때 식물 생장에 큰 도움이 되지만, 여전히 백색광에서 재배효율이 높다고 보고하였다. 본 실험에서는 FL에서 높은 총 GSL 함량에 상대적으로 낮은 progoitrin의 함량을 확인하였으나, 생체중이 낮고 크기도 작아 RW에서 재배 하는 것이 기능성 성분의 함량을 증대 시키는 재배방법으로 판단된다(Table 4).
광원의 종류에 따른 ‘신홍쌈’ 배추 내 생체중은 생장단계(28, 42, 56 DAS)와 비례하여 증가하였다. 생장단계별 생체중은 28 DAS에서 RBW(7.91), 43 DAS에서 RBW(53.86), 56 DAS에서 RW(87.00 g)가 높았다. 모든 생장단계에서 FL의 생체중(각각 3.
48 g)처리구의 배추가 생체중이 가장 높았다. 수분함량은 광원, 광주기, 광도 에서 각각 평균 92, 93, 92%를 나타냈다(Table 3)(Fig. 1).
총 GSL 함량은 RBW를 조사한 배추에서 평균 28.98 µmol/g DW로 가장 높았다.
따라서 ‘신홍쌈배추’는 광원으로 RBW를 사용하고, 광주기를 20/4 h, 광도는 100 µmol/m2/s 의 조건에서 재배하였을 때, 총 GSL 함량을 가장 높일 수 있다. 하지만 기능성 성분의 함량의 증대를 위해 progoitrin 함량비율이 높고 상대적으로 낮은 glucobrassicin과 gluconasturtiin 함량비율을 가지는 조건으로 광원은 RW, 광주기는 12/12 h, 광세기는 130 µmol/m2/s에서 재배하는 것이 가장 적합하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
발광 다이오드가 작물 재배연구에 주로 이용되는 이유는?
보광을 위한 인공 광원으로는 고압 나트륨등, 메탈 할라이드등, 형광등, 백열등을 주로 사용해왔으나, 반도체 산업의 발전으로 인해 개발된 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 긴 내구성과 사용시간, 상대적으로 낮은 발열과 전력소모 그리고 특정한 파장만을 방출할 수 있어 작물 재배 연구에 이용되고 있다(Massa et al., 2008).
보광을 위한 인공 광원의 종류는?
보광을 위한 인공 광원으로는 고압 나트륨등, 메탈 할라이드등, 형광등, 백열등을 주로 사용해왔으나, 반도체 산업의 발전으로 인해 개발된 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 긴 내구성과 사용시간, 상대적으로 낮은 발열과 전력소모 그리고 특정한 파장만을 방출할 수 있어 작물 재배 연구에 이용되고 있다(Massa et al., 2008).
식물체 내 글루코시놀레이트의 약학적 기능은?
글루코시놀레이트(glucosinolates, GSLs)는 배추과 채소에 많이 함유된 이차대사산물이며 현재 약 200종의 GSLs가 알려져 있다(Clarke, 2010). 식물체 내 GSLs는 쓴맛과 매운 향을 내며 항암효과와 곤충기피를 유발하는 등의 다양한 약학적 기능을 가지고 있다(Zhang and Talalay, 1994). GSL중 하나인 progoitrin은 포유동물에게 갑상선종(goiter)을 유발하는 것으로 알려져 있다.
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