본 연구에서 배초향 종자의 다양한 저장조건에서의 활력변화를 조사하여 종자 등온흡습곡선, 활력 공식을 예측하였다. 그 결과 배초향의 등온흡습곡선은 전형적인 S 형태로 나타났으나 Phase I이 관찰되지 않아 상대습도 11% 이전에서 단분자층 수분함량이 형성될 것으로 보인다. Log 수분함량에 대한 Log 수명(${\sigma}$)의 영향은 선형 반응을 보였다. 하지만 낮은 상대습도 조건(RH 11%)의 수명은 예측값보다 비교적 낮게 나타났다. 온도에 대한 수명의 반응은 2차 선형 반응을 보였으며, 모델의 예측값에 대하여 특별한 경향이 나타나지 않았다. Universal constant를 사용하는 Two step model을 활용한 배초향 종자 활력 공식의 예측 결과 높은 온도, 높은 수분함량에서는 비교적 모델과 비슷한 경향이 관찰되었으나, 낮은 온도, 낮은 수분함량에서는 데이터의 변이가 크게 나타나는 경향이 관찰되었다. 이는 야생 종자인 배초향 종자가 지닌 휴면, 활력의 불균일성과 같은 요인에 의한 것으로 판단된다. 배초향 종자의 활력 공식을 활용한 P85예측 결과 종자은행에서의 표준 조건에서 가장 긴 저장 기간을 보였다. 종자은행의 표준 건조조건에서 건조된 배초향 종자의 P85는 종자은행 장기저장조건 ($-20^{\circ}C$)이 196년으로 예측되었다. 하지만 one step 모형에서는 P85가 560년으로 예측되어 활력 공식의 예측 방식 선정의 중요성을 보여줬다. 배초향 종자와 같은 야생식물은 대량의 연구재료를 확보하기 쉽지 않기 때문에 일반적인 작물 종자 장기저장 프로세스와는 다르게 수명 예측을 활용하여 갱신 시기, 모니터링 시기의 최적화가 필요하다. 본 결과로 도출된 배초향 종자의 P85는 이러한 프로세스의 최적화의 기준으로 활용 가능할 것으로 사료된다.
본 연구에서 배초향 종자의 다양한 저장조건에서의 활력변화를 조사하여 종자 등온흡습곡선, 활력 공식을 예측하였다. 그 결과 배초향의 등온흡습곡선은 전형적인 S 형태로 나타났으나 Phase I이 관찰되지 않아 상대습도 11% 이전에서 단분자층 수분함량이 형성될 것으로 보인다. Log 수분함량에 대한 Log 수명(${\sigma}$)의 영향은 선형 반응을 보였다. 하지만 낮은 상대습도 조건(RH 11%)의 수명은 예측값보다 비교적 낮게 나타났다. 온도에 대한 수명의 반응은 2차 선형 반응을 보였으며, 모델의 예측값에 대하여 특별한 경향이 나타나지 않았다. Universal constant를 사용하는 Two step model을 활용한 배초향 종자 활력 공식의 예측 결과 높은 온도, 높은 수분함량에서는 비교적 모델과 비슷한 경향이 관찰되었으나, 낮은 온도, 낮은 수분함량에서는 데이터의 변이가 크게 나타나는 경향이 관찰되었다. 이는 야생 종자인 배초향 종자가 지닌 휴면, 활력의 불균일성과 같은 요인에 의한 것으로 판단된다. 배초향 종자의 활력 공식을 활용한 P85예측 결과 종자은행에서의 표준 조건에서 가장 긴 저장 기간을 보였다. 종자은행의 표준 건조조건에서 건조된 배초향 종자의 P85는 종자은행 장기저장조건 ($-20^{\circ}C$)이 196년으로 예측되었다. 하지만 one step 모형에서는 P85가 560년으로 예측되어 활력 공식의 예측 방식 선정의 중요성을 보여줬다. 배초향 종자와 같은 야생식물은 대량의 연구재료를 확보하기 쉽지 않기 때문에 일반적인 작물 종자 장기저장 프로세스와는 다르게 수명 예측을 활용하여 갱신 시기, 모니터링 시기의 최적화가 필요하다. 본 결과로 도출된 배초향 종자의 P85는 이러한 프로세스의 최적화의 기준으로 활용 가능할 것으로 사료된다.
There is little information about the seed longevity of wild plants, although seed bank storage is an important tool for biodiversity conservation. This study was conducted to predict the seed viability equation of Agastache rugosa. The A. rugosa seeds were stored at moisture contents ranging from 2...
There is little information about the seed longevity of wild plants, although seed bank storage is an important tool for biodiversity conservation. This study was conducted to predict the seed viability equation of Agastache rugosa. The A. rugosa seeds were stored at moisture contents ranging from 2.7 to 12.5%, and temperatures between 10 and $50^{\circ}C$. Viability data were fitted to the seed viability equation in a one step and two step approach. The A. rugosa seeds showed orthodox seed storage behaviour. The viability constants were $K_E=6.9297$, $C_W=4.2551$$C_H=0.0329$, and $C_Q=0.00048$. The P85 of A. rugosa seeds was predicted to 152 years under standard seed bank conditions. The P85 predicted by seed viability equation can be used as basic information for optimization of seed storage processes.
There is little information about the seed longevity of wild plants, although seed bank storage is an important tool for biodiversity conservation. This study was conducted to predict the seed viability equation of Agastache rugosa. The A. rugosa seeds were stored at moisture contents ranging from 2.7 to 12.5%, and temperatures between 10 and $50^{\circ}C$. Viability data were fitted to the seed viability equation in a one step and two step approach. The A. rugosa seeds showed orthodox seed storage behaviour. The viability constants were $K_E=6.9297$, $C_W=4.2551$$C_H=0.0329$, and $C_Q=0.00048$. The P85 of A. rugosa seeds was predicted to 152 years under standard seed bank conditions. The P85 predicted by seed viability equation can be used as basic information for optimization of seed storage processes.
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문제 정의
본 연구에서는 경기도 남양주시에서 수집된 꿀풀과의 배초향(Agastache rugosa) 종자의 다양한 저장온도와 수분함량에 따른 저장 반응을 시험하고, 종자 활력 공식을 예측하였다. 또한 평형상대습도에 따른 수분함량을 측정하여 종자 등 온흡습곡선 또한 예측하였다.
또한 평형상대습도에 따른 수분함량을 측정하여 종자 등 온흡습곡선 또한 예측하였다. 이를 활용하여 야생식물 종자 저장기관에서 활용 가능한 기초 데이터를 제공하고자 한다.
가설 설정
배초향의 예측된 종자 활력 공식을 실제 종자은행에서 활용하기 위하여 활력이 85%, 50%, 35%로 감소하는 데 걸리는 시간을 예측하였다. 종자의 수분함량은 일반적인 종자 건조 지표인 수분함량 5%, 종자은행 표준 건조조건인 15℃ RH 15%, 건조 시설이 아닌 일반적인 조건에서의 건조조건인 20℃, RH 50%에서의 평형이 이루어진 종자를 가정하여 등온흡습곡선으로 추정하였다. 최초의 발아율은 99%로 가정하였으며, 4가지 모델 모두 예측을 수행하여 각 모델 간의 차이를 분석하였다.
종자의 수분함량은 일반적인 종자 건조 지표인 수분함량 5%, 종자은행 표준 건조조건인 15℃ RH 15%, 건조 시설이 아닌 일반적인 조건에서의 건조조건인 20℃, RH 50%에서의 평형이 이루어진 종자를 가정하여 등온흡습곡선으로 추정하였다. 최초의 발아율은 99%로 가정하였으며, 4가지 모델 모두 예측을 수행하여 각 모델 간의 차이를 분석하였다.
제안 방법
상대습도는 다양한 농도의 Lithium Chloride (LiCl) 용액을 유리 밀폐용기에 넣어 조절하였다(Gold and Manger 2008; Gold and Hay 2014). 각각의 상대습도 용기는 HOBO Temp/RH Data Logger (Onset)를 활용하여 온도와 상대습도를 모니터링하였다. 종자는 망에 담아 각각의 조건별로 저장하여 기간별로 50립씩 2반복으로 꺼내어 활력 검정을 수행하였다.
배초향 종자의 저장 기간을 예측하기 위하여 종자은행에서의 표준 조건에서의 건조, 저장이 이루어졌을 때를 포함하여 9가지의 건조, 저장조건에서의 P85, P50, P35를 예측하였다. 또한 예측 방법을 달리했을 때의 영향을 평가하기 위하여 one step과 two step 예측에서 도출된 모형 간의 값들도 비교하였다. 그 결과 두 모형 모두 종자은행에서의 표준 조건에서 가장 긴 저장 기간을 보였다.
본 연구에서는 경기도 남양주시에서 수집된 꿀풀과의 배초향(Agastache rugosa) 종자의 다양한 저장온도와 수분함량에 따른 저장 반응을 시험하고, 종자 활력 공식을 예측하였다. 또한 평형상대습도에 따른 수분함량을 측정하여 종자 등 온흡습곡선 또한 예측하였다. 이를 활용하여 야생식물 종자 저장기관에서 활용 가능한 기초 데이터를 제공하고자 한다.
종자는 망에 담아 각각의 조건별로 저장하여 기간별로 50립씩 2반복으로 꺼내어 활력 검정을 수행하였다. 발아 시험은 1% Agar 배지에 치상하여 6주 동안 발아율을 조사한 후, 발아를 하지 않은 종자는 4℃에서 6주 동안 저온 습윤처리를 수행하여 휴면을 타파하여 주었다. 휴면타파 후, 다시 4주 후에 발아율을 확인하였다.
유근이 2 mm 이상 돌출된 종자를 발아로 판정하였다. 발아한 종자+휴면처리 후 발아한 종자를 활력이 있는 종자로 판단하였으며 발아되지 않은 종자는 Crush test를 수행하여 죽은 종자를 판정하였다.
배초향 종자의 노화 실험은 2015년에 수행하였다. 배초향 종자를 5조건의 온도 10, 20, 30, 40, 50℃, 9조건의 상대습도 11, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80% 조합으로 저온, 저습 조건을 제외한 총 32조건에 저장한 후 저장 기간에 따른 활력의 변화를 검정하였다. 상대습도는 다양한 농도의 Lithium Chloride (LiCl) 용액을 유리 밀폐용기에 넣어 조절하였다(Gold and Manger 2008; Gold and Hay 2014).
배초향 종자의 32조건의 독립된 저장 실험에 대하여 활력의 감소 양상에 대하여 분석하였다. 그 결과 10℃의 4조건을 포함한 총 8조건에서는 의미 있는 활력의 감소가 관찰되지 않았다(Table 1).
배초향 종자의 저장 기간을 예측하기 위하여 종자은행에서의 표준 조건에서의 건조, 저장이 이루어졌을 때를 포함하여 9가지의 건조, 저장조건에서의 P85, P50, P35를 예측하였다. 또한 예측 방법을 달리했을 때의 영향을 평가하기 위하여 one step과 two step 예측에서 도출된 모형 간의 값들도 비교하였다.
배초향 종자의 저장조건별 시간에 따른 활력 감소는 예측된 종자 활력 곡선을 활용하여 예측되었다(Fig. 4). 높은 온도, 높은 수분함량에서는 비교적 모델과 비슷한 경향이 관찰되었으나, 낮은 온도, 낮은 수분함량에서는 데이터의 변이가 크게 나타나는 경향이 관찰되었다.
계수 또한 음수의 값이 도출되어 활용에 문제가 있었다. 온도계수를 Universal constant를 사용한 예측 방법 중에서는 Two step model이 One step model에 비하여 낮은 Residual mean square가 나타나 온도계수를 Universal constant를 사용한 Two step model을 최종적으로 선발하였다(Table 2).
휴면타파 후, 다시 4주 후에 발아율을 확인하였다. 유근이 2 mm 이상 돌출된 종자를 발아로 판정하였다. 발아한 종자+휴면처리 후 발아한 종자를 활력이 있는 종자로 판단하였으며 발아되지 않은 종자는 Crush test를 수행하여 죽은 종자를 판정하였다.
32조건의 저장 실험 데이터는 One step, Two step 모델에 대하여 각각 선형, 비선형 회귀분석을 수행하였다. 종자 활력 공식의 온도 계수들 (CH, CQ)은 독립적인 예측과 여러가지 종들에 보편적으로 사용되고 있는 Universal constants(CH=0.0329, CQ=0.00048)를 활용한 예측을 모두 수행하였다. 종자 활력 공식의 계수를 예측하기 위한 2가지 접근법, 2가지 온도계수 종류, 총 4종류의 모델은 F-teat의 Residual mean square 값을 활용하여 데이터에 대한 적합도를 평가하였다.
각각의 상대습도 용기는 HOBO Temp/RH Data Logger (Onset)를 활용하여 온도와 상대습도를 모니터링하였다. 종자는 망에 담아 각각의 조건별로 저장하여 기간별로 50립씩 2반복으로 꺼내어 활력 검정을 수행하였다. 발아 시험은 1% Agar 배지에 치상하여 6주 동안 발아율을 조사한 후, 발아를 하지 않은 종자는 4℃에서 6주 동안 저온 습윤처리를 수행하여 휴면을 타파하여 주었다.
대상 데이터
배초향 종자의 노화 실험은 2015년에 수행하였다. 배초향 종자를 5조건의 온도 10, 20, 30, 40, 50℃, 9조건의 상대습도 11, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80% 조합으로 저온, 저습 조건을 제외한 총 32조건에 저장한 후 저장 기간에 따른 활력의 변화를 검정하였다.
실험에 사용된 배초향 종자는 고려대학교 야생자원식물 종자은행에서 분양받아서 활용하였다. 실험종자는 2013년에 경기도 남양주에서 수확 후 음건하여 실험 전까지 -20℃에 보관하였다.
실험에 사용된 배초향 종자는 고려대학교 야생자원식물 종자은행에서 분양받아서 활용하였다. 실험종자는 2013년에 경기도 남양주에서 수확 후 음건하여 실험 전까지 -20℃에 보관하였다.
데이터처리
32조건의 저장 실험 데이터는 One step, Two step 모델에 대하여 각각 선형, 비선형 회귀분석을 수행하였다. 종자 활력 공식의 온도 계수들 (CH, CQ)은 독립적인 예측과 여러가지 종들에 보편적으로 사용되고 있는 Universal constants(CH=0.
등온흡습곡선의 예측을 수행하기 위하여 32조건의 상대습도별 수분함량 데이터를 D’Arcy-Watt model에 비선형 회귀분석을 수행하였다.
종자 활력 공식의 계수를 예측하기 위한 2가지 접근법, 2가지 온도계수 종류, 총 4종류의 모델은 F-teat의 Residual mean square 값을 활용하여 데이터에 대한 적합도를 평가하였다. 저장 실험 데이터의 선형, 비선형 회귀분석은 SAS 9,4(SAS Institute Inc)의 PROC REG와 PROC NLIN을 활용하여 수행하였다.
)을 추정할 수 있다. 등온흡습곡선의 예측을 위하여 다양한 온도와 습도별로 저장된 조건별로 종자의 수분함량 측정을 위하여, ISTA의 Oven method를 활용하였다(105℃, 17 hr) (ISTA 2007). 조사된 상대습도별 수분함량은 D’Arcy-Watt model에 회귀분석을 수행하였다 (공식 4)(Vertucci and Leopold, 1987).
등온흡습곡선의 예측을 수행하기 위하여 32조건의 상대습도별 수분함량 데이터를 D’Arcy-Watt model에 비선형 회귀분석을 수행하였다. 이를 위하여 Sigmaplot 10.0 (Systat software)의 Dynamic fit wizard를 활용하였다.
00048)를 활용한 예측을 모두 수행하였다. 종자 활력 공식의 계수를 예측하기 위한 2가지 접근법, 2가지 온도계수 종류, 총 4종류의 모델은 F-teat의 Residual mean square 값을 활용하여 데이터에 대한 적합도를 평가하였다. 저장 실험 데이터의 선형, 비선형 회귀분석은 SAS 9,4(SAS Institute Inc)의 PROC REG와 PROC NLIN을 활용하여 수행하였다.
성능/효과
같은 데이터를 활용하여 예측 방법만을 다르게 한 one step model과 two step model의 비교 결과 -20℃ 표준 종자은행 조건에서 P85가 one step 모형이 560년 two step 모형이 196년으로 one step 모형이 2.8배 높게 나타났다. 이는 향후 활력 공식을 활용한 수명 예측을 종자은행 운영에 활용할 때 활력 공식의 예측 방식 선정의 중요성을 보여준다.
배초향 종자의 32조건의 독립된 저장 실험에 대하여 활력의 감소 양상에 대하여 분석하였다. 그 결과 10℃의 4조건을 포함한 총 8조건에서는 의미 있는 활력의 감소가 관찰되지 않았다(Table 1). 이 데이터들은 종자 활력 공식 계수를 예측하는 데 사용되지 않았다.
또한 예측 방법을 달리했을 때의 영향을 평가하기 위하여 one step과 two step 예측에서 도출된 모형 간의 값들도 비교하였다. 그 결과 두 모형 모두 종자은행에서의 표준 조건에서 가장 긴 저장 기간을 보였다. 종자은행의 표준 건조조건에서 건조된 배초향 종자의 P85는 Two step 모형에서 종자은행 장기저장조건 (-20℃)이 196년으로 예측되었으며, 종자은행 단기저장고 조건(5℃)에서는 45년, 상온(20℃)에서는 9년으로 예측되었다.
4). 높은 온도, 높은 수분함량에서는 비교적 모델과 비슷한 경향이 관찰되었으나, 낮은 온도, 낮은 수분함량에서는 데이터의 변이가 크게 나타나는 경향이 관찰되었다. 이는 야생 종자인 배초향 종자가 지닌 휴면, 활력의 불균일성과 같은 요인에 의한 것으로 판단된다.
배초향 종자의 수명 공식의 계수를 산출하기 위한 4가지 방법에 대한 비교 결과 온도계수를 독립적으로 예측하였을 때는 F-value가 유의성이 없었으며, CH 계수 또한 음수의 값이 도출되어 활용에 문제가 있었다. 온도계수를 Universal constant를 사용한 예측 방법 중에서는 Two step model이 One step model에 비하여 낮은 Residual mean square가 나타나 온도계수를 Universal constant를 사용한 Two step model을 최종적으로 선발하였다(Table 2).
배초향의 종자 등온흡습곡선을 예측한 결과 상대습도의 증가에 따라 수분함량의 증가가 나타났다 (Fig. 1). 배초향의 지질 함량은 33.
그 이하부터 빠른 수분함량 감소가 시작되는 단분자층 수분함량은 건조된 시료의 지질 산화, 효소 활성 등에 대한 물리적 화학적 안성성의 지표가 되며 최적 건조 저장조건의 단서를 제공해준다(Vertucci and Roos 1993; Rockland and Stewart 2013). 이러한 결과는 배초향 종자는 랜틸콩이 상대습도 27%에서, 고무나무 종자가 상대습도 30%에서 단분자층 수분함량 비하여 낮은 상대습도 조건에서 단분자층 수분함량이 형성되며, 11%보다 더 낮은 상대습도 조건에서도 과건에 의한 피해가 없을 수 있음을 보여준다. 국제적으로 종자 표준 건조조건은 15℃, 상대습도 15%로 제시되고 있다(Lingington and Manger 2014).
후속연구
2012). 배초향 종자의 활력 공식 예측 결과 도출된 P85는 이러한 프로세스의 최적화의 기준으로 활용 가능할 것으로 사료된다.
하지만 낮은 상대습도 조건(RH 11%)의 수명은 예측값보다 비교적 낮게 나타났다(Fig 2). 이는 배초향 종자의 낮은 상대습도에서의 저장 생리의 변화 가능성을 보여주며 이에 대한 생리적 분석 연구가 필요하다. 하지만 높은 상대습도 조건에서는 뚜렷한 양상이 확인되지 않았다.
2015). 이를 통하여 저장에 최적화된 종자 건조기술을 확보할 수 있을 것으로 사료된다.
이는 야생 종자인 배초향 종자가 지닌 휴면, 활력의 불균일성과 같은 요인에 의한 것으로 판단된다. 향후 다양한 수집 종들의 수명 연구, 정밀한 활력 검정 기술의 개발을 통하여 야생식물들의 예측의 정확성을 높일 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
종자 활력 공식이란 무엇인가?
종자 활력 공식은 건조, 저장조건이 종자 수명에 미치는 영향을 평가하는 효과적인 수단이다. 활력 공식을 활용한 P50의 예측값 또한 Gene bank의 실제 저장 데이터와 비교 하였을 때 신뢰성이 있는 것으로 보고되었다(Walters et al.
종자는 온도 습도의 저항성에 따라 어떻게 구분되는가?
종자는 저온과 건조에 대한 저항성이 강한 진정종자(Orthodox seed)와 건조에 대한 저항력이 약한 비진정종자(Recalcitrant seed)로 구분이 가능하다. 이 중 비진정종자는 일반적인 장기저장조건에서 활력을 상실하기 때문에 단명종자로 취급되며, 종자은행과 같은 장기저장시설을 활용한 보전전략에 적합하지 않다.
야생식물 종자 관리 시, 기존 종자 처리체계의 적용이 어려운 이유는 무엇인가?
이러한 종자 처리체계는 비교적 종자의 활력과 품질이 균일한 재배식물의 종자 특성에 기반하여 구성되었으며, 최근에는 야생식물 종자 관리에도 적용하고 있다. 하지만 야생식물 종자는 재배식물에 비하여 많은 양을 수집하는 것이 어렵고, 낮은 활력과 유전적 순도, 높은 휴면율, 생태연구에 대한 결여 등의 특징을 지니고 있어 기존 종자 처리체계의 적용에 어려움이 있다(Hamilton 1994; Merritt and Dixon 2011).
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