인삼 수경재배 시 붕소와 철 과잉 농도가 인삼의 생리장해 증상, 생육 및 무기원소 흡수에 미치는 영향 Influence of Boron and Iron Toxicity on the Physiological Status, Growth, and Mineral Uptake of Ginseng in Hydroponic Culture원문보기
Background: Ginseng is a perennial crop grown for more than four years in the same place. Therefore, it is highly affected by the soil environment, especially nutrients in the soil. The present study was carried out to investigate to the influence of boron and iron concentrations on the physiologica...
Background: Ginseng is a perennial crop grown for more than four years in the same place. Therefore, it is highly affected by the soil environment, especially nutrients in the soil. The present study was carried out to investigate to the influence of boron and iron concentrations on the physiological status, growth, and mineral uptake of ginseng to obtain the basic information for diagnosing a physiological disorder in ginseng plants. Methods and Results: The boron and iron concentrations were controlled at 3, 30, 150, 300 and 2, 20, 100, $200mg/{\ell}$, respectively. When treated with $150mg/{\ell}$ of boron, the ginseng plants showed yellowing or necrosis symptoms at the edge or end of their leaves. Compared with the $3mg/{\ell}$ treatment, the root weight decreased by 13 and 24% in the 150 and $300mg/{\ell}$ treatments, respectively. When treated with $20mg/{\ell}$ of iron, the ginseng plants showed yellowing between the veins of the leaves followed by the formation of brown spots. The root weight gradually decreased with increasing iron concentration. Approximately 55% decrease in root weight was observed upon treatment with $200mg/{\ell}$ of iron. Conclusions: The boron toxicity occurs in the leaves of ginseng at the boron concentration of approximately 1,900 mg/kg or more. The iron toxicity occurs at the iron concentration of approximately 120 mg/kg for leaves and 270 mg/kg for roots.
Background: Ginseng is a perennial crop grown for more than four years in the same place. Therefore, it is highly affected by the soil environment, especially nutrients in the soil. The present study was carried out to investigate to the influence of boron and iron concentrations on the physiological status, growth, and mineral uptake of ginseng to obtain the basic information for diagnosing a physiological disorder in ginseng plants. Methods and Results: The boron and iron concentrations were controlled at 3, 30, 150, 300 and 2, 20, 100, $200mg/{\ell}$, respectively. When treated with $150mg/{\ell}$ of boron, the ginseng plants showed yellowing or necrosis symptoms at the edge or end of their leaves. Compared with the $3mg/{\ell}$ treatment, the root weight decreased by 13 and 24% in the 150 and $300mg/{\ell}$ treatments, respectively. When treated with $20mg/{\ell}$ of iron, the ginseng plants showed yellowing between the veins of the leaves followed by the formation of brown spots. The root weight gradually decreased with increasing iron concentration. Approximately 55% decrease in root weight was observed upon treatment with $200mg/{\ell}$ of iron. Conclusions: The boron toxicity occurs in the leaves of ginseng at the boron concentration of approximately 1,900 mg/kg or more. The iron toxicity occurs at the iron concentration of approximately 120 mg/kg for leaves and 270 mg/kg for roots.
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문제 정의
이와 같이 필수 미량원소 중 인삼에 영향을 많이 미칠 것으로 예상되는 붕소와 철의 영향을 양분 외에 다른 요인들의 영향을 최소화 한 환경에서 보고자 하였고, 배양액 내 미량원소인 붕소와 철의 농도를 변화시켜 인위적으로 과잉 증상을 발현시킨 후 과잉증상의 특징과 식물체 내 무기원소 함량을 분석하여 생리장해 진단을 위한 기초 자료를 확보하고자 본 연구를 수행하였다.
제안 방법
지상부 특성 중 경장은 뇌두 바로 위부터 잎자루 착생부까지의 길이를 측정하였고 엽장과 엽폭은 각 개체당 가장 큰 잎의 길이와 폭을 측정하였다. SPAD 값은 엽색계(Konica Minolta Inc., Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였고 지상부 생체중은 잎과 줄기의 무게를 측정하였다. 지하부 특성 중 근장은 뇌두 바로 아래부터 가장 긴 뿌리 끝까지의 길이를 측정하였고 근직경은 개체당 가장 굵은 부분을 버니어캘리퍼스 (Mitutoyo, Kawasaki, Japan)로 측정하였으며, 근중은 주근과 지근을 모두 포함한 생체 무게를 측정하였다.
, Tokyo, Japan) 10㎖를 가한 후 용기를 밀폐하고 15 분간 180℃까지 상승시킨 후 5 분간 온도 유지, 10 분간 240℃까지 상승시킨 후 분해하였다. 분해가 완료되면 vessel을 실온까지 내놓아 식힌 다음, 50㎖ 메스플라스크에 깔때기와 No. 6 여과지로 여과한 후 ICP OES (GBC Scientific Equipment, Braeside, Australia)를 이용하여 무기성분 함량을 측정하였다.
01㎎/ℓ의 농도로 조제한 양액을 기본으로 사용하였다. 붕소와 철 농도가 인삼에 미치는 영향을 보기위해 붕소는 H3BO3을 이용하여 3, 30, 150, 300㎎/ℓ, 철은 FeNa-EDTA을 이용하여 2, 20, 100, 200㎎/ℓ으로 조절하여 처리하였다. 양액은 인삼이 정상적으로 출아한 것을 확인한 후 이식 20 일 후인 2015년 8월 중순에 처리하였다.
붕소와 철 농도에 대한 인삼의 생육 및 생리적인 영향을 보기 위해 본 실험에서는 담액 재배 및 양액 처리 시 3 차 증류수를 이용하였고, 다량원소는 N 6.5, P 1.5, K 4.0, Ca 2.0, Mg 1.0㎎/ℓ, 미량원소는 FeNa-EDTA 3, B 3, Mn 2,Zn 0.2, Cu 0.05, Mo 0.01㎎/ℓ의 농도로 조제한 양액을 기본으로 사용하였다. 붕소와 철 농도가 인삼에 미치는 영향을 보기위해 붕소는 H3BO3을 이용하여 3, 30, 150, 300㎎/ℓ, 철은 FeNa-EDTA을 이용하여 2, 20, 100, 200㎎/ℓ으로 조절하여 처리하였다.
시설 내부 온도 관리는 냉난방기 (Samsung, Suwon, Korea)를 이용하여 20 - 24℃ 범위로 관리하였다. 식물의 광합성 및 생육에 필요한 파장의 광을 정확히 조사하고 에너지 절감을 위해 광원으로는 LED를 사용하였다. 620 - 650㎚의 적색 파장과 450 - 470㎚의 청색 파장이 3 : 1의 비율로 혼합된 형광등 타입의 LED (UPC Korea Co.
양액의 pH는 pH meter (Mettler-Toledo International Inc.,Columbus, OH, USA)를 사용하여 조사한 후 2.5 N KOH와 HCl 용액을 이용하여 5.5 ± 0.5로 조절하였는데 실험 중 양액의 평균 pH는 5.43 ± 0.2였다.
인삼의 생육특성은 인삼 이식 약 60 일 후 2015년 9월 하순에 지상부와 지하부로 나누어 처리별 20 개체씩 3 반복으로 조사하였다. 지상부 특성 중 경장은 뇌두 바로 위부터 잎자루 착생부까지의 길이를 측정하였고 엽장과 엽폭은 각 개체당 가장 큰 잎의 길이와 폭을 측정하였다.
인삼의 생육특성은 인삼 이식 약 60 일 후 2015년 9월 하순에 지상부와 지하부로 나누어 처리별 20 개체씩 3 반복으로 조사하였다. 지상부 특성 중 경장은 뇌두 바로 위부터 잎자루 착생부까지의 길이를 측정하였고 엽장과 엽폭은 각 개체당 가장 큰 잎의 길이와 폭을 측정하였다. SPAD 값은 엽색계(Konica Minolta Inc.
, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였고 지상부 생체중은 잎과 줄기의 무게를 측정하였다. 지하부 특성 중 근장은 뇌두 바로 아래부터 가장 긴 뿌리 끝까지의 길이를 측정하였고 근직경은 개체당 가장 굵은 부분을 버니어캘리퍼스 (Mitutoyo, Kawasaki, Japan)로 측정하였으며, 근중은 주근과 지근을 모두 포함한 생체 무게를 측정하였다.
대상 데이터
620 - 650㎚의 적색 파장과 450 - 470㎚의 청색 파장이 3 : 1의 비율로 혼합된 형광등 타입의 LED (UPC Korea Co., Ltd.,Seoul, Korea)를 이용하였는데 전엽 후 잎의 높이에서 측정하였을 때 광량은 약 45 - 50 μ㏖ 이었다.
,Seoul, Korea)를 이용하였는데 전엽 후 잎의 높이에서 측정하였을 때 광량은 약 45 - 50 μ㏖ 이었다. 본 실험에 사용한 인삼 (Panax ginseng C. A. Meyer)은 2015년 3월에 채굴한 금풍 묘삼으로서 0.8 - 1.0 g의 무게로 선별한 후 플라스틱 포트 (용적 2,000㎖)와 에어펌프 등을 이용하여 만든 담액 재배기에 2015년 7월 하순에 이식 한 후 처리당 3 반복으로 수행하였고, 실험은 2 회 반복하였다.
본 실험은 2015년 3월부터 2015년 11월까지 국립원예특작 과학원 인삼특작부 자동화 유리온실 내의 식물공장형 LED실에서 실시하였다. 시설 내부 온도 관리는 냉난방기 (Samsung, Suwon, Korea)를 이용하여 20 - 24℃ 범위로 관리하였다.
식물체 분석은 2015년 9월 하순에 수확한 인삼의 지상부와 지하부를 분석하였다. 시료 전처리를 위해 Microwave Digestion System (CEM Co.
데이터처리
모든 분석은 SAS 프로그램 (SAS v9.2, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)을 이용하여 분산분석 (ANOVA)을 실시 한 후 처리 간에 차이가 있을 경우 5% 유의수준에서 Duncan’s Multiple Range Test (DMRT)로 분석하였다.
성능/효과
, 1997). Table 1에서와 같이 붕소 농도에 따른 인삼의 지상부 및 지하부 생육 특성을 조사한 결과, 지상부 생체중에 큰 영향을 미쳤는데 150, 300㎎/ℓ처리구는 대조구인 3㎎/ℓ에 비해 생체중이 약 13%, 24%씩 감소하였다. 붕소 농도가 증가할수록 경장은 감소하는 경향은 뚜렷하게 나타났는데 대조구에서 6.
철 농도에 따른 인삼의 지상부 및 지하부 생육 특성을 조사한 결과는 Table 2와 같다. 경장은 철 농도가 증가할수록 감소하는 경향을 나타냈는데 특히 100, 200㎎/ℓ 농도의 철이 처리되었을 때 대조구인 2㎎/ℓ에 비해 24, 21% 감소하였다. 엽장과 엽폭은 철 20㎎/ℓ 처리 시 7.
본 실험에서 인삼의 생육 특성은 전반적으로 철 20㎎/ℓ 처리 시 대조구와 비슷하거나 더 우수하였다. 그러나 20㎎/ℓ 처리에서도 잎에 생리장해 증상이 나타나기 시작한 점으로 미루어 보아, 철은 2 - 20㎎/ℓ 범위로 처리해야 과잉 증상 없이 안정적인 생육을 도모할 수 있을 것으로 판단된다.
본 실험에 의하면 인삼의 철 과잉 증상은 잎과 뿌리에 모두 나타나고, 철 20㎎/ℓ의 처리에서도 잎에 약한 과잉 장해 증상이 나타났으며 그 이상의 농도에서는 2 - 3 주 안에 잎과 뿌리에 장해 증상이 나타난다. 또한 뿌리가 썩고 갈색으로 변하는 등 다른 미량원소에 비해 철 과잉 농도는 더 치명적인 영향을 줄 것으로 판단된다.
본 실험에 의하면 인삼의 붕소 과잉 증상은 줄기와 뿌리보다 잎에 잘 나타나는 것을 알 수 있었고, 묘삼을 이용한 담액수경재배시 약 60 일 동안은 30㎎/ℓ이하의 붕소 농도에서는 과잉 증상이 발현되지 않지만 그 이상의 농도에서는 증상이 나타날 것으로 판단된다.
본 실험에 의하면 인삼의 철 과잉 증상은 잎과 뿌리에 모두 나타나고, 철 20㎎/ℓ의 처리에서도 잎에 약한 과잉 장해 증상이 나타났으며 그 이상의 농도에서는 2 - 3 주 안에 잎과 뿌리에 장해 증상이 나타난다. 또한 뿌리가 썩고 갈색으로 변하는 등 다른 미량원소에 비해 철 과잉 농도는 더 치명적인 영향을 줄 것으로 판단된다.
고농도의 철 함량이 근중을 감소시키는 것으로 보아 수량 감소에도 깊은 관련이 있을 것으로 판단된다. 본 실험에서 인삼의 생육 특성은 전반적으로 철 20㎎/ℓ 처리 시 대조구와 비슷하거나 더 우수하였다. 그러나 20㎎/ℓ 처리에서도 잎에 생리장해 증상이 나타나기 시작한 점으로 미루어 보아, 철은 2 - 20㎎/ℓ 범위로 처리해야 과잉 증상 없이 안정적인 생육을 도모할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 1에서와 같이 붕소 농도에 따른 인삼의 지상부 및 지하부 생육 특성을 조사한 결과, 지상부 생체중에 큰 영향을 미쳤는데 150, 300㎎/ℓ처리구는 대조구인 3㎎/ℓ에 비해 생체중이 약 13%, 24%씩 감소하였다. 붕소 농도가 증가할수록 경장은 감소하는 경향은 뚜렷하게 나타났는데 대조구에서 6.7㎝로 가장 큰 값을, 300㎎/ℓ에서는 4.8㎝로 가장 작은 값을 나타내었다. 엽장과 엽폭은 30㎎/ℓ까지는 증가하였지만 그 이상의 농도에서는 감소하였다.
높은 붕소함량에도 잎에 과잉 증상이 직접적으로는 나타나지 않은 것으로 보아 인삼은 붕소에 극히 민감한 작물은 아니며 증상 발현의 속도가 다른 작물에 비해 오래 걸리는 것으로 판단된다. 붕소 처리 농도가 증가할수록 잎의 붕소 함량이 뚜렷하게 증가하여 150, 300㎎/ℓ 처리구에서는 1,922.6, 2,880.6㎎/㎏ 으로 높게 분석되었다.
엽록소 함량 역시 붕소 농도가 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 붕소가 결제되었을 때 엽록소 함량은 42.7로 가장 큰 값을 나타낸 후 150㎎/ℓ 이상의 처리부터 급격히 감소되었는데 150, 300㎎/ℓ 처리 시 대조구에 비해 각각 27%, 30%씩 감소하였다. 이는 잎의 엽록소 황화로 인한 결과로 생각된다.
2㎝로 가장 큰 값을 나타냈다. 엽록소 함량은 철 처리량이 증가할수록 증가하다가 철 100㎎/ℓ 이상의 처리부터 감소하는 경향을 나타냈는데 200㎎/ℓ 처리 시 대조구 2㎎/ℓ 비해 30% 감소하였다. 지상부 생체중은 역시 고농도의 철 처리 시 감소하는 경향이 뚜렷했는데 200㎎/ℓ 처리 시 대조구 대비 약 27% 감소하였다.
음이온인 붕소의 처리 농도가 증가하여 흡수량이 증가할 때 양이온의 흡수량 또한 증가하는 상조작용에 기인한 것인지는 추후 보완 연구가 필요한 부분이라고 생각된다 (Marschner, 2012). 이상의 결과, 2 년생 인삼 잎에 붕소함량이 약 1,900 ㎎/㎏ 이상일 때 잎에 뚜렷한 과잉증상이 나타난다고 판단된다.
철 함량이 증가할수록 망간 함량은 감소한 반면 총 질소, 인산, 칼륨, 칼슘, 구리의 함량은 증가하였다. 잎과 뿌리의 식물체 분석을 종합해보면, 인삼에 철 과잉 증상이 발생하는 철 농도는 잎은 약 120㎎/㎏, 뿌리는 약 270㎎/㎏ 전후로 생각된다.
2㎎/㎏와 유의한 차이가 없었는데 이에 관해서는 흡수된 원소 함량 외에 다른 원인이 있을 것으로 추정되며 추후 연구가 필요할 것으로 보인다. 철 함량이 증가할수록 망간 함량은 감소한 반면 총 질소, 인산, 칼륨, 칼슘, 구리의 함량은 증가하였다. 잎과 뿌리의 식물체 분석을 종합해보면, 인삼에 철 과잉 증상이 발생하는 철 농도는 잎은 약 120㎎/㎏, 뿌리는 약 270㎎/㎏ 전후로 생각된다.
후속연구
뿌리가 무르고 썩는 증상이 나타나기 시작한 철 100 ㎎/ℓ처리 시 철 함량은 275.2㎎/㎏ 으로 증상이 나타나지 않았던 철 20㎎/ℓ 처리 시 철 함량 280.2㎎/㎏와 유의한 차이가 없었는데 이에 관해서는 흡수된 원소 함량 외에 다른 원인이 있을 것으로 추정되며 추후 연구가 필요할 것으로 보인다. 철 함량이 증가할수록 망간 함량은 감소한 반면 총 질소, 인산, 칼륨, 칼슘, 구리의 함량은 증가하였다.
이러한 경향은 뿌리에서도 비슷하게 나타났다. 음이온인 붕소의 처리 농도가 증가하여 흡수량이 증가할 때 양이온의 흡수량 또한 증가하는 상조작용에 기인한 것인지는 추후 보완 연구가 필요한 부분이라고 생각된다 (Marschner, 2012). 이상의 결과, 2 년생 인삼 잎에 붕소함량이 약 1,900 ㎎/㎏ 이상일 때 잎에 뚜렷한 과잉증상이 나타난다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
식물에게 철은 무엇에 대해 관여하는가?
철은 미량원소 중 식물에게 가장 많은 양을 필요한 원소로서 호흡, 광합성, 단백질 합성 및 각종 효소의 활성에 관여한다. 철은 지구의 표면에 4번째로 풍부한 원소이지만, 토양에서 낮은 용해도 때문에 식물이 정상적인 생육을 위해 필요로 하는 10-9- 10−4 M의 농도보다 훨씬 적은 양을 함유하고 있는 경우가 많다 (Martin et al.
인삼 뿌리의 생리잘해인 적변이 발생하는 이유는?
, 2013). 인삼 뿌리의 생리장해인 적변은 뿌리 표피에 철 등의 특정 무기성분이 고농도로 축적된 후 페놀 산화과정이 진행되어 나타난다고 알려져있다(Zhou et al., 2016).
엽록소 함량 역시 붕소 농도가 증가할수록 감소하는 경향이 나타났는데 그 이유는?
7로 가장 큰 값을 나타낸 후 150㎎/ℓ 이상의 처리부터 급격히 감소되었는데 150, 300㎎/ℓ 처리 시 대조구에 비해 각각 27%, 30%씩 감소하였다. 이는 잎의 엽록소 황화로 인한 결과로 생각된다. 붕소 과잉 처리에 의한 엽록소 황화는 광합성 능력에 영향을 끼쳐 인삼 지상부 및 지하부의 생육에 영향을 미친 것으로 판단된다. 은피 방제를 위한 붕소시용 시험에서도 10 a 당 붕소 비료 5㎏ 시용한 처리구에서 과다증이 나타났으며 과다증상이 없는 것도 엽장, 엽록소 함량과 경직경이 모두 작았다고 하였는데 본 실험 결과와 어느 정도 일치하였다 (KGTRI, 1982).
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