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문제 정의
- 광강도와 광질에 대한 식물의 이해는 식물유래항산화물질의 축적과 생장의 최적화를 위해서 매우 중요하다(Bian 등, 2014). 따라서, 본 연구에서는 묘 이식 후5주 동안 당귀의 형광등과 LED광원에 따른 당귀의 생장 및 Decursin과 Decursinol angelate의 축적에 대하여 분석하였다.
제안 방법
- 5주간 처리 후 당귀 샘플은 지상부와 지하부로 나누어 동결 건조기를 이용하여 48시간 동안 -80℃에서 건조시킨 후, 막자 사발을 사용하여 미세한 분말로 분쇄하였다. 분말 형태의 샘플 0.
- Decursin 및 Decursinol angelate 추출물의 HPLC 분석은 UV 검출기 및 역상 옵티마 팩 C18 컬럼이 장착되고 35oC로 유지되는 조건에서 NS-4000 HPLC 시스템(Futecs, 대전, 대한민국)을 이용하여 수행하였다(5µm의 입자 크기가 4.6mm × 250mm) (RS 기술, 대전, 한국).
- 광조사 장치에서 조사된 광강도는 당귀 지상부 군락을 기준으로 180±7µmol·m-2·s-1로 동일하게 하였다. 또한 1주일 마다 광강도를 측정하여 높이 조절장치를 이용하여 차이가 없도록 조정하였다.양액의 공급은 60분을 주기로(50분-ON, 10분-OFF) 배액을 시켜 주야간 연속운전 하였으며 2주마다 순환 양액을 신규로 교체하였다.
- 형광등(FHF32SS-EX-D, Osram, Korea) [1200(길이) ×26(두께)] 6개를 7cm 간격으로 고정 프레임에 설치하였다. 또한 LED광원은 적색칩 120개(peak wavelength:660nm), 청색칩 80개(peak wavelength: 455nm), 백색칩 160개[(주)엘펙, 전주, 대한민국]를 규칙적으로 조합하여 소비전력 32W, 길이 1200mm의 한 개의 바 타입으로 구성하였으며 이러한 바 타입의 LED 6개를 7cm 간격으로 고정 프레임에 설치하였다. 이러한 2개의 고정 프레임은 도르레를 이용한 윈치방식으로 100~400mm까지 높이 조절이 가능하게 하였다.
- 생육 분석은 정식직후부터 1주일 간격으로 초장, 엽수, 엽길이, 엽폭을 측정하여 5주간의 변화를 살펴보았으며, 5주 후에는 엽길이/엽폭(L/W ratio), 뿌리길이, 지상부 생체중과 건물중, 지하부 생체중과 건물중을 측정하였다. 또한 지상부와 지하부로 분리하여 Decurusin과 Decurusinol angelate 함량을 HPLC를 이용하여 측정하였다.
- 본 실험은 완전임의배치법으로 수행되었으며, 2회 반복 실험하였다. 60개의 개체 중에서 10개체를 임의 선발하여 측정에 이용하였다.
- 21을 이용하여 분산분석(ANOVA)을 실시하였으며 통계적 유의차가 있는 경우 t-test를 실시하였다. 생육 분석은 정식직후부터 1주일 간격으로 초장, 엽수, 엽길이, 엽폭을 측정하여 5주간의 변화를 살펴보았으며, 5주 후에는 엽길이/엽폭(L/W ratio), 뿌리길이, 지상부 생체중과 건물중, 지하부 생체중과 건물중을 측정하였다. 또한 지상부와 지하부로 분리하여 Decurusin과 Decurusinol angelate 함량을 HPLC를 이용하여 측정하였다.
- 파종 후 21일째 식물체 간격 벌리기를 해주었으며, 28일째 본엽이 3매가 발달한 유사한 경경을 가진 당귀묘 120주를 선발하였다. 스펀지가 붙어있는 상태에서 12cm 간격으로 조정하여 105공 플러그 트레이에 15주씩 총 8개의 트레이에 120주를 재배실 재배장치에 이식하였다(Fig. 1). 재배 장치는 저면관수 방식을 이용하였으며 2개의 광 처리구로 나누어 4개 트레이 60주씩 이용하였다.
- 이식 이후 유리온실의 주간과 야간 온도가 23±2℃와 17±2℃가 되도록 설정하였으며, 습도는 50-80%로 유지하였다(Fig. 2).
- 재배실의 CO2 농도는 외기와의 순환팬을 작동 시켜 대기 중 농도로 유지하였다. 이식 후 5주간 형광등과 LED조건에서 재배하였다.
- 1). 재배 장치는 저면관수 방식을 이용하였으며 2개의 광 처리구로 나누어 4개 트레이 60주씩 이용하였다. 이식 이후 유리온실의 주간과 야간 온도가 23±2℃와 17±2℃가 되도록 설정하였으며, 습도는 50-80%로 유지하였다(Fig.
대상 데이터
- 본 실험은 완전임의배치법으로 수행되었으며, 2회 반복 실험하였다. 60개의 개체 중에서 10개체를 임의 선발하여 측정에 이용하였다. 모든 측정값의 통계분석은 SPSS ver.
- 검출된 피크 면적은 통합 Multichro 2,000소프트웨어(Futecs(주), 대전, 대한민국)를 사용하여 수행하였다. Decursin 및 decursinol angelate의 표준물질은한국 화학연구원의 식물천연제품 연구소(Deajon, 대한민국)에 의해 제공되었다.
- 당귀(Angelica gigas ‘Manchoo’) 종자를 파종용 우레탄 스펀지에 파종하여 환기 설정온도 26℃ 야간난방설정온도 15℃로 설정한 유리온실[수원, 25m(길이)× 12m(폭) × 5.5m(높이)]에서 육묘하였다.
- 6mS·m-1의 호글랜드 배양액을 순환하여 이용하였다. 파종 후 21일째 식물체 간격 벌리기를 해주었으며, 28일째 본엽이 3매가 발달한 유사한 경경을 가진 당귀묘 120주를 선발하였다. 스펀지가 붙어있는 상태에서 12cm 간격으로 조정하여 105공 플러그 트레이에 15주씩 총 8개의 트레이에 120주를 재배실 재배장치에 이식하였다(Fig.
- 형광등(FHF32SS-EX-D, Osram, Korea) [1200(길이) ×26(두께)] 6개를 7cm 간격으로 고정 프레임에 설치하였다.
데이터처리
- 8mL·min-1, 검출 파장은 280nm 였으며, 주입 볼륨은 10mL였다. 검출된 피크 면적은 통합 Multichro 2,000소프트웨어(Futecs(주), 대전, 대한민국)를 사용하여 수행하였다. Decursin 및 decursinol angelate의 표준물질은한국 화학연구원의 식물천연제품 연구소(Deajon, 대한민국)에 의해 제공되었다.
- 60개의 개체 중에서 10개체를 임의 선발하여 측정에 이용하였다. 모든 측정값의 통계분석은 SPSS ver. 21을 이용하여 분산분석(ANOVA)을 실시하였으며 통계적 유의차가 있는 경우 t-test를 실시하였다. 생육 분석은 정식직후부터 1주일 간격으로 초장, 엽수, 엽길이, 엽폭을 측정하여 5주간의 변화를 살펴보았으며, 5주 후에는 엽길이/엽폭(L/W ratio), 뿌리길이, 지상부 생체중과 건물중, 지하부 생체중과 건물중을 측정하였다.
성능/효과
- 6). 그 절대값을 고려하여 당귀 1주당 건물중에 기초한Decursin과 Decursionl angelate를 합한 값은 형광등과 LED 처리에 대해서 각각 122와 132mg/plant로 LED 처리구에서 높게 나타났다(Fig. 6). 단위 건물중 당 함량은 LED 처리에서 작았으나, 건물중이 증가하여 당귀의 주당 최종 산물의 함량은 더욱 높게 나타났다.
- 형광등과 적청백 혼합의 LED광원을 이용하여 당귀를 재배하는 경우 LED 처리가 초장의 억제와 생장의 촉진이 관찰되었으나, 단위 건물중 당 Decursin과 Decurinolangelate는 형광등 처리와 비교하여 낮게 나타났다. 그러나, 생장 촉진의 결과 당귀의 주당 Decursin과 Decurinolangelate함량은 LED처리구에서 높게 나타나서, 전체적으로 생장과 기능성 물질 함량 증대를 위해서는 적청백LED 혼합광이 형광등보다 유리할 것으로 판단된다. 그러나, LED 설치비 등은 형광등과 비교하여 비싸기 때문에, 최종 산물의 질적 판단을 근거하고 마켓과의 상관성을 고려하여 최종 판단해야 할 것으로 판단된다.
- 6). 단위 건물중 당 함량은 LED 처리에서 작았으나, 건물중이 증가하여 당귀의 주당 최종 산물의 함량은 더욱 높게 나타났다. 당귀의 뿌리에서는 Decursin과 Decursinol angelate의 전구체인 Decursinol의 함량이 매우 낮다고 보고하였다(Ahn 등,2008).
- 당귀 1주당 건물중 값을 반영한 Decurusin의 함량은 지상부와 지하부를 합하여 형광등과 LED 처리구에서 각각 28.14와 18.54mg/plant 였으며, Decursinol angelate의 경우 각각 94.34와 114.10 mg/plant를 나타냈다(Fig. 6). 그 절대값을 고려하여 당귀 1주당 건물중에 기초한Decursin과 Decursionl angelate를 합한 값은 형광등과 LED 처리에 대해서 각각 122와 132mg/plant로 LED 처리구에서 높게 나타났다(Fig.
- 당귀 뿌리의 최대 근장은 LED 처리구에서 5% 정도 높게 나타났으나 유의적 차이는 발생되지 않았다(Fig. 3). 당귀의 지상부 생체중과 건물중의 경우 LED처리구에서 50%와 42% 이상 증가하였으며, 모두 99% 신뢰수준에서 유의적으로 높은 값을 나타내었다.
- 당귀 지상부의 단위 건물중 당 Decursinol angelate의함량은 형광등 처리에서 각각 188%와 27% 증가하였으며, 뿌리의 경우도 78%와 8%가 형광등 처리에서 더욱 높았다(Fig. 5). Decursin의 경우 지상부와 지하부를 모두 합한 경우 형광등 처리에서 51% 높게 나타났으며,Decursinol angelate의 경우 17% 감소하였다(Fig.
- 3). 당귀의 지상부 생체중과 건물중의 경우 LED처리구에서 50%와 42% 이상 증가하였으며, 모두 99% 신뢰수준에서 유의적으로 높은 값을 나타내었다. Stutte 등(2009)은 적청 중심의 LED광원에서 재배한 적상추의 총생체중이 형광등 재배군과 비교했을 때 평균적으로 30% 증가한다고 보고하였다.
- McCree(1972)는 적색과 청색의 광은 엽록소 흡수 파장과 거의 일치하여 식물 생육을 증가 시키고, 광합성 효율을 극대화 시킬 수 있다고 하였다. 따라서, 본 실험에서 이용된 적청백 혼합 LED광은 형광등과 비교하여 당귀의 지상부와 지하부 생장을 촉진시키며 광질의 차이에 의해서 이러한 결과가 기인되는 것으로 판단되었다.
- Stutte 등(2009)은 적청 중심의 LED광원에서 재배한 적상추의 총생체중이 형광등 재배군과 비교했을 때 평균적으로 30% 증가한다고 보고하였다. 뿌리의 생체중과 건물중에서도 LED 처리구에서 각각 125%와 45% 높은 값을 나타내었고 99% 신뢰수준에서 유의적으로 높았다(Fig. 3). McCree(1972)는 적색과 청색의 광은 엽록소 흡수 파장과 거의 일치하여 식물 생육을 증가 시키고, 광합성 효율을 극대화 시킬 수 있다고 하였다.
- 그러나, 식물 생장에 대한 청색광의 효과는 정성적인 임계반응이거나, 정량적 축적 반응 또는 이러한 두가지 성질이 결합되어 발생하는 것으로 매우 불분명하다고 보고되었으며(Hogewoning 등, 2010; Poorter 등, 2010), 청색광의 정량적 축적 반응으로는 엽록체의 이동(Jarillo 등, 2001), 기공의 열고 닫음(Sharkey and Raschke,1981), 엽광합성(Hogewoning 등, 2010)이 있다고 보고되었다. 이러한 결과로 유추하면 본 실험에서 사용된 LED는 형광등과 비교하여 청색의 비율이 높으면서 조사된 PPFD는 같은 조건이었기 때문에 초장은 더욱 작았다고 할 수 있으며, 청색광의 정량적 축적 반응이었다고 판단된다.
- 이식 후, 5주째 당귀의 엽수는 LED 처리구에서 13.5% 증가하였으나 유의적인 차이는 없었으며, 엽장과 엽폭의 비를 나타내는 L/W 비율이 형광등 처리구에서 24% 더 크게 나타났다(Fig. 3). 형광등 처리구에서 상대적으로 엽장이 커지는 것이 아니라, 엽폭이 작아져서 L/W 비율이 증가하였으며, LED 처리에서는 상대적으로 L/W 비율이 작아진 것은 엽폭이 상대적으로 커졌기 때문으로 사료된다.
- Kim 등(2009)은 지대 높이에 관계없이 진부 당귀의 세근에서 Decursin과 Decursinol angelate 함량이 주근의 함량보다 높다고 밝혔다. 형광등과 적청백 혼합의 LED광원을 이용하여 당귀를 재배하는 경우 LED 처리가 초장의 억제와 생장의 촉진이 관찰되었으나, 단위 건물중 당 Decursin과 Decurinolangelate는 형광등 처리와 비교하여 낮게 나타났다. 그러나, 생장 촉진의 결과 당귀의 주당 Decursin과 Decurinolangelate함량은 LED처리구에서 높게 나타나서, 전체적으로 생장과 기능성 물질 함량 증대를 위해서는 적청백LED 혼합광이 형광등보다 유리할 것으로 판단된다.
후속연구
- 그러나, 생장 촉진의 결과 당귀의 주당 Decursin과 Decurinolangelate함량은 LED처리구에서 높게 나타나서, 전체적으로 생장과 기능성 물질 함량 증대를 위해서는 적청백LED 혼합광이 형광등보다 유리할 것으로 판단된다. 그러나, LED 설치비 등은 형광등과 비교하여 비싸기 때문에, 최종 산물의 질적 판단을 근거하고 마켓과의 상관성을 고려하여 최종 판단해야 할 것으로 판단된다.
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