[논문]대기 중 CO2 상승 조건에서 재배되는 콩의 광합성과 생장 반응의 분석

오순자; 고석찬

doi:10.5322/jesi.2017.26.5.601

대기 중 CO2 상승 조건에서 재배되는 콩의 광합성과 생장 반응의 분석
Photosynthesis and Growth Responses of Soybean (Glycine max Merr.) under Elevated CO2 Conditions 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.26 no.5, 2017년, pp.601 - 608

오순자 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 온난화대응농업연구소) , 고석찬 (제주대학교 생물학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of elevated atmospheric $CO_2$ on growth and photosynthesis of soybean (Glycine max Merr.) were investigated to predict its productivity under elevated $CO_2$ levels in the future. Soybean grown for 6 weeks showed significant increase in vegetative growth, based on plant height, leaf characteristics (area, length, and width), and the SPAD-502 chlorophyll meter value (SPAD value) under elevated $CO_2$ conditions ($800{\mu}mol/mol$) compared to ambient $CO_2$ conditions ($400{\mu}mol/mol$). Under elevated $CO_2$ conditions, the photosynthetic rate (A) increased although photosystem II (PS II) photochemical activity ($F_v/F_m$) decreased. The maximum photosynthetic rate ($A_{max}$) was higher under elevated $CO_2$ conditions than under ambient $CO_2$ conditions, whereas the maximum electron transport rate ($J_{max}$) was lower under elevated $CO_2$ conditions compared to ambient $CO_2$ conditions. The optimal temperature for photosynthesis shifted significantly by approximately $3^{\circ}C$ under the elevated $CO_2$ conditions. With the increase in temperature, the photosynthetic rate increased below the optimal temperature (approximately $30^{\circ}C$) and decreased above the optimal temperature, whereas the dark respiration rate ($R_d$) increased continuously regardless of the optimal temperature. The difference in photosynthetic rate between ambient and elevated $CO_2$ conditions was greatest near the optimal temperature. These results indicate that future increases in $CO_2$ will increase productivity by increasing the photosynthetic rate, although it may cause damage to the PS II reaction center as suggested by decreases in $F_v/F_m$, in soybean.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 대기 중 CO₂ 농도가 증가하였을 때 콩의 생장과 광합성에 미치는 영향을 조사하여 미래의 CO₂ 농도 증가 시 작물의 생육을 예측해보고자 수행되었다.

제안 방법

광합성 특성은 LCpro⁺ Portable Photosynthesis System (ADC Bio Scientific Ltd., Hoddesdon, UK)을 사용하여 조사하였으며, 측정하기 전에 leaf 챔버를 25±1 , 1200 μmol/m²/s의 포화광을 5분간 비추어 안정화시켜 광합성률(photosynthetic rate, A), 기공 전도도(stomatal conductance, gs), 증산률(transpiration rate, E) 등을 측정하였다. 수분이용 효율은 내재적 수분 이용 효율(intrinsic Water Use Efficiency, WUEi)과순간증산효율(Instantaneous Transpiration Efficiency, ITE)로 구분하여 나타내었으며, 각각 증산률과 기공 전도도에 대한 광합성률로 산출하였다.
엽온의 상승에 대한 광합성률(A)과 호흡률(R d )은 LCpro + Portable Photosynthesis System (ADC Bio Scientific Ltd., Hoddesdon, UK)을 사용하여 조사하 였으며, CO₂ 농도를 400 μmol/mol 또는 800 μ mol/mol로 설정하고, 엽온을 5 단위로 증가시키면서 20-40℃ 범위에서 조사하였다. 광합성률은 설정한 CO₂ 농도와 엽온 하에서 1200 μmol/m² /s의 포화광을 비추어 측정하였다.
콩의 생육특성은 챔버내 CO₂ 농도를 달리한 조건에서 6주간 재배한 후 각각 10개체를 선정하여 초장, 줄기직경, 엽면적, 엽길이, 엽폭, 엽두께, SPAD 값을 측정하였다. 엽면적과 SPAD 값은 각각 엽면적계(LI-3100, Li-Cor, USA)와 엽록소계(SPAD-502, Minolta Co.

대상 데이터

본 실험에 사용한 식물재료는 장류용 중만생종 품종인 대원콩(Glycine max Merr. cv. Daewon)이며, 배양 상토가 들어 있는 사각포트(용적 15 L)에 파종하고, 주 야간 온도 20±1/15±1℃ , 상대습도 50/70%, 광량 800 μmol/m² /s (14 h light/10 h dark), CO₂ 농도 400 μmol/mol로 설정된 환경제어챔버(GR96, EGC, Chagrin Falls, USA)에서 1개월 간 재배하였다. 이후 건전한 상태의 개체들을 각각 20개체 씩 무작위적으로 선발하여 앞서와 동일한 재배조건에서 대조구로서 챔버 내 CO₂ 농도 400 μmol/mol 인 조건과 CO₂ 상승 조건으로서 800 μmol/mol로 설정한 배양실로 옮겨서 재배하면서 식물의 생육 및 광합성 특성 등을 조사하였다.

데이터처리

산출된 변수들에 대한 통계분석은 SPSS 통계 패키지 18.0 (SPSS, Chicago, IL, USA)를 이용하여 수행하였으며, CO₂ 처리 조건 간의 통계적 유의성은 t-test 를 수행하여 나타내었다. ;

이론/모형

광합성 반응 측정시에 leaf 챔버는 25±1℃ , 1200 μmol/m²/s의 포화광을 조사하였다. 광반응과 CO₂반응 곡선은 SigmaPlot 10.0 (Systat Software Inc., Erkrath, Germany)을 이용하여 작성하였다.

성능/효과

대기 중 CO₂ 농도를 달리한 조건에서 콩을 6주간 재배하였을 때, 초장, 엽면적, 엽장, 엽폭, SAPD 값은 모두 대조구인 400 μmol/mol 의 CO₂조건에서 보다 CO₂ 상승 조건인 800 μ mol/mol에서 재배된 식물에서 더 높았다. 광계II의 최대 광화학적 효율(F_v/F_m )은 800 μmol/mol 조건에서 감소하였으나, 광합성률(A)은 다소 높았다. 최대광합 성률(A max )은 800 μmol/mol 조건에서 다소 높고 최대 전자전달률(J max )은 다소 낮았으나 통계적으로 유의한 차이를 보이지는 않았다.
콩의 광합성을 위한 최적 온도는 400 μmol/mol 조건에서 보다 800 μmol/mol 조건에서 3℃ 정도 더 높았다. 광합성률은 CO₂농도와 관계 없이 15-30℃ 범위의 엽온에서는 온도가 증가함에 따라 증가하고 30℃ 이상의 온도에서는 감소하였으며, 호흡률(R_d)은 CO₂ 농도에 관계없이 온도가 증가함에 따라 지속적으로 증가하여, 최적온도 근처에 서는 400 μmol/mol 조건에서와 800 μmol/mol에서의 광합성률의 차이가 더 커졌다. 이상의 결과로부터 미래의 대기 중 CO₂ 농도의 증가는 콩의 생육에 있어서 광계II 반응중심의 손상을 야기할 수 있으나 광합성률을 증가시켜 생산성을 높일 것으로 보인다.
)의 생장과 광합성에 미치는 영향을 조사하여 미래의 CO₂ 농도 증가 시 작물의 생육을 예측해보고자 수행되었다. 대기 중 CO₂ 농도를 달리한 조건에서 콩을 6주간 재배하였을 때, 초장, 엽면적, 엽장, 엽폭, SAPD 값은 모두 대조구인 400 μmol/mol 의 CO₂조건에서 보다 CO₂ 상승 조건인 800 μ mol/mol에서 재배된 식물에서 더 높았다. 광계II의 최대 광화학적 효율(F_v/F_m )은 800 μmol/mol 조건에서 감소하였으나, 광합성률(A)은 다소 높았다.
광계II의 최대 광화학적 효율(F_v/F_m )은 800 μmol/mol 조건에서 감소하였으나, 광합성률(A)은 다소 높았다. 최대광합 성률(A max )은 800 μmol/mol 조건에서 다소 높고 최대 전자전달률(J max )은 다소 낮았으나 통계적으로 유의한 차이를 보이지는 않았다. 콩의 광합성을 위한 최적 온도는 400 μmol/mol 조건에서 보다 800 μmol/mol 조건에서 3℃ 정도 더 높았다.

후속연구

광합성률은 CO₂농도와 관계 없이 15-30℃ 범위의 엽온에서는 온도가 증가함에 따라 증가하고 30℃ 이상의 온도에서는 감소하였으며, 호흡률(R_d)은 CO₂ 농도에 관계없이 온도가 증가함에 따라 지속적으로 증가하여, 최적온도 근처에 서는 400 μmol/mol 조건에서와 800 μmol/mol에서의 광합성률의 차이가 더 커졌다. 이상의 결과로부터 미래의 대기 중 CO₂ 농도의 증가는 콩의 생육에 있어서 광계II 반응중심의 손상을 야기할 수 있으나 광합성률을 증가시켜 생산성을 높일 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기 중의 이산화탄소(CO2 ) 농도가 지속적으로 증가하는 이유는 무엇인가?	대기 중의 이산화탄소(CO2 ) 농도는 산업혁명 이후 화석연료 사용, 삼림의 훼손 및 전용 등 다양한 산업 활동의 영향으로 지속적으로 증가하고 있으며, 이는 지구온난화와 이상기후 현상의 원인이 되고 있다. 1850년까지만 하더라도 대기 중CO2 의 농도가 약 280 μmol/mol이었으나, 2010년 우리나라의 대기중 CO2 의 농도는 기상청 안면도 지구대기 감시센터(Korea Global Atmosphere Watch Center, KGAWC)자료에 따르면 394.
	식물의 많은 생리작용이 민감하게 반응하는 요인은 무엇인가?	, 2013). 식물의 많은 생리작용들은 기온 및 CO2 농도의 변화에 민감하게 반응한다. 특히 작물은 특정 기후나 환경에 적합하도록 지속적으로 개량 되어 왔기 때문에 기후나 재배환경 등이 변할 경우 예상치 못한 피해가 나타날 수 있다.
	콩(Glycine max Merr.)이 우리나라에서 소비되는 방법에는 무엇이 있는가?	우리나라에서도 여러 품종들이 생산 및 소비가 되고 있다. 주로 된장, 간장, 청국장, 콩나물 등의 다양한 식품으로 이용되고 있으며, 두부, 두유, 식용유 등 가공제품의 원료로도 사용되고 있다. 콩은 우리나라 기후여건에 적합하여 재배가 용이하고, 다른 작물과의 윤작 작부체계로 지력 유지 및증진에 효과적일 뿐만 아니라 뿌리의 질소고정 능력 으로 인해 화학질소 비료의 사용을 줄여 친환경재배가 가능하다.

참고문헌 (22)

Bagley, J., Rosenthal, D. M., Ruiz Vera, U. M., Siebers, M. H., Kumar, P., Ort, D. R., Bernacchi, C. J., 2015, The influence of photosynthetic acclimation to rising $CO_2$ and warmer temperatures on leaf and canopy photosynthesis models, Global Biogeochem. Cyc., 29, 194-206.

상세보기
Collins, M., Knutti, R., Arblaster, J., Dufresne, J.-L., Fichefet, T., Friedlingstein, P., Gao, X., Gutowski, W. J., Johns, T., Krinner, G., Shongwe, M., Tebaldi, C., Weaver, A. J., Wehner, M., 2013, Long-term climate change: Projections, commitments and irreversibility, In: Stocker, T. F., Qin, D., Plattner, G. K., Tignor, M., Allen, S. K., Boschung, J., Nauels, A., Xia, Y., Bex, B., Midgley, B. M. (eds.), Climate change 2013: The physical science basis - IPCC working group I contribution to AR5, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1029-1136.
Dermody, O., Long, S. P., DeLucia, E. H., 2006, How does elevated $CO_2$ or ozone affect the leaf area index of soybean when applied independently?, New Phytol., 169, 145-155.

상세보기
Farquhar, G. D., von Caemmerer, S., Berry, J. A., 1980, A Biochemical model of photosynthetic $CO_2$ assimilation in leaves of $C_3$ species, Planta, 149, 78-90.

상세보기
Garruna-Hernandez, R., Monforte-Gonzalez, M., Canto-Aguilar, A., Vazquez-Flota, F., Orellana, R., 2013, Enrichment of carbon dioxide in the atmosphere increases the capsaicinoids content in Habanero peppers (Capsicum chinense Jacq.), J. Sci. Food Agric., 93, 1385-1388.

상세보기
Gray, S. B., Brady, S. M., 2016, Plant developmental responses to climate change, Dev. Biol., 419, 64-77.

상세보기
Hartman, G. L., West, E. D., Herman, T. K., 2011, Crops that feed the world 2, Soybean worldwide production use, and constraints caused by pathogens and pests, Food Secur., 3, 5-17.

상세보기
Kang, B. R., Kim, G. P., Kim, S. J., 2009, Characteristics of regional underground air distribution for various geothermal utillization, Rep. Jeju Environ. Res. Inst., 2, 223-237.
Keutgen, N., Chen, K., Lenz, F., 1997, Responses of strawberry leaf photosynthesis, chlorophyll fluorescence and macronutrient contents to elevated $CO_2$ , J. Plant Physiol., 150, 395-400.

상세보기
Kimball, B. A., 1985, Adaptation of vegetation and management practices to a higher carbon dioxide world, US Department of Energy, Washington, USA, 185-204.
Lee, S. G., Moon, J. H., Jang, Y. A., Kim, S. Y., Ko, K. D., 2009, Change of photosynthesis and cellular tissue under high $CO_2$ concentration and high temperature in radish, Kor. J. Hort. Sci. Technol., 27, 194-198.
Leymarie, J., Lasceve, G., Vavasseur, A., 1999, Elevated $CO_2$ enhances stomatal responses to osmotic stress and abscisic acid in Arabidopsis thaliana, Plant Cell Environ., 22, 301-308.

상세보기
Lobell, D. B., Asner, G. P., 2003, Climate and management contribution to recent trends in U.S. agricultural yields, Science, 299, 1032.

상세보기
Marshall, B., Biscoe, P. V., 1980, A Model for $C_3$ leaves describing the dependence of net photosynthesis on irradiance, J. Exp. Botany, 31, 29-39.

상세보기
Norby, R. J., Wullschleger, S. D., Gunderson, C. A., Nietch, C. T., 1995, Increased growth efficiency of Quercus alba trees in a $CO_2$ -enriched atmosphere, New Phytol., 131, 91-97.

상세보기
Oh, S., Moon, K. H., Song, E. Y., Son, I. C., Koh, S. C., 2015, Photosynthesis of Chinese cabbage and radish in response to rising leaf temperature during spring, Hort. Environ. Biotechnol., 56, 159-166.

상세보기
Oh, S., Son, I. C., Wi, S. H., Song, E. Y., Koh, S. C., 2016, Photosynthetic and growth responses of Chinese cabbage to rising atmospheric $CO_2$ , Kor. J. Agric. Forest Meteorol., 18, 357-365.

원문보기 상세보기
Pinero, M. C., Houdusse, F., Garcia Mina, J. M., Garnica, M., del Amor, F. M., 2014, Regulation of hormonal responses of sweet pepper as affected by salinity and elevated $CO_2$ concentration, Physiol. planta., 151, 375-389.

상세보기
Poorter, H., 1993, Interspecific variation in the growth response of plants to an elevated ambient $CO_2$ concentration, Vegetatio, 104, 77-97.

상세보기
Sreeharsha, R. V., Sekhar, K. M., Reddy, A. R., 2015, Delayed flowering is associated with lack of photosynthetic acclimation in Pigeon pea (Cajanus cajan L.) grown under elevated $CO_2$ , Plant Sci., 231, 82-93.

상세보기
Vuorinen, T., Reddy, G. V. P., Nerg, A. M., Holopainen, J. K., 2004, Monoterpene and herbivore-induced emissions from cabbage plants grown at elevated atmospheric $CO_2$ concentration, Atmos. Environ., 38, 675-682.

상세보기
Ward, J. K., Strain, B. R., 1999, Elevated $CO_2$ studies: Past, present and future, Tree Physiol., 19, 211-220.

상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증