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문제 정의
- 이와 같이, 식물은 조사된 광환경에 따라서 생장과 발달을 촉진 시키거나, 이차대사산물의 증감에 직접적인 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 본 연구는 수경재배에 이용되는 배양액의 종류와 LED를 이용한 혼합광 조건이 물냉이의 생장과 glucosinolates 함량에 미치는 영향에 대해서 살펴보고자 본 연구를 수행하였다.
제안 방법
- HPLC에 의한 glucosinolates 분석은 inertsil ODS-3 column (150 × 3.0mm i.d., particle size 3μm)을 장착한 Agilent Technologies 1200 series HPLC systems으로 분석 하였다(Rapeseed I, 1992).
- 6. Stem length, root length, leaf length and width, shoot fresh and dry weights, and root fresh and dry weights of Nasturtium officinale grown under the combinations of different light qualities, W10 (white 10), R10 (R:B:G = 10:0:0), R5B1 (R:B:G = 5:1:0), R3B1 (R:B:G = 3:1:0), R2B1G1 (R:B:G = 2:1:1), W2B1G1 (W:B:G = 2:1:1) with 180 mmol m-2 s-1 PPFD irradiated by different LEDs for 3 weeks. Data represent means and standard error (n=5).
- Total glucosinolate contents of Nasturtium officinale grown under the combinations of different light qualities, W10 (white 10), R10 (R:B:G = 10:0:0), R5B1 (R:B:G = 5:1:0), R3B1 (R:B:G = 3:1:0), R2B1G1 (R:B:G = 2:1:1), W2B1G1 (W:B:G = 2:1:1) with 180 mmol·m-2·s-1 PPFD irradiated by different LEDs for 3 weeks.
- , Korea)에 1주일간 보관 후 건물중을 측정하였다. glucosinolate 성분 분석을 위해서 각처리당 3주를 분석하였다. 본 실험은 완전임의 배치법으로 2반복 수행되었다.
- , Korea)인 발광 다이오드를 사용하였으며 각 광원의 비율 조합은 파장별 PPFD를 기준으로 W10(white 10), R10 (R:B:G = 10:0:0), R5B1 (R:B:G = 5:1:0), R3B1 (R:B:G = 3:1:0), R2B1G1 (R:B:G = 2:1:1), W2B1G1 (W:B:G = 2:1:1)을 설정하였다. 각 LED 광원은 Dimming 스위치를 이용하여 각 파장별 광도를 조절하였다. 모든 처리는 광량자 센서(LI-190, LICOR, Lincolin, NE, USA)를 이용하여 재배바닥 30mm 위에서 광강도 180±10μmol·m-2·s-1 로 맞추었으며 각각의 광처리에 대한 스펙트럼 분포는 분광측정기(LI-1800; LiCor, Lincoln, NE, USA)를 사용하여 측정하였다.
- , Germany) 3개를 이용하여 각 재배 모듈의 중간 재배베드의 온습도를 모니터링 하였다. 각 모듈은 독립적인 양액탱크를 두어 양액을 공급할 수 있도록 구성되었으며 재배 모듈 하단에 100L 크기의 양액탱크를 설치하였으며 수중펌프(PD-G050M, WILO Co. Ltd., Germany)를 24시간 순환시켰다. 배양액의 EC는 각 조성의 표준배양액으로 1.
- 광도는 유묘의 군락 높이에서 광 균일도를 유지하기 위해서 0.3mm의 종이테이프를 형광등 반사판에 부착시켜 재배배드의 중앙을 중심으로 180±10μmol·m-2·s-1 PPFD 조건으로 조절하였다.
- 모든 처리는 광량자 센서(LI-190, LICOR, Lincolin, NE, USA)를 이용하여 재배바닥 30mm 위에서 광강도 180±10μmol·m-2·s-1 로 맞추었으며 각각의 광처리에 대한 스펙트럼 분포는 분광측정기(LI-1800; LiCor, Lincoln, NE, USA)를 사용하여 측정하였다. 광주기 16/8 h로 설정하여 3주간 재배하였다.
- 배양액의 종류에 따른 물냉이 생육과 glucosinolates 함량 변화를 살펴보기 위하여 오오츠카 하우스 1A액 (OTS: Otsuka House 1A), 한국원시(HES: Horticultural Experiment Station in Korea), 화란 온실작물연구소 (PBG: Netherland’s Proefstaion voor Bloemisterij en Gasgroente) 배양액을 이용하였다(Table 1). 광질 처리에 따른 물냉이 생육 및 glucosinolates 함량 변화를 보기 위해 LED를 이용하여 6가지 광질 처리를 설계하였다. 첨두 파장이 각각 적색 (R : 660nm), 청색 (B: 450nm), 녹색 (G: 540nm), 백색 (W: 연속광) (SungGwang LED Co.
- 2와 형광등을 광원으로 실험하였다(실험-1). 광질에 대한 생육과 glucosinolates 함량을 분석하기 위하여 단색광(적색: R10, 백색: W10) 처리구와 혼합광(적 청녹색: R2B1G1, 백청녹색: W2B1G1, 적색: R10, 적청색: R5B1, 적청색: R3B1)처리구를 두었다. 물냉이 지상 부의 생육은 3개의 배양액 처리구에서 유의적인 차이가 발견되지 않았지만, 뿌리의 생체중은 HES와 비교하여 PBG와 OTS에서 13.
- 모든 처리는 광량자 센서(LI-190, LICOR, Lincolin, NE, USA)를 이용하여 재배바닥 30mm 위에서 광강도 180±10μmol·m-2·s-1 로 맞추었으며 각각의 광처리에 대한 스펙트럼 분포는 분광측정기(LI-1800; LiCor, Lincoln, NE, USA)를 사용하여 측정하였다.
- 배양액의 종류 및 LED를 이용한 다양한 광질 조건이 물냉이의 생장과 glucosinolates 함량에 미치는 영향을 3 주간의 수경재배를 통하여 살펴보았다. 물냉이 종자를 암면배지에 파종 후 발아시켜, 2주간 육묘하였다. 유묘들은 semi-DFT 시스템에 이식하였다.
- 물냉이의 glucosinolates 함량은 HPLC (High Performance Liquid Chromatogram)를 이용하여 분석하였다. 정식 3주 후 물냉이 지상부를 Freeze-drying (TFD5503, IlSinBioBase, Korea)를 이용하여 동결 건조 후 막자사발로 분말화 하였다.
- 환경조절실은 주간온도 20±1oC와 야간온도 16±1oC, 주간습도 65±10% 와 야간습도 75±10%의 범위에서 조절되었으며 16/8h 조건의 광주기와 180±10μmol·m-2·s-1 광강도를 유지하였다. 배양액은 오오츠카 하우스 1A(OTS), 한국원시(HES)과 화란온실작물연구소(PBG) 배양액을 초기 EC 1.0-1.3, pH 6.2와 형광등을 광원으로 실험하였다(실험-1). 광질에 대한 생육과 glucosinolates 함량을 분석하기 위하여 단색광(적색: R10, 백색: W10) 처리구와 혼합광(적 청녹색: R2B1G1, 백청녹색: W2B1G1, 적색: R10, 적청색: R5B1, 적청색: R3B1)처리구를 두었다.
- 배양액의 EC는 각 조성의 표준배양액으로 1.0~1.3±0.1dS·m-1, pH는 6.2±0.1으로 조정하여 공급하였고 초기에 처리된 양액은 3주동안 교체하지 않았으며 양액의 EC와 pH를 2일 간격으로 재배기간인 3주 동안 측정하였다.
- 배양액의 종류 및 LED를 이용한 다양한 광질 조건이 물냉이의 생장과 glucosinolates 함량에 미치는 영향을 3 주간의 수경재배를 통하여 살펴보았다. 물냉이 종자를 암면배지에 파종 후 발아시켜, 2주간 육묘하였다.
- 수확 후 물냉이의 초장, 엽장, 엽폭, 근장, 지상부와 지하부의 생체중을 디지털 버니어캘리퍼스(SD500- 300PRO, ShinCon Co. Ltd., Korea)와 전자저울(MW2N, CAS Co. Ltd., Korea)을 이용하여 측정하였으며 생육 측정 후 물냉이는 70oC로 설정한 건조기(HB-501M, Hanbaek Scientific Co. Ltd., Korea)에 1주일간 보관 후 건물중을 측정하였다. glucosinolate 성분 분석을 위해서 각처리당 3주를 분석하였다.
- , Korea)를 이용하여 65±10%, 야간에는 가습을 중지하여 75±10% 범위로 조절되었다. 실내에 설치된 배기팬을 이용하여 낮동안 외부와 공기를 교환하여 CO2 농도를 유지하였으며 광주기는 16/8h(주간/야간)로 설정하였다. 광도는 유묘의 군락 높이에서 광 균일도를 유지하기 위해서 0.
- 광질 처리에 따른 물냉이 생육 및 glucosinolates 함량 변화를 보기 위해 LED를 이용하여 6가지 광질 처리를 설계하였다. 첨두 파장이 각각 적색 (R : 660nm), 청색 (B: 450nm), 녹색 (G: 540nm), 백색 (W: 연속광) (SungGwang LED Co. Ltd., Korea)인 발광 다이오드를 사용하였으며 각 광원의 비율 조합은 파장별 PPFD를 기준으로 W10(white 10), R10 (R:B:G = 10:0:0), R5B1 (R:B:G = 5:1:0), R3B1 (R:B:G = 3:1:0), R2B1G1 (R:B:G = 2:1:1), W2B1G1 (W:B:G = 2:1:1)을 설정하였다. 각 LED 광원은 Dimming 스위치를 이용하여 각 파장별 광도를 조절하였다.
- , Korea)을 이용하여 170±5μmol·m-2·s-1 광합성 광량자속밀도(Photosynthetic Photon Flux Density: PPFD)로 설정하여 관리되었다. 파종 후 2주 된 유묘들은 스티로폼 정식판에서 분리하여 스펀지를 이용하여 근권을 감싼 후, 직경 50mm 검정색 포트에 넣고 semi-DFT 시스템의 폴리카보네이트 정식판에 120mm의 주간간격으로 처리당 20주씩 정식하였다.
- 파종된 종자는 광발아 후 자엽이 전개되었을 때, Hoagland 배양액(Arnon과 Hoagland, 1952) 조성의 양액(5L, EC 0.6dS·m-1)을 컨테이너에 채우고 10초 씩 침지하는 저면관수 방식으로 1일 1회 관수하여 2주간 육묘하였다.
- 3mm의 종이테이프를 형광등 반사판에 부착시켜 재배배드의 중앙을 중심으로 180±10μmol·m-2·s-1 PPFD 조건으로 조절하였다. 휴대용 온습도 센서(testo174H, Testo Co. Ltd., Germany) 3개를 이용하여 각 재배 모듈의 중간 재배베드의 온습도를 모니터링 하였다. 각 모듈은 독립적인 양액탱크를 두어 양액을 공급할 수 있도록 구성되었으며 재배 모듈 하단에 100L 크기의 양액탱크를 설치하였으며 수중펌프(PD-G050M, WILO Co.
대상 데이터
- 물냉이 종자(Nasturtium officinale)는 아시아 종묘사(Asia seed Co. Ltd. Korea) 로부터 구매하여 포수된 240공 암면파종판(Kiemplug standard tray, Grodan, Denmark)에 파종하였다. 파종된 종자는 광발아 후 자엽이 전개되었을 때, Hoagland 배양액(Arnon과 Hoagland, 1952) 조성의 양액(5L, EC 0.
- 배양액의 종류에 따른 물냉이 생육과 glucosinolates 함량 변화를 살펴보기 위하여 오오츠카 하우스 1A액 (OTS: Otsuka House 1A), 한국원시(HES: Horticultural Experiment Station in Korea), 화란 온실작물연구소 (PBG: Netherland’s Proefstaion voor Bloemisterij en Gasgroente) 배양액을 이용하였다(Table 1).
- 환경조절룸[6m(길이) × 2.5m(폭) × 4.5m(높이)]은 semi-DFT (Deep Flow Technique; 양액높이 50mm) 방식, 재배베드[1,200mm(길이) × 800mm(폭) × 100mm(높이)]를 3단, 각 단의 높이는 600mm로 구성한 재배모듈 2개는 LED 모듈로, 1개는 형광등 모듈로 설정하여 총 9개의 독립재배베드 시스템에서 실험을 수행하였다.
데이터처리
- 본 실험은 완전임의 배치법으로 2반복 수행되었다. 식물 생육분석을 위한 모든 처리구는 반복 당 5개체를 측정하였으며, 통계분석은 SPSS 통계분석 프로그램(ver. 21)을 이용하였다. 평균간의 유의성 검증을 위하여 Tukey’s 다중 분산분석을 P≤0.
- 평균간의 유의성 검증을 위하여 Tukey’s 다중 분산분석을 P≤0.05 조건으로 분석하였다.
이론/모형
- glucosinolate 성분 분석을 위해서 각처리당 3주를 분석하였다. 본 실험은 완전임의 배치법으로 2반복 수행되었다. 식물 생육분석을 위한 모든 처리구는 반복 당 5개체를 측정하였으며, 통계분석은 SPSS 통계분석 프로그램(ver.
성능/효과
- 1% 증가하였다. OTS 처리는 PBG와 HES 처리구에 비해 gluconasturtiin 함량이 96%, 65% 증가하였다. 백색광조건(W10)과 비교하여 적색광(R10) 처리는 초장이 101.
- 4). PBG와 HES 배양액 처리조건에서 지상부 생체중은 OTS 배양액 조건과 비교하여 20.7%와 13.0% 증가하였으나 유의적인 차이는 보이지 않았으며, 건물중의 경우 PBG 배양액은 OTS 배양액 처리보다 4% 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 4). 그러나 PBG와 OTS 배양액 처리에서 뿌리의 생체중은 HES 배양액 처리와 비교하여 13.
- 5% 증가하였으며, W10 처리구와 비교시, 약 70% 증가하는 경향을 보였다. R3B1 처리구에서 물냉이의 생육과 총 glucosinolates의 함량이 가장 높게 나타났다.
- 각 처리구 물냉이의 식물 체당 glucosinolates 함량은 R3B1에서 149.96μmol/plant 로 가장 높게 나타났다(Fig. 7).
- 각각의 배양액을 이용하여 3주간 재배된 물냉이의 건물중 1g당 gluconasturtin 함량은 유의적인 차이를 보이며 OTS 처리가 PBG와 HES보다 96%와 65% 높았으며, glucobrassicin의 경우 68%와 -3%의 차이를 보였으며 glucosiberin의 경우 191%와 117% 증가하였고, glucohirsutin의 경우 157%와 125%의 증가를 보였으며 4-methoxyglucobrassicin의 경우 85%와 19%의 함량 증가를 나타내었다(Fig. 5). 또한 물냉이 지상부 전체 건중 에 대한 총 glucosinolates 함량은 유의적인 차이를 보이 며 OTS 처리구에서 가장 높았다(Fig.
- 광질의 조건을 달리하여 3주간 수경재배한 물냉이의 초장은 W10 처리조건과 비교하여 R10 조건에서 유의적인 차이를 보이며 306mm, 101.3% 증가하였으나, 근장, 엽장과 엽폭은 광질종류에 관계없이 유의적인 차이를 보이지 않았다(Fig. 6). 근장은 W10 처리구와 비교하여 R3B1 처리구에서 292mm, 4.
- 4). 그러나 PBG와 OTS 배양액 처리에서 뿌리의 생체중은 HES 배양액 처리와 비교하여 13.7%와 55.1% 증가하였으며, 뿌리 건물중의 경우 21.4%와 49.3% 증가하였으며, OTS 처리의 뿌리 생체중은 다른 두 처리구와 비교하여 유의적으로 높은 값을 나타내었다(Fig. 4). 이러한 결과는 꿀풀과 식물인 배초향을 여러가지 배양액으로 수경재배할 경우, 배양액의 EC값이 약간 높았던 오오츠카하우 스 1A액 처리가 유럽채소연구소 배양액과 한국원시 배양액 보다 유의적으로 높은 뿌리의 생체중과 건물중 증가를 유도한 결과와 유사하였다(Kim 등, 2017).
- 17μmol·g-1 이었다. 따라서 각 처리구 물냉이의 건물중 당 glucosinolates 함량은 R2B1G1 처리구와 비교하여 R3B1 처리구에서 생육된 물냉이는 144.5% 증가하였다. 각 처리구 물냉이의 식물 체당 glucosinolates 함량은 R3B1에서 149.
- 물냉이의 경우도 적색광을 처리한 경우, 초장은 매우 길며, 지상부 생체중이 가장 낮은 것은 그만큼 식물체의 충실도(건물중/초장)에서 위의 경우와 매우 유사한 결과를 얻었다. 또한 R10, R5B1, R3B1의 결과를 보면 청색광의 비율이 증가할수록 지상부 및 지하부 생육이 증가되는 경향이 나타났다(Fig. 6). 그러나, 적청 혼합광 LED를 비율별로 처리 했을 경우, 청색광의 비율이 증가할수록 적축면 상추(Lactuca sativa L.
- 5). 또한 물냉이 지상부 전체 건중 에 대한 총 glucosinolates 함량은 유의적인 차이를 보이 며 OTS 처리구에서 가장 높았다(Fig. 5). 황이온과 질소이온 또는 두 이온간의 균형이 배추과 작물의 glucosinolates 함량에 큰 영향을 미치는데, 높은 황이온 농도는 총 glucosinoaltes의 함량을 증가시켰으며(Li 등, 2007), 총 glucosinolates 종류에 속하는 각각의 glucoraphanin과 glucoraphasatin (Krumbein 등, 2001), sinigrin, glucobrassicanapin, gluconapin and progoitrin (Kaur et al.
- 광질에 대한 생육과 glucosinolates 함량을 분석하기 위하여 단색광(적색: R10, 백색: W10) 처리구와 혼합광(적 청녹색: R2B1G1, 백청녹색: W2B1G1, 적색: R10, 적청색: R5B1, 적청색: R3B1)처리구를 두었다. 물냉이 지상 부의 생육은 3개의 배양액 처리구에서 유의적인 차이가 발견되지 않았지만, 뿌리의 생체중은 HES와 비교하여 PBG와 OTS에서 13.7%와 55.1% 증가하였다. OTS 처리는 PBG와 HES 처리구에 비해 gluconasturtiin 함량이 96%, 65% 증가하였다.
- 청색광 비율의 증가는 지상부 생육에 긍정적인 영향을 주었다. 물냉이의 건물중 당 glucosinolates 함량은 R2B1G1 처리구와 비교하여 R3B1 처리구에서 144.5% 증가하였으며, W10 처리구와 비교시, 약 70% 증가하는 경향을 보였다. R3B1 처리구에서 물냉이의 생육과 총 glucosinolates의 함량이 가장 높게 나타났다.
- 배양액의 조건을 달리하여 3주간 수경재배한 물냉이의 초장과 근장, 엽장과 엽폭은 양액종류에 관계없이 유의적인 차이를 보이지 않았다(Fig. 4). PBG와 HES 배양액 처리조건에서 지상부 생체중은 OTS 배양액 조건과 비교하여 20.
- 그러나, 적청 혼합광에서 청색이 비율이 증가할수록 적축면 상추와 청치마 상추에서 엽록소, 총 페놀, 플라보노이드, 항산화물질 등과 같은 이차대사 산물이 증가하는 것으로 보고되었으며(Son과 Oh, 2014) 이는 R3B1 처리구에서 glucosinolate 함량이 증가한 결과와 유사하였다. 배초향의 건물중 당 tilianin의 함량 또 한 형광등에 처리와 비교하여 LEDs 처리(W10, R2B1G1, W2B1G1, R10, R3B1) 에서 유의적으로 높은 값을 나타내었으며, 형광등 처리구 대비 각각 68.4%, 15.7%, 59.1%, 27.3%, 110.3% 높았으며 R3B1은 유의적으로 가장 높은 함량을 나타내어 본 실험결과와 유사하였다(Kim 등, 2018).
- 식물공장에서 생산되는 채소는 신선함과 청결함을 추구하는 동시에 기능성 물질을 증가시키기 위한 다양한 노력을 시도하고 있다. 본 실험의 결과 광질에 따른 물냉이의 생육을 관찰하였으며, 특히 적색과 청색의 비율을 3:1의 조건으로 광조사할 경우, 물냉이의 지상부 생육과 glucosionlate 함량을 최고로 높여 생산할 수 있는 결과를 얻었다. 향후, 광량과 광주기 및 좀더 세밀한 광질에 대한 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
- 6). 엽장은 R2B1G1 처리구와 비교하여 W2B1G1 처리구에서 580mm, 24.2% 증가하였고 엽폭은 R2B1G1 처리구와 비교하여 R3B1 처리구에서 650mm, 16.9% 증가하였으나 엽장과 엽폭 모두 에서 유의적인 차이를 보이지 않았다(Fig. 6). 지상부 생체중과 건물중은 R3B1 처리구에서 각각 127.
- 꿀풀과인 배초향(Agastache rugosa)의 초장은 100% 적색광 처리구에서 유의적으로 R2B1B1 처리구보다 유의적으로 높았으며 엽장은 모든 광처리(R10, W10, R3B1, R2B1G1, W2B1G1, 형광등: PPFD 비율 기준)에서 유의적인 차이가 없었으나, 엽폭의 경우 R3B1 처리구에서 W10, W2B1G1 처리구에서 유의적으로 높다고 보고하였으며, 지상부 생체중과 건물중의 경우에도 R10 처리구에서 다른 혼합광 처리와 비교하여 유의적으로 낮은 값을 보였다(Kim 등, 2018). 엽폭의 유의적 차이는 본 실험결과와 상이한 결과였으나, 본 실험에서 지상부 생체중과 건물중은 R10 처리구에서 가장 낮았으며(유의적인 차이는 나타나지 않았음), 각 광원의 처리에 대한 생육의 결과는 혼합광 간에는 유의적 차이를 보이지 않은 반면에 R10 처리구가 가장 낮은 생육결과는 매우 유사하였다. 또한 R3B1 처리구에서 생육이 가장 좋았던 것은 배초향의 경우 약 80cm 높이까지 생장하는 반면 물냉이는 포복 생장을 하는데서 오는 광의 차단에서 기인 된 것으로 작물 군락내의 광질의 분포는 광의 투과율과 반사율 등에 따라서 매우 다른 환경이 조성된다.
- 재배기간 동안 배양액의 EC는 초기 설정농도값에서 크게 변하지 않았으나 pH는 6.2~7.2의 범위내에서 시간의 경과에 따라 서서히 증가하는 경향을 나타내었으며 (Fig. 1), 실험 기간동안 환경조절실의 온도와 습도는 설정값에 근사하게 유지 관리되었다(Fig. 2). 재배기간이 끝난 후 수확한 물냉이와 LED 재배장치, 광 처리별 스펙트럼은 Fig.
- 6). 지상부 생체중과 건물중은 R3B1 처리구에서 각각 127.8g과 6.2g으로 평균값은 높았으나 유의적인 차이를 보이지 않았으며, 지하부의 생체중과 건물중은 R10 처리구에서 각각 2.0g, 0.3g 으로 유의적으로 낮았다(Fig. 6).
- 3% 증가하였다. 청색광 비율의 증가는 지상부 생육에 긍정적인 영향을 주었다. 물냉이의 건물중 당 glucosinolates 함량은 R2B1G1 처리구와 비교하여 R3B1 처리구에서 144.
후속연구
- 본 실험의 결과 광질에 따른 물냉이의 생육을 관찰하였으며, 특히 적색과 청색의 비율을 3:1의 조건으로 광조사할 경우, 물냉이의 지상부 생육과 glucosionlate 함량을 최고로 높여 생산할 수 있는 결과를 얻었다. 향후, 광량과 광주기 및 좀더 세밀한 광질에 대한 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
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