[논문]마이크로버블을 이용한 수경재배 물냉이의 글루코시놀레이트 함량 증대

복권정; 최재윤; 이현주; 이광야; 박종석

doi:10.12791/ksbec.2019.28.2.158

[국내논문] 마이크로버블을 이용한 수경재배 물냉이의 글루코시놀레이트 함량 증대
Microbubbles Increase Glucosinolate Contents of Watercress (Nasturtium officinale R. Br.) Grown in Hydroponic Cultivation 원문보기

시설원예ㆍ식물공장 = Protected horticulture and plant factory, v.28 no.2, 2019년, pp.158 - 165

복권정 (충남대학교 농업생명과학대학 원예학과) , 최재윤 (충남대학교 농업생명과학대학 원예학과) , 이현주 (충남대학교 농업생명과학대학 원예학과) , 이광야 (한국농어촌공사 재난안전처 농업가뭄센터) , 박종석 (충남대학교 농업생명과학대학 원예학과)

초록
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본 실험은 물냉이 수경재배 시 양액 내 발생 시킨 마이크로버블이 물냉이의 생육과 glucosinolate 축적에 미치는 영향을 알아보기 위해 수행되었다. 본엽 4매의 물냉이 유묘(파종 2주 후)를 마이크로 버블과 비-마이크로버블을 발생시킨 오오츠카 배양액을 이용하여 환경조절룸에서 3주간 재배하였다. 물냉이 초장은 대조구처리가 마이크로버블처리보다 41% 증가하였으며, 유의적으로 높게 나타났다. 그러나, 지상부 생체중과 건물중, 근장, 엽장, 엽폭, SPAD, 량자수율값은 두처리간 유의적 차이는 나타나지 않았다. Glucosinolate 함량을 분석 결과 4-methoxygluco-brassicin을 제외한 glucoiberin, glucobrassicin, gluconapin, gluconasturtiin의 경우 마이크로버블 처리구가 대조구보다 유의적으로 높게 나타났으며, 물냉이 한주 당 총 glucosinolate 함량은 마이크로버블 처리구가 대조구 보다 $85%({\mu}mol/g\;DW)$와 $65%({\mu}mol/plant)$ 더 높게 나타났다. 본 연구 결과는 담액재배시 양액 내 마이크로버블이 물냉이의 glucosinolate 함량을 증가시킬 수 있을 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of microbubbles on glucosinolate accumulation and growth of watercress (Nasturtium officinale R. Br.) were investigated. Watercress plant at the 4th mature leaf stage (2 weeks old) were exposed to microbubbles or non-microbubbles generated in an Otsuka-house nutrient solution for 3 weeks in a controlled environment culture room. Stem length of the watercress grown under the microbubbles was 41% shorter than that of the non-microbubbles, showing significantly different. However, shoot fresh and dry weights, root length, leaf length, leaf width, SPAD, and quentum yield of the watercress were not significantly different between treatments. Glucoiberin, glucobrassicin, gluconapin, gluconasturtiin of the watercress grown under microbubbles, excepted for 4-methoxyglucobrassicin, were significantly higher than those of the watercress grown in non-microbubbles. In addition, watercress grown under microbubbles for 3 weeks contained 85% (${\mu}mol/g$ DW) and 65% (${\mu}mol/plant$) more total glucosinolate, respectively. Results indicated that microbubbles generated in a deep flow technique hydroponics system could increase the accumulation of glucosinolate without growth reduction.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

그러나, 마이크로버블 기술을 이용하여 물냉이의 생육 및 2차대사산물의 변화에 대한 연구는 매우 미비하다. 따라서, 본 연구는 고품질 물냉이 생산을 위하여 담액수경 재배 시 양액내 마이크로버블 처리가 물냉이의 생육 및 glucosinolate 함량에 미치는 영향을 분석하기 위해서 수행되었다.

제안 방법

마이크로버블 처리를 위하여 수중펌프(UP100, HyupshinDesign Co. Ltd. Seoul, Korea)와 고속선회형 마이크로버블 장치(Besty; Febion Co. Ltd., Fukui, Japan)를 호스로 연결하여 DFT 식물재배 베드내에 버블직경 10~50mm의 마이크로버블을 공급해주었다(Fig. 2). 대조구의 경우 수족관용 에어 블로어(DK-200, DAE-KWANG Electronics Co.
2). 대조구의 경우 수족관용 에어 블로어(DK-200, DAE-KWANG Electronics Co. Ltd., Seoul, Korea)와 에어스톤 4개를 이용하여 매크로버블을 공급하였다. 실험구와 대조구의 DFT 재배베드로 공급되는 공기양은 면적식 유량계(DK46, Krohne Korea Co.

대상 데이터

물냉이 종자(Water Cress, Asia Seed CO. Ltd., Korea)를 암면배지(Groplug, Grodan Co. Ltd., Netherland)에 파종한 뒤, 식물 생장 챔버(HB-301S-3, Hanbaek Scientific Technology CO. Ltd., Korea)에서 온도 22℃, 습도 80%, 광도 175±15μmol·m-2·s-1, 광주기 16/8h(주간/야간)으로 세팅하여 2주간 육묘하였다. 육묘 후 균일한 개체를 육안 선발하여 온도, 습도, 광도가 일정하게 유지되는 밀폐형 식물공장 형태의 환경조절실 내 담액수경 재배 시스템에 정식하였다.

데이터처리

생육 조사를 위하여 반복당 9개체를 측정하였으며, glucosinolate 분석을 위해서 반복당 3개체를 이용하였다(n=9, n=3). 실험 결과에 대한 통계분석을 위하여 IBM SPSS Statistics ver. 24 프로그램을 이용해 집단통계량을 분석하였고, 두 집단의 평균 간 유의성 검증을 위하여 독립표본 t 검정법을 이용하여 5% 유의수준에서 처리간 평균값의 유의성을 검증하였다.

이론/모형

DFT 수경재배 시스템에서 3주간 재배된 물냉이의 초장, 근장, 엽장, 엽폭을 디지털 버니어캘리퍼스(SD500-300PRO, Shin Con CO. Ltd., Korea)를 이용하여 측정하였다. 처리구별 비파괴 엽록소 함량 값과 양자효율(Quantumyield; Qy)을 비교하기 위하여 SPAD-502(Minolta Camera Co.
혼합된 시료를 Vortexing 처리 한 후 항온수조 70℃에서 5분간 넣어 조(crude) GSLs를 추출하였다. 이후 원심분리기(Smart R17, Hanil Science industrial Co. Ltd., Korea)를 이용하여 12,000 rpm,10min, 4℃로 원심분리를 진행한 후 상층액을 추출하여 ISO, 1992와 Choi 등, 2018 측정방법을 기준으로 HPLC(1260 Infinity Series, Agilent Technologies Inc.,USA)를 이용하여 glucosinolate 함량을 분석하였다.

성능/효과

결국, 지하부 건물중 감소는 근권의 가압용해 방식의 마이크로버블이 소송채의 근단 표피세포의 자극을 통해 삼투 스트레스가 발생되었고, 이것이 원형질 분리를 유도하였으며, 세포의 신장이 억제되어 양수분의 흡수가 줄어든 것으로 예측하였다(Ikeura 등,2017). 마이크로버블을 생성하는 방식에 따른 버블의 물리화학적 특성이 달라지고, 본 실험에서 사용된 고속선회 방식으로 생성된 버블의 경우에도 버블 내부에 축적된 에너지와 발생된 래디컬 등에 의해서 뿌리의 양수분 흡수에 영향을 줄 수 있는 것으로 판단된다.
정식 후, 3주간 마이크로버블 처리구와 대조구에서 수확된 물냉이의 glucosinolate 성분을 분석한 결과, 두 처리구 모두 5종류(gluconasturtiin, glucobrassicin, gluconapin, 4-methoxyglucobrassicin, glucoiberin)의 glucosinolate가 검출되었다(Table 1). 마이크로버블 처리된 물냉이의gluconasturtiin, glucobrassicin, gluconapin, glucoiberin은 대조구와 비교하여 마이크로버블 처리구에서 각각 84,106, 180, 150% 증가하였으며, 4-methoxyglucobrassicin 성분만 53% 감소하였다.
)의 향기와 페놀함량의 변화를 가져온다고 하였다(Loughrin과 Kasperbauer, 2001). 이러한 보고를 고려하면 재배 환경의 변화는 glucosinolate 함량에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 살구묘목(Prunus mume)에서 히드록실 래디컬의 영향으로 인한 광합성 및 생장량 감소의 결과를 보았을 때(Yoon 등, 2006) 위에서 언급된 마이크로버블의 발생 시, 같이 생성되는 히드록시 래디컬(OH-1)은 분명히 작물의 근권부에 물리화학적으로 자극을 줄 수 있다.

후속연구

이러한 결과는 마이크로버블 표면에 형성되는 (-)제타포텐셜로 인하여 버블 표면에 양이온의 흡착이 증가하였으며(Park과 Kurata 2009), 이러한 버블이 뿌리 표면에 흡착되면서 발생된 것으로 평가된다. 마이크로버블의 발생 방식이나, 발생기의 내구년수 등으로 버블의 물리화학적 특성이 변할 수 있기 때문에 마이크로버블 장치를 DFT 시스템에 이용할 경우, 양액의 pH 변화에 따른 (-)제타포텐셜을 사전에 측정하는 것이 중요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물냉이란?	)는 미국 질병예방통제센터(Control Disease Center, USA)에서 칼로리당 영양밀도가 가장 높은 작물로 2014년도에 선정 되었다(Di noia, 2014). 물냉이는 십자화과에 속하는 다년생 수생 초본식물로 맑고 차가운 물가에서 자라며 유럽, 미국 그리고 아시아에 걸쳐 널리 분포한다(Cruz 등, 2008). 우리나라의 물냉이는 유럽 원산의 귀화식물로 “워터크레스(watercress)”로 불리지만 유럽에서는 “크레숑(cresson)”으로 더 잘 알려진 향신 채소이다.
	마이크로-나노버블 기술이 필요한 이유는?	담액수경재배의 단점을 극복하기 위한 방법으로 양액 내에 산소를 공급하기 위하여 배양액의 순환주기를 조절하거나(Seo 등, 2009) 양액내 산소공급장치를 이용하는 방법 등이 이용 되고 있으며, 이중에서 마이크로-나노버블을 담액수경재배에 적용한 결과 상추의 지상부 생육이 유의적으로 증대되었다(Park과 Kurata, 2009). 이러한 결과는 배양액내 발생된 마이크로버블의 표면에 전기적음전화를 나타내는 (–)제타포텐셜에 기인하였다고 보고하였다(Takahashi, 2005).
	마이크로 버블을 이용해 물냉이를 재배했을때 변화가 없던것은?	물냉이 초장은 대조구처리가 마이크로버블처리보다 41% 증가하였으며, 유의적으로 높게 나타났다. 그러나, 지상부 생체중과 건물중, 근장, 엽장, 엽폭, SPAD, 량자수율값은 두처리간 유의적 차이는 나타나지 않았다. Glucosinolate 함량을 분석 결과 4-methoxygluco-brassicin을 제외한 glucoiberin, glucobrassicin, gluconapin,gluconasturtiin의 경우 마이크로버블 처리구가 대조구보다 유의적으로 높게 나타났으며, 물냉이 한주 당 총 glucosinolate 함량은 마이크로버블 처리구가 대조구 보다 85%(μmol/g DW)와 65%(μmol/plant) 더 높게 나타났다.

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표제어: PCR

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