[논문]상추에서 LED광질에 따른 플라보노이드 생합성 관련 유전자들의 발현 및 이차대사 산물의 성분 분석

정유진; 강대현; 문준관; 강권규

doi:10.5010/jpb.2015.42.2.104

[국내논문] 상추에서 LED광질에 따른 플라보노이드 생합성 관련 유전자들의 발현 및 이차대사 산물의 성분 분석
Analysis of growth pattern, gene expression and flavonoid contents under LED light wavelength in Lettuce (Lactuca sativa L.) 원문보기

Journal of plant biotechnology = 식물생명공학회지, v.42 no.2, 2015년, pp.104 - 110

정유진 (국립한경대학교 원예학과) , 강대현 (국립한경대학교 미래융합기술대학원 식물생명공학전공) , (국립한경대학교 미래융합기술대학원 식물생명공학전공) , 문준관 (국립한경대학교 식물생명환경과학과) , 강권규 (국립한경대학교 원예학과)

초록
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본 연구는 다양한 LED광 처리가 상추의 생장상, 플라보노이드 생합성 관련 유전자들의 발현양상 및 플라보노이드 함량에 미치는 영향을 분석하였다. 상추의 생장상 분석에서 혼합광 처리가 단일 처리구보다 잎생장이 월등히 우수하였으며, 단일광내에서 청색광이 적색광보다 생체중이 높게 나타났다. LED광질에 따른 플라보노이드 생합성 관련 8개 유전자들의 발현을 분석한 결과 LsF3H와 LsDFR 유전자에서 혼합광 처리한 적상추에서 청상추보다 높게 나타났다. 또한 혼합광 처리가 단일광 처리보다 Gallic acid, Chlorogenic acidn, Quercetin 및 안토시아닌의 함량이 가장 높게 나타났다. 이상의 결과로부터 LED 광질에 따라 상추 생장과 발육차이를 보이며, 유전자의 발현 및 기능성 물질의 축적에 중요한 요인으로 작용하며, 기능성 물질의 축적을 유도하기 위해서는 적색과 청색의 혼합처리가 유용하리라 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

We analyzed the effects of various LED light treatments (red 655 nm, blue 456 nm, white and mixed light) on growth pattern, gene expression and flavonoid contents in lettuce leaf. Plants treated with mixed light (red+blue+white) showed better growth performance than those treated with single LED and fluorescent lamp (FL). Expression analysis of the eight genes involved in flavonoid biosynthesis in plants treated with LED light was examined. Results showed that red lettuce grown under mixed light showed high expression levels of LsC4H, LsF3H and LsDRF genes. Morever, the same treatment plants possessed higher content of gallic acid, chlorogenic acid and quercetin contents than those in plants exposed to single light. However, the highest total anthocyanin content was identified in plants treated with red+blue light and the lowest content was identified in plants exposed to white fluorescent lamp and single LED light condition. Thus, this study indicates that the ratio of blue to red LEDs is important for the morphology, growth, and phenolic compounds with anthocyanin properties in the two lettuce cultivars tested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같이 LED를 이용한 상추의 생육과 품질 및 기능성 물질의 축적에 관한 연구는 다수 있으나, 광질 변화에 따른 안토시아닌 색소 관련 유전자의 발현 및 이차대사산물의 변화에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 다양한 조합의 LED 광 환경에 따른 폐쇄형 식물공장 내에서 청상추와 적상추의 색소발현을 극대화 시킬 수 있는 조건을 구명하고, 광질에 따른 안토시아닌 생합성 경로상 주요 유전자들의 발현 분석과 이차대사산물의 변화양상에 대해 보고하고자 한다.

제안 방법

광질에 대한 상추의 생육 및 품질 변화를 구명하기 위하여 온도 및 광 환경 등이 조절되는 한경대학교 식물공장에서 일장은 16시간, 온도는 23±2°C, 상대습도는 60±10%, 양액은 Sonneveld 상추 양액처방액(K⁺: 11.6, Ca⁺²: 8.6, Mg⁺²:1.6, NH₄⁺: 1.3, NO₃^-: 19.0, SO₄^2-: 2.1, H₂PO₄^-:2.0 me·L^-1)을 이용하였으며, EC 1.5 dS·m^-1, pH 6.0 ~ 6.5로 설정하여 수행하였다. 실험에 사용한 품종은 아시아종묘‘청치마 상추’ 및 ‘적치마 상추’로, 162구 육묘용 플러그트레이에 1립씩 파종하여 2주 동안 육묘한 후 이를 식물공장 재배베드에이식 및 정식을 하였다.
, Korea)를 각각 사용하였고, LED 전원공급장치(SMPS) 규격에 따라 설치하였다. 모든 실험구의 광량은 200±10 μmol·m^-2·s^-1로 설정하였고, 각 처리구는 청색광(B), 적색광(R), 청색광+적색광(B+R), 청색광+적색광+백색광(B+R+W), 형광등(W)의 5가지 다른 광원을 청상추와 적상추에 각각 처리하였다. 실험에 사용한 LED 광원의 광파장 스펙트럼은 적색광이 462 nm, 청색광이 668 nm의 최대피크를 보였다.

대상 데이터

5로 설정하여 수행하였다. 실험에 사용한 품종은 아시아종묘‘청치마 상추’ 및 ‘적치마 상추’로, 162구 육묘용 플러그트레이에 1립씩 파종하여 2주 동안 육묘한 후 이를 식물공장 재배베드에이식 및 정식을 하였다. 인공광원으로는 백색 형광등(fluorescent lamp; FL), 청색, 적색 LED (FC Poibe Co.
실험에 사용한 품종은 아시아종묘‘청치마 상추’ 및 ‘적치마 상추’로, 162구 육묘용 플러그트레이에 1립씩 파종하여 2주 동안 육묘한 후 이를 식물공장 재배베드에이식 및 정식을 하였다. 인공광원으로는 백색 형광등(fluorescent lamp; FL), 청색, 적색 LED (FC Poibe Co. Ltd., Korea)를 각각 사용하였고, LED 전원공급장치(SMPS) 규격에 따라 설치하였다. 모든 실험구의 광량은 200±10 μmol·m^-2·s^-1로 설정하였고, 각 처리구는 청색광(B), 적색광(R), 청색광+적색광(B+R), 청색광+적색광+백색광(B+R+W), 형광등(W)의 5가지 다른 광원을 청상추와 적상추에 각각 처리하였다.

데이터처리

상추 재배는 청색, 적색 및 혼합 LED로 2반복 처리하였으며, 상추의 생육 및 플라보노이드 물질 분석 등의 결과는 상추 각 처리구당 5개체씩 2반복 실험을 실시하여 재현성을 검증하였다. 통계분석은 SAS 프로그램(SAS, 9.2, Institute Inc, USA)을 이용하였고, 평균간 비교는 덩컨의 다중범위검정(Duncan's multiple range teat) (p < 0.05)으로 분석하였다.

성능/효과

파종 2주 후부터 5주까지 약 3주 동안 광질을 다르게 조사한 후, 청상추와 적상추에서 각각의 유전자 발현량을 분석한 결과 Figure 4와 같이 LsC4H 유전자의 경우에는 청색단독광 하에서는 낮았지만 그 외의 광질에서는 유사하였고, 적상추의 경우에는 통계적으로도 발현레벨에 큰 차이를 보이지 않았다. LsF3H 및 LsDFR 유전자에서는 청색과 적색 단일 광에서는 낮았지만 형광등(W)이나 적색(R)+청색(B), 형광등(W)+적색(R)+청색(B)과 같은 혼합광하에서는 높게 나타났고, 청상추에 비해 적상추에서 그 발현량이 상대적으로 더 높은 것을 확인하였다. PAL은 L-phenylalanine을 trans-cinnamate로 전환시킴으로써 페놀계 물질을 생합성하는데 시작점이 되는 중요한 효소이다(Koukol and Conn, 1961).
광질에 따른 플라보노이드계 이차대사산물 함량을 분석하기 위하여 파종 5주후 상추잎으로부터 HPLC 분석을 수행한 결과 Gallic acid와 Chlorogenic acid의 함량은 적상추가 청상추 보다 월등히 높았으며, 형광등이 포함된 광질에서는 상대적으로 낮게 나타났다. 청상추는 단일광 처리구에서 그 함량이 현저하게 낮았고, Quercetin의 경우는 청상추 및 적상추 모두 청색광이 포함된 처리구에서 그 함량이 증가하였다.
본 연구의 결과에서도 적색광과 청색광을 혼합하여 처리한 상추에서 기능성 물질의 함량이 높게 나타났으며, 생육도 양호하였다. 따라서 식물공장 내 상추의 생육과 품질을 높이기 위해 혼합광을 적절하게 사용함으로써 색소 관련 생합성 경로상의 유전자 발현량을 조절하여 색소함량 등에 영향을 준다.

후속연구

본 실험을 통해 적절한 혼합광원의 조절은 적색도의 향상에 기여하며 식물공장 내 상품성이 있는 고색도 적상추의 생산에 적용 가능할 것으로 생각된다. 또한 상추의 생육 과정에서 안토시아닌 생합성 과정에 관여하는 여러 유전자가 일정 환경에서 함께 조절되는 현상을 확인할 수 있었다.
따라서 식물공장 내 상추의 생육과 품질을 높이기 위해 혼합광을 적절하게 사용함으로써 색소 관련 생합성 경로상의 유전자 발현량을 조절하여 색소함량 등에 영향을 준다. 많은 작물에 있어서 적색의 파장 영역은 생육촉진을, 청색광과 UV 영역은 색소 및 기능성 물질 함량의 증대 효과가 있음이 수많은 연구를 통해 밝혀진 바 있으나, 색소 등 물질함량을 극대화시키기 위한 전략으로 청색광의 비율을 높이면 상대적으로 생육량이 떨어져 상업적 생산이 어려울 수 있으므로 작물에 따른 적색광과 청색광의 적합 비율, 에너지 효율을 고려한 광도 조건에 대한 면밀한 검토가 필요하리라 판단된다. 또한 상추는 최근 생식용으로 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 샐러드 야채의 주 재료로서 그 경제적 의미가 커지는 바, 기능성 소재인 페놀성 화합물의 생합성 유전자에 대한 분자생물학적 연구 결과가 많이 축적되면 앞으로 크게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
많은 작물에 있어서 적색의 파장 영역은 생육촉진을, 청색광과 UV 영역은 색소 및 기능성 물질 함량의 증대 효과가 있음이 수많은 연구를 통해 밝혀진 바 있으나, 색소 등 물질함량을 극대화시키기 위한 전략으로 청색광의 비율을 높이면 상대적으로 생육량이 떨어져 상업적 생산이 어려울 수 있으므로 작물에 따른 적색광과 청색광의 적합 비율, 에너지 효율을 고려한 광도 조건에 대한 면밀한 검토가 필요하리라 판단된다. 또한 상추는 최근 생식용으로 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 샐러드 야채의 주 재료로서 그 경제적 의미가 커지는 바, 기능성 소재인 페놀성 화합물의 생합성 유전자에 대한 분자생물학적 연구 결과가 많이 축적되면 앞으로 크게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	식물에서 광 스트레스가 미치는 영향은?	식물에서 광 스트레스는 생장 및 발육에 가장 많은 영향을 끼치며, 에너지원을 공급하는 중요한 역할을 담당하고 있다(Wang et al. 2009).
	적색광과 청색광을 혼합한 혼합광은 상추에 어떠한 영향을 미치는가?	본 연구의 결과에서도 적색광과 청색광을 혼합하여 처리한 상추에서 기능성 물질의 함량이 높게 나타났으며, 생육도 양호하였다. 따라서 식물공장 내 상추의 생육과 품질을 높이기 위해 혼합광을 적절하게 사용함으로써 색소 관련 생합성 경로상의 유전자 발현량을 조절하여 색소함량 등에 영향을 준다. 많은 작물에 있어서 적색의 파장 영역은 생육촉진을, 청색광과 UV 영역은 색소 및 기능성 물질 함량의 증대 효과가 있음이 수많은 연구를 통해 밝혀진 바 있으나, 색소 등 물질함량을 극대화시키기 위한 전략으로 청색광의 비율을 높이면 상대적으로 생육량이 떨어져 상업적 생산이 어려울 수 있으므로 작물에 따른 적색광과 청색광의 적합 비율, 에너지 효율을 고려한 광도 조건에 대한 면밀한 검토가 필요하리라 판단된다.
	식물의 생육 및 색소계 물질 형성에 직접적인 영향을 미치는 파장은 무엇인가?	2009). 식물은 다양한 광질에 민감하게 반응하며, 이 중 적색파장대의 피토크롬 수용체와 청색파장대의 크립토크롬과 포토트로핀 수용체가 식물의 생육 및 색소계 물질 형성에 직접적인 영향을 주고 있다(Carvalho et al. 2011).

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표제어: PCR

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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