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문제 정의
- 3차원 구조광 스캐너를 이용하여 비파괴적, 비접촉적으로 식물 잎 면적을 측정하는 방법을 고안하고자 하였다. 3차원 구조광 스캐너를 이용하여 측정한 콩의 잎 면적은 엽면적 측정기로 측정한 잎 면적과 높은 상관관계를 보였다.
- 본 연구에서는 3차원 구조광 스캐너를 이용하여 식물잎을 스캐닝한 뒤 이미지 데이터를 이용하여 식물의 생체량을 추정하는 것이 타당한지를 살펴보고자 하였다. 그리고 가뭄 및 염분 스트레스를 가한 환경에서 재배한 식물체의 잎 면적을 측정함으로써, 식물의 생장 변화 측정에 적용해보고자 하였다.
- 본 연구에서는 3차원 구조광 스캐너를 이용하여 식물잎을 스캐닝한 뒤 이미지 데이터를 이용하여 식물의 생체량을 추정하는 것이 타당한지를 살펴보고자 하였다. 그리고 가뭄 및 염분 스트레스를 가한 환경에서 재배한 식물체의 잎 면적을 측정함으로써, 식물의 생장 변화 측정에 적용해보고자 하였다.
제안 방법
- 8 L 화분에 옮긴 후 관리하였다. 3차원 스캐너를 이용한 잎 면적과 엽면적 측정기를 이용한 잎 면적을 비교하기 위하여 콩의 생장단계 중 V1 단계(첫 삼출엽이 완전히 전개된 상태)에 있는 10주를 스캔 하였으며, 스캐닝이 끝난 식물체는 잎 88장을 수확한 뒤 바로 엽면적 측정기(LI-3100 Leaf Area Meter, USA)를 이용하여 잎 면적을 구하였다. 또한 3차원 스캐너를 이용하여 측정한 잎 면적과 콩 지상부 생중량과의 관계를 비교하기 위하여 콩의 생장단계 V1~V4 단계까지 각 단계별로 식물체 10주를 촬영하여 잎 면적을 측정하였으며, 측정이 완료된 식물체는 지표에서 줄기를 절단하여 지상부 전체를 수확한 후 생중량을 측정하였다.
- Calibration board를 이용하여 calibration을 하였으며(Fig. 1B), 식물체가 들어 있는 화분을 회전테이블 위에 올려놓고 테이블을 360° 회전하며 여러 각도에서 촬영을 실시하였다(Fig. 1C).
- 가뭄 스트레스 실험을 위해 파종 1주 후 생장이 균일한 개체들을 골라 1 L의 화분에 이식한 다음 5주씩 대조구와 가뭄처리구로 나누어 관리하였다. 식물체를 이식하기 전 토양 포화시의 흙의 무게를 계산하여 적정관수량을 설정해 주어 대조구에는 매일 화분당 43 g의 물을 관수한 반면 가뭄처리구에는 물을 공급하지 않았다.
- 2A, B). 다른 잎에 가려지거나 그림자로 인해 잎의 형태가 온전하지 않은 부분은 mesh 편집 기능을 이용하여 모양을 최대한 보정하였으며, 보정작업이 끝난 이미지는 프로그램 상의 Analysis 메뉴를 이용하여 면적을 계산하였다(Fig. 2C).
- 3차원 스캐너를 이용한 잎 면적과 엽면적 측정기를 이용한 잎 면적을 비교하기 위하여 콩의 생장단계 중 V1 단계(첫 삼출엽이 완전히 전개된 상태)에 있는 10주를 스캔 하였으며, 스캐닝이 끝난 식물체는 잎 88장을 수확한 뒤 바로 엽면적 측정기(LI-3100 Leaf Area Meter, USA)를 이용하여 잎 면적을 구하였다. 또한 3차원 스캐너를 이용하여 측정한 잎 면적과 콩 지상부 생중량과의 관계를 비교하기 위하여 콩의 생장단계 V1~V4 단계까지 각 단계별로 식물체 10주를 촬영하여 잎 면적을 측정하였으며, 측정이 완료된 식물체는 지표에서 줄기를 절단하여 지상부 전체를 수확한 후 생중량을 측정하였다. V2 단계는 두 번째 삼출엽이 완전히 전개된 상태이며, V3과 V4 단계는 각각 세 번째와 네 번째 삼출엽이 완전히 전개된 상태를 의미한다.
- , 2007). 본 연구에서는 환경 스트레스 하의 식물체의 잎면적의 변화를 3차원 구조광 스캐너를 이용하여 비교하였다. 먼저 대조구와 염처리구에서 자란 콩 식물체의 시간에 따른 생장의 변화를 관찰하였는데 대조구의 식물체는 정상적인 생장 양상을 보였으나, 염처리구의 식물체는 염처리가 진행될수록 생장이 점차 둔화되고 잎이 마르면서 고사되어 갔다(Fig.
- NaCl은 처음 50 mM로 시작해서 일주일 간격으로 150 mM, 250 mM로 농도를 높여 주었다. 식물체의 스캐닝은 염분처리 후 0, 3, 7, 10, 14, 17일째에 실시하였다.
- 또한 무엇보다 일단 식물체를 수확하여 생체량을 측정하게 되면 그 시료는 더 이상 종자 수확 등 다른 목적으로 이용할 수 없게 된다. 연구자들은 따라서 상대생장법(allometry)을 이용하여 식물체를 수확하지 않고도 측정이 가능한 형질(초장, 절간 길이, 잎 면적 등)를 선발하고 그 지표와 생체량과의 관계를 구한 뒤 생체량의 변화를 추정하는 방법을 택하기도 한다.
- 3 L 화분에 이식한 다음 6주씩 대조구와 염처리구의 두 그룹으로 나누어 관리하였다. 염 처리는 식물체가 V1 단계에 도달하였을 때 시작하였으며, 대조구에는 매일 200 mL (약 90% pot capacity)의 Hoagland 용액(pH 6.0~6.5)을 공급한 반면 염처리구에는 이 용액에 NaCl을 첨가하여 공급하였다. NaCl은 처음 50 mM로 시작해서 일주일 간격으로 150 mM, 250 mM로 농도를 높여 주었다.
- 염분 스트레스 실험을 위해 파종 2주 후 생장이 균일한 개체들을 골라 펄라이트가 채워진 1.3 L 화분에 이식한 다음 6주씩 대조구와 염처리구의 두 그룹으로 나누어 관리하였다. 염 처리는 식물체가 V1 단계에 도달하였을 때 시작하였으며, 대조구에는 매일 200 mL (약 90% pot capacity)의 Hoagland 용액(pH 6.
- 1E). 최종 이미지는 Geomagic Qualify 프로그램(Geomagic, USA)을 이용하여 보정하였다(Fig. 2A, B). 다른 잎에 가려지거나 그림자로 인해 잎의 형태가 온전하지 않은 부분은 mesh 편집 기능을 이용하여 모양을 최대한 보정하였으며, 보정작업이 끝난 이미지는 프로그램 상의 Analysis 메뉴를 이용하여 면적을 계산하였다(Fig.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 3차원 구조광 스캐너는 3D3 Solutions사(Canada)의 FlexScan3D 스캐너이다(Fig. 1A). 광원은 할로겐 램프이고, 측정영역은 230 mm×330 mm×150 mm이며 측정방식은 위상 측정 형상 측정법이었다.
- 콩 품종 ‘Bert’를 실험 재료로 이용하였다. 콩 종자를 5% NaClO 혹은 베노람 수화제를 사용하여 소독한 후원예용 상토가 채워진 트레이에 파종하고 한국생명공학연구원 유리온실에서 재배하였다. 발아 후 자엽과 본엽이 나온 식물체는 0.
- 콩 품종 ‘Bert’를 실험 재료로 이용하였다.
성능/효과
- 3차원 구조광 스캐너를 이용하여 측정한 V1 단계의 콩의 잎 면적 값은 잎을 수확한 후 엽면적 측정기를 이용하여 구한 잎 면적 값과 양의 상관관계를 보였으며, R2 값이 0.90으로 높은 상관관계를 나타내었다(Fig. 3A). 이로써 스캐너를 이용하여 비파괴적, 비접촉적인 방법으로 잎 면적을 측정한 결과가 파괴적, 접촉적인 엽면적 측정기를 이용하여 측정한 결과와 유사함을 확인할 수 있었다.
- 3차원 구조광 스캐너를 이용하여 비파괴적, 비접촉적으로 식물 잎 면적을 측정하는 방법을 고안하고자 하였다. 3차원 구조광 스캐너를 이용하여 측정한 콩의 잎 면적은 엽면적 측정기로 측정한 잎 면적과 높은 상관관계를 보였다. 또한 콩의 V1~V4까지의 각 생장단계마다 3차원 스캔 이미지를 이용하여 측정한 잎 면적은 지상 부를 수확한 후 측정한 생중량 분석 결과와 매우 높은 상관관계(R2 =0.
- 98)를 나타내었다. 가뭄 및 염분 스트레스 환경에서 3차원 스캐너를 이용하여 시간에 따른 콩의 생장의 변화를 비교한 결과, 대조구의 식물체 잎 면적은 시간이 경과될수록 증가한 반면 가뭄 및 염분처리 구의 식물체 잎 면적은 처리 12일과 14일 후 각각 감소하여 처리구간 뚜렷한 차이를 나타내었다. 이러한 결과를 통해 3차원 스캐너를 이용하여 다양한 환경에서 식물체의 잎 면적과 생체량을 효과적으로 추정할 수 있음을 확인하였다.
- 5A와 같다. 대조구의 식물체 잎 면적은 시간이 경과할수록 증가한 반면, 염처리구의 식물체 잎 면적은 염처리 후 3일부터 14일까지는 완만한 증가를 보이다가 250 mM NaCl 을 처리한 14일 이후에는 감소하였다. 이러한 결과는 염분 스트레스로 인한 식물체의 생장 감소를 직접적으로 보여주는 결과이다.
- 3B). 따라서 3차원 스캐너로 측정한 잎 면적 결과로부터 식물체 지상부의 생체량 추정이 가능한 것으로 판단된다.
- 3차원 구조광 스캐너를 이용하여 측정한 콩의 잎 면적은 엽면적 측정기로 측정한 잎 면적과 높은 상관관계를 보였다. 또한 콩의 V1~V4까지의 각 생장단계마다 3차원 스캔 이미지를 이용하여 측정한 잎 면적은 지상 부를 수확한 후 측정한 생중량 분석 결과와 매우 높은 상관관계(R2 =0.98)를 나타내었다. 가뭄 및 염분 스트레스 환경에서 3차원 스캐너를 이용하여 시간에 따른 콩의 생장의 변화를 비교한 결과, 대조구의 식물체 잎 면적은 시간이 경과될수록 증가한 반면 가뭄 및 염분처리 구의 식물체 잎 면적은 처리 12일과 14일 후 각각 감소하여 처리구간 뚜렷한 차이를 나타내었다.
- 본 연구에서는 환경 스트레스 하의 식물체의 잎면적의 변화를 3차원 구조광 스캐너를 이용하여 비교하였다. 먼저 대조구와 염처리구에서 자란 콩 식물체의 시간에 따른 생장의 변화를 관찰하였는데 대조구의 식물체는 정상적인 생장 양상을 보였으나, 염처리구의 식물체는 염처리가 진행될수록 생장이 점차 둔화되고 잎이 마르면서 고사되어 갔다(Fig. 4).
- 식물체를 이식하기 전 토양 포화시의 흙의 무게를 계산하여 적정관수량을 설정해 주어 대조구에는 매일 화분당 43 g의 물을 관수한 반면 가뭄처리구에는 물을 공급하지 않았다. 식물체의 스캐닝은 가뭄처리 후 5, 12, 19일째에 실시하였는데, 촬영 시 대조구의 토양수분함량은 80~100% (% volume)를 유지한 반면 가뭄처리구의 토양수분함량은 5, 12, 19일에 각각 약 60%, 20%, 10%로 낮아졌다.
- 가뭄 및 염분 스트레스 환경에서 3차원 스캐너를 이용하여 시간에 따른 콩의 생장의 변화를 비교한 결과, 대조구의 식물체 잎 면적은 시간이 경과될수록 증가한 반면 가뭄 및 염분처리 구의 식물체 잎 면적은 처리 12일과 14일 후 각각 감소하여 처리구간 뚜렷한 차이를 나타내었다. 이러한 결과를 통해 3차원 스캐너를 이용하여 다양한 환경에서 식물체의 잎 면적과 생체량을 효과적으로 추정할 수 있음을 확인하였다.
- 3A). 이로써 스캐너를 이용하여 비파괴적, 비접촉적인 방법으로 잎 면적을 측정한 결과가 파괴적, 접촉적인 엽면적 측정기를 이용하여 측정한 결과와 유사함을 확인할 수 있었다. 콩의 V1~V4까지의 생장단계마다 3차원 스캔 이미지를 이용하여 측정한 잎 면적과 각 생장단계별로 스캐닝한 뒤 지상부를 수확한 후 측정한 생중량은 R2 값이 0.
- 이로써 스캐너를 이용하여 비파괴적, 비접촉적인 방법으로 잎 면적을 측정한 결과가 파괴적, 접촉적인 엽면적 측정기를 이용하여 측정한 결과와 유사함을 확인할 수 있었다. 콩의 V1~V4까지의 생장단계마다 3차원 스캔 이미지를 이용하여 측정한 잎 면적과 각 생장단계별로 스캐닝한 뒤 지상부를 수확한 후 측정한 생중량은 R2 값이 0.98로 매우 높은 상관관계를 나타내었다(Fig. 3B). 따라서 3차원 스캐너로 측정한 잎 면적 결과로부터 식물체 지상부의 생체량 추정이 가능한 것으로 판단된다.
후속연구
- 본 연구에서는 3차원 구조광 스캐너를 이용하여 잎면적만을 측정하였으나, 이외에도 식물체의 초장, 잎 길이, 절간 길이, 잎과 줄기 사이의 각도 등 다양한 표현형의 분석에 이용될 수 있으며, 기후변화 등으로 인한 식물체의 생장변화를 정확하게 파악하는 데 응용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이상과 같이 3차원 구조광 스캐너를 이용하여 염분 및 가뭄 스트레스를 받은 식물체의 잎 면적을 측정함으로써 환경 스트레스 하의 식물체에 대한 비파괴적인 생장 모니터링이 가능하였다. 이러한 생장의 변화 측정은 식물의 생리적 반응을 연구하기 위해 주로 측정되었던 엽록소의 형광반응, 광합성능, 수분 포텐셜, 잎의 온도(Grant et al., 2007; Barker, 2008) 등의 지표와 함께 측정될 때 환경 스트레스에 의한 식물의 생리생태 연구에 추가적인 정보를 제공해 줄 수 있을 것이다.
- 반면 가뭄처리를 하지 않은 대조구의 경우 시간이 경과할수록 잎 면적이 증가하였으며, 특히 12일 이후부터 19일까지는 급격한 증가를 나타내었다. 이상과 같이 3차원 구조광 스캐너를 이용하여 염분 및 가뭄 스트레스를 받은 식물체의 잎 면적을 측정함으로써 환경 스트레스 하의 식물체에 대한 비파괴적인 생장 모니터링이 가능하였다. 이러한 생장의 변화 측정은 식물의 생리적 반응을 연구하기 위해 주로 측정되었던 엽록소의 형광반응, 광합성능, 수분 포텐셜, 잎의 온도(Grant et al.
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