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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서 우리는 최근 상용화된 UV-A LED를 이용하여 특정 파장의 UV-A가 고추 묘의 저온 내성에 미치는 효과를 조사하고 UV-A LED 처리가 우량묘를 생산할 수 있는 재배기술로서 활용 가능한지를 평가하기 위해 본 실험을 수행하였다.
제안 방법
- UV-A LED에 6일 동안 조사된 고추 묘의 생육 특성을 조사하였다. 전자저울(Si-234, Denver Instrument, Bohemia, NY, USA)을 이용하여 지상부와 지하부의 생체중을 측정하였다.
- UV-A 광 조사와 저온 처리에 의한 고추 묘의 스트레스 정도를 확인해 보기 위해 엽록소 형광 측정기(PAM-2000, Heinz Walz GmbH, Effeltrich, Germany)로 광계 II의 최대 양자수율(Fv/Fm)을 측정하였다. 측정하기 30분 전 고추 기부에서부터 떡잎을 포함한 5번째에 있는 잎에 dark clip을 물려 30분 동안 암적응을 시켜주었다.
- UV-A 광 처리 후 UV-A LED가 고추 묘의 저온 저항성에 미치는 효과를 확인하기 위해 식물생장상(BI-1000M, JeioTech, Daejeon, Korea)에서 4°C로 6시간 동안 저온 처리해주었다.
- 고추 잎의 총 페놀화합물은 기존 연구[19]에서 기술한 방법을 수정하여 분석에 사용하였다. 분석을 위해 고추 잎(0.
- 관수는 별도로 제작한 베드(45×26×10 cm, L×W×H)에 72공 플러그 트레이를 넣고 2-3일 간격으로 증류수를 1 L씩 저면 관수 해주었다.
- 1). 광 스펙트럼 분석기(JAZ-EL 200, Ocean optics, FL, USA)를 이용하여 처리구별 12구역의 에너지를 측정하였다. 두 가지 UV-A LED의 에너지를 30±1 W·m-2으로 동일하게 설정해주었다.
- , Siheung, Korea)에 80°C로 2시간 처리를 한 후 10시간 동안 상온 보관하였다. 그 후 1분간 Vortex mixer로 섞어 주고 전기전도도(측정 2)를 측정하였다. 전해질 유출 정도는 측정 1의 값을 측정 2의 값으로 나누어 %로 표현하였다.
- 이 샘플을 50 mL 코니칼튜브에 넣은 후 증류수 15 mL를 넣고 10시간 동안 상온 보관하였다. 그 후 Vortex mixer (BV1000, Benchmark Scientific, Edison, NJ, USA)로 1분간 섞어 주고, 전기 전도도 측정기(Multi 3430, WTW, Weilheim, Germany)로 전기전도도(측정 1)를 측정하였다. 이 샘플을 다시 항온수조(MSB-2011D, MonoTech Co.
- 그 후 엽록소 형광 측정기로 고추 잎에 20 kHz, PPFD 1100 μmol·m−2·s−1의 광을 조사하여 최대 형광값(Fm)과 초기 형광값(Fo)를 구하고, Fv/Fm은(Fm-Fo)/Fm으로 계산되었다.
- 저온 처리에 의한 고추 잎 조직의 세포 붕괴도를 알아보기 위해 저온 처리 후와 2일간 회복 후에 고추 잎의 전해질 유출값을 측정하였다. 대조구와 두 가지 UV-A LED를 처리한 고추 묘의 기부를 기준으로 떡잎을 제외한 2번째 잎을 각각 칼로 3등분하였다. 이 샘플을 50 mL 코니칼튜브에 넣은 후 증류수 15 mL를 넣고 10시간 동안 상온 보관하였다.
- 두 가지 UV-A LED의 에너지를 30±1 W·m-2으로 동일하게 설정해주었다.
- 분석을 위해 고추 잎(0.2 g)을 칼로 잘라 채취하여 액체질소로 급속 냉각시켜주었고, -70°C 초저온 냉장고(DF8524, Il-Shinbiobase, Yangju, Korea)에서 분석 전까지 보관하였다.
- 생육 특성 370 nm와 385 nm 피크를 갖는 UV-A 광에 6일 동안 연속 노출된 고추 묘의 생육특성을 조사하였다(Table 1과 Fig. 2A). 대조구와 비교하여 UV-A LED가 조사된 고추 묘의 지상부와 지하부의 생체중과 건물중, 엽면적, 비엽중, SPAD 값에 유의적인 차이는 없었다.
- 생장 특성, 전해질 유출, 총 페놀화합물과 항산화도는 처리구별 5개체씩 실시하였으며, SPAD와 엽록소 형광 측정은 처리구별 4개체씩 실시하였다. 데이터 분석은 SAS 9.
- 0 dS·m-1)을 1주 간격으로 1 L씩 공급해주었다. 식물 위치에 따른 광 분포의 균일성을 높이기 위해 2일 마다 트레이를 규칙적으로 회전시켜주었다.
- 엽면적은 엽면적계(Li-3000A, Li-Cor, Lincoln, NE, USA)를 이용하여 측정하였으며, 비엽중(specific leaf weight)은 엽면적을 지상부 건물중으로 나누어 계산되었다. 엽록소 함량은 정단부에서 3번째 잎을 엽록소 측정기(SPAD-502, Minolta, Tokyo, Japan)로 SPAD 을 측정하여 값을 얻었다.
- 지상부와 지하부의 건물중은 시료를 건조 봉투에 넣어 항온 건조기(VS-1202D3, Vision Science, Daejeon, Korea)에서 70°C로 72시간 동안 건조시킨 후 그 무게를 측정하였다. 엽면적은 엽면적계(Li-3000A, Li-Cor, Lincoln, NE, USA)를 이용하여 측정하였으며, 비엽중(specific leaf weight)은 엽면적을 지상부 건물중으로 나누어 계산되었다. 엽록소 함량은 정단부에서 3번째 잎을 엽록소 측정기(SPAD-502, Minolta, Tokyo, Japan)로 SPAD 을 측정하여 값을 얻었다.
- 우리는 고추 묘에 370nm와 385nm 피크파장을 갖는 UV-A를 30 W·m-2의 에너지 수준으로 6일 동안 연속 조사 후 저온 저항성을 평가하였다.
- 저온 처리 후와 2일 동안 회복 후 대조구와 UV-A 광에 노출된 고추 묘 잎의 전해질 유출을 비교하였다(Fig. 3B). 저온 처리 직후 대조구의 전해질 유출은 57.
- 저온 처리에 의한 고추 잎 조직의 세포 붕괴도를 알아보기 위해 저온 처리 후와 2일간 회복 후에 고추 잎의 전해질 유출값을 측정하였다. 대조구와 두 가지 UV-A LED를 처리한 고추 묘의 기부를 기준으로 떡잎을 제외한 2번째 잎을 각각 칼로 3등분하였다.
- UV-A LED에 6일 동안 조사된 고추 묘의 생육 특성을 조사하였다. 전자저울(Si-234, Denver Instrument, Bohemia, NY, USA)을 이용하여 지상부와 지하부의 생체중을 측정하였다. 지하부의 생체중은 뿌리에 묻은 원예용 상토를 흐르는 물로 씻어낸 후 물기를 종이 타월로 제거하고 측정하였다.
- 정식 후 34일째, 주광원 형광등 조건 하에서 재배되고 있는 고추묘에 370 nm와 385 nm의 피크 파장을 갖는 UV-A LED(LG Innotek, Seoul, South Korea)를 6일간 보조광원으로 24시간 연속 조사해 주었다(Fig. 1). 광 스펙트럼 분석기(JAZ-EL 200, Ocean optics, FL, USA)를 이용하여 처리구별 12구역의 에너지를 측정하였다.
- 지상부와 지하부의 건물중은 시료를 건조 봉투에 넣어 항온 건조기(VS-1202D3, Vision Science, Daejeon, Korea)에서 70°C로 72시간 동안 건조시킨 후 그 무게를 측정하였다.
- UV-A 광 조사와 저온 처리에 의한 고추 묘의 스트레스 정도를 확인해 보기 위해 엽록소 형광 측정기(PAM-2000, Heinz Walz GmbH, Effeltrich, Germany)로 광계 II의 최대 양자수율(Fv/Fm)을 측정하였다. 측정하기 30분 전 고추 기부에서부터 떡잎을 포함한 5번째에 있는 잎에 dark clip을 물려 30분 동안 암적응을 시켜주었다. 그 후 엽록소 형광 측정기로 고추 잎에 20 kHz, PPFD 1100 μmol·m−2·s−1의 광을 조사하여 최대 형광값(Fm)과 초기 형광값(Fo)를 구하고, Fv/Fm은(Fm-Fo)/Fm으로 계산되었다.
- 발아 후 고추 묘는 온도 25/20°C(낮/밤), 상대습도 50%, 형광등 PPFD(photosynthetic photon flux density) 140±5 μ mol·m-2·s-1,명기 시간 15시간으로 설정된 식물생장상에서 재배되었다. 형광등의 PPFD는 휴대용 광양자 센서(Li-1400, LI-COR, Lincoln, USA)를 이용하여 400-700 nm 범위를 1 nm 간격으로 26구역을 측정하여 평균으로 나타내었다. 파종 후 9일 째 원예용 상토(Myung-Moon, Dongbu Hannong Co.
대상 데이터
- 고추(Capsicum annuum L. Kidaemanbal) 종자(Dongbu Hannong Co., Seoul, Korea)를 종자 성장팩(Seed pack, USEM, Suwon, Korea)에 파종하고 30°C의 식물생장상(DS-51GLP, Dasol Science Co., Hwaseong, Korea)에서 3일간 암상태로 발아시켰다.
데이터처리
- 데이터 분석은 SAS 9.4(SAS Institute, Cary, NC, USA) 통계프로그램을 이용하여 분산 분석을 하였고, 처리구간 유의적 차이를 비교하기 위해서 Fisher’s least-significant- difference(LSD) test를 이용하여 분석하였다.
이론/모형
- 고추의 항산화도는 ABTS(2,2’-Azino-bis[3-ethylbenz othiazoline-6-sulfonic acid] diammonium salt)를 이용한 방법[20]을 약간 수정한 [19]의 방법으로 분석하였다.
성능/효과
- 4B). UV-A 광 조사 동안 총 페놀화합물 함량과 비슷하게 두 UV-A 광 처리구의 항산화도가 대조구보다 유의적으로 높았다(Fig. 4B). 저온 처리 기간 동안에는 대조구의 항산화도가 증가하였고 370nm과 385nm UV-A 처리구의 항산화도도 증가하였다.
- UV-A 광 처리 기간 동안 두 UV-A 처리구의 총 페놀화합물 함량은 대조구에 비해 유의적으로 증가하였고 저온 처리 기간과 회복 기간에도 높았다(Fig. 4A). 저온 처리 전과 후를 비교하면 대조구의 총 페놀화합물 함량은 저온 처리 후에 급격히 증가하였지만 두 UV-A 광 처리구와 유의적인 차이는 존재하지 않았다.
- 따라서 저온에서는 세포 밖으로의 물질 유출이 증가하며 세포내 이온 균형이 깨짐에 따라 세포가 손상을 받고 파괴된다. UV-A 광이 조사된 고추 묘는 저온 처리 직후의 전해질 유출이 대조구에 비해 낮았고 특히, 385nm UV-A의 전해질 유출 값은 유의적으로 가장 낮았으며 저온 스트레스에 의한 시듦 손상도 가장 적었다(Fig. 2B와 Fig. 3B). 기존 연구[4]은 건조 스트레스 조건 하에서 유리 페놀화합물이 세포벽과 결합하여 세포벽이 더 강화되어 물 투과성이 낮아진다고 보고하였다.
- 3A). UV-A 조사 48시간째 370 nm과 385 nm 처리구의 엽록소 형광 값은 각각 0.766과 0.723으로 대조구(0.803)에 비해 감소하였고 특히, 370 nm UV-A 처리구는 유의적으로 가장 낮았다. 저온 처리 동안 두 UV-A 광 처리구의 엽록소 형광 값은 감소하지 않았고 오히려 370 nm UV-A 광의 엽록소 형광은 0.
- 2A). 대조구와 비교하여 UV-A LED가 조사된 고추 묘의 지상부와 지하부의 생체중과 건물중, 엽면적, 비엽중, SPAD 값에 유의적인 차이는 없었다.
- 따라서, 본 실험에서 사용한 두 가지 UV-A의 파장과 30 W·m-2 에너지 수준 그리고 6일의 조사 시간이 고추 묘의 생장에 지장을 줄 정도의 스트레스가 아니었을 것으로 판단된다.
- 이는 UV-A 광에 의해 저온 저항성에 일조하는 항산화적 페놀화합물를 포함한 2차 대사산물이 이미 축적되었기 때문이라고 생각된다. 또한, 스트레스가 없는 회복 기간 동안에는 두 UV-A 광 처리구의 총 페놀화합물 함량과 항산화도는 대조구보다 높았다.
- 781)와 비슷한 값으로 회복되었다. 반면에 대조구의 엽록소 형광 값은 정상적인 재배 환경에서 0.8 이상의 값을 가졌으나, 저온 환경에 노출되자 바로 0.8 이하로 떨어졌으며 회복 후 2일째까지 감소하였다.
- 8 미만으로 값이 감소한다[14, 19, 25, 26]. 본 실험의 결과 UV-A 광 조사는 고추 묘의 Fv/Fm 값을 0.8 이하로 감소시켰고 특히, 상대적으로 광양자 당 에너지가 더 큰 370nm UV-A에 의해 Fv/Fm 값이 유의적으로 감소되었다(Fig. 3A). 또한, 4°C 저온 스트레스는 광합성기구인 엽록체의 광합성을 저해하여 Fv/Fm 값을 감소시킨다는 연구 결과[25, 26]와 동일하게 본 연구에서도 4°C 저온 스트레스에 의해 대조구의 Fv/Fm 값이 감소되었다.
- UV-A광은 페놀화합물 생합성과 관련된 CHS(chalcone synthase)와 PAL(phenylalanine ammonia-lyas) 유전자의 발현 수준을 증가시켰고Camellia sinensis에서는 안토시아닌 함량을 케일에서는 플라보노이드와 페놀화합물 함량을 증가시켰다[14, 23]. 본 실험의 결과에서도 두 UV-A 광 처리 동안 고추 묘의 잎에서 총 페놀화합물과 항산화도의 유의적인 증가를 확인하였다. 저온 스트레스는 식물체 내에서 세포막의 유동성을 감소시키고 활성산소(ROS)를 발생시켜 산화적 스트레스를 야기시킨다[4, 26].
- UV-A 광 처리 후 UV-A LED가 고추 묘의 저온 저항성에 미치는 효과를 확인하기 위해 식물생장상(BI-1000M, JeioTech, Daejeon, Korea)에서 4°C로 6시간 동안 저온 처리해주었다. 저온 처리 종료 후 UV-A 광원이 없는 정상적인 재배 환경으로 설정되어 있는 식물생장상에서 고추묘를 2일 동안 회복시켰다.
- 저온 처리 기간 동안에는 대조구의 항산화도가 증가하였고 370nm과 385nm UV-A 처리구의 항산화도도 증가하였다. 저온 처리 직 후, 두 UV-A 광 처리구의 항산화도는 대조구보다 유의적으로 높았고 회복 기간 동안 두 UV-A 광 처리구와 대조구 모두 감소하였다.
- 3B). 저온 처리 직후 대조구의 전해질 유출은 57.4%로 가장 컸고 22.2% 값을 갖는 385nm UV-A 광 처리구 보다 2.6배 유의적으로 높았다. 정상적인 재배 환경에서 2일 동안 회복한 후에 전해질 유출을 측정한 결과 대조구의 전해질 유출은 감소하였으나 두 UV-A광 처리구의 전해질 유출은 저온 처리 후의 값과 비슷하였다.
- 따라서 식물은 저온 저항성과 관련된 2차대사산물을 생성해 저온에 의한 손상을 방어한다[14, 25]. 저온 처리 후 저온 스트레스에 의해 대조구의 총 페놀화합물과 항산화도가 증가한 반면UV-A 광에 조사된 고추 묘의 총 페놀화합물은 증가하지 않았다(Fig. 4). 이는 UV-A 광에 의해 저온 저항성에 일조하는 항산화적 페놀화합물를 포함한 2차 대사산물이 이미 축적되었기 때문이라고 생각된다.
- 6배 유의적으로 높았다. 정상적인 재배 환경에서 2일 동안 회복한 후에 전해질 유출을 측정한 결과 대조구의 전해질 유출은 감소하였으나 두 UV-A광 처리구의 전해질 유출은 저온 처리 후의 값과 비슷하였다.
- 형광등의 PPFD는 휴대용 광양자 센서(Li-1400, LI-COR, Lincoln, USA)를 이용하여 400-700 nm 범위를 1 nm 간격으로 26구역을 측정하여 평균으로 나타내었다. 파종 후 9일 째 원예용 상토(Myung-Moon, Dongbu Hannong Co., Seoul, Korea)로 충전된 72공 플러그 트레이에 고추묘를 1개체씩 정식하였으며 동일한 식물생장상에서 34일간 재배되었다. 관수는 별도로 제작한 베드(45×26×10 cm, L×W×H)에 72공 플러그 트레이를 넣고 2-3일 간격으로 증류수를 1 L씩 저면 관수 해주었다.
- 실제로 390nm UV-A 광은 바질 새싹의 배축 신장을 억제하였고 365nm UV-A는 Camellia sinensis 어린 묘의 엽록소 함량을 감소시켰다[23, 24]. 하지만 본 실험에서 사용한 두 가지 UV-A LED에 의해 고추묘의 지상부와 지하부의 생체중과 건물중, 엽면적, 엽록소 함량(SPAD)은 대조구에 비해 유의적 차이는 없었다(Table 1). 따라서, 본 실험에서 사용한 두 가지 UV-A의 파장과 30 W·m-2 에너지 수준 그리고 6일의 조사 시간이 고추 묘의 생장에 지장을 줄 정도의 스트레스가 아니었을 것으로 판단된다.
후속연구
- 이러한 문제와 연관되어 고추의 재배면적과 생산량은 2000년대에 들어 감소하는 추이이며 실제로 2019년 고추의 재배면적과 생산량은 10년전 대비 각각 42%와 50%씩 감소하였다(통계청, 2009, 2019). 그러므로, 이상 저온과 같은 자연재해로 인한 농산물의 피해 예방 및 피해를 최소화하기 위해서는 적극적인 재배적 대응 방안과 내재해성 품종의 육성 관련 연구가 요구된다.
- UV-A 광 조사는 고추 묘의 항산화적 페놀화합물 축적을 유도하였고 저온 스트레스에 의한 전해질 유출을 감소시켰으며 이는 UV-A 처리가 저온 저항성을 증대시켰음을 의미한다. 따라서, 스마트팜과 식물공장과 같은 환경 제어가 가능한 식물생산 시스템에서 정식 전 고추 묘에 일정시간 동안 추가적인 UV-A 광 조사는 정식 후 이상 저온에 의한 피해를 최소화 할 수 있는 우량묘 생산 기술로써 활용이 가능 할 것으로 판단된다.
- 4A). 하지만 UV-A 광에 의한 세포벽 강화와 관련된 반응을 좀 더 명확하게 확인하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.
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