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문제 정의
- 본 연구는 담액 수경재배 시 발포형 고체 탄산정을 배양액에 투입하였을 때 근권부 pH와 EC에 대한 영향과 탄산정 처리에 의해 발생되는 이산화탄소가 상추의 지하부와 지하부의 생육 및 생리활성물질 함량에 미치는 영향을 살펴보고자 수행되었다.
제안 방법
- 45µm의 syringe filter로 필터링하여 분석 시료로 사용하였다. Chlorogenic acid, quercetin 두 물질에 대한 정량분석을 위하여 HPLC(1260 Infinity Ⅱ, Agilent Technologies Co. Ltd., USA)를 이용하였으며, 컬럼은 optimapak C18 column (250 × 4.6mm, 5µm)을 사용하였고 컬럼 온도는 30℃, 유량은 1.0mL·min-1, 검출파장은 280㎚로 설정하였다. 이동상 용매로는 0.
- 15% 아세트산을 포함한 solvent A와 80% MeOH 의 solvent B를 이용하였다. Chlorogenic acid와 quercetin 표준물질(Sigma-Aldrich Co., USA)을 99.9% MeOH에 1000, 500, 250, 200, 100, 50µg·ml-1 농도로 희석한 후 검량선을 작성하여 정량 분석에 사용하였다.
- 시켜 -70℃에 냉동보관 하였다. 냉동된 시료는 동결건조하여 믹서기와 막자사발을 이용해 분말화 시켰으며, 분말 시료 100mg에 80% MeOH 2mL을 넣고 1시간 동안 초음파처리(sonication)를 한 뒤, 12,000rpm에서 15분간 원심 분리 한 상 등 액을 0.45µm의 syringe filter로 필터링하여 분석 시료로 사용하였다. Chlorogenic acid, quercetin 두 물질에 대한 정량분석을 위하여 HPLC(1260 Infinity Ⅱ, Agilent Technologies Co.
- , USA)를 이용하여 측정하였다. 단위면적당 엽록소 함량 비교를 위하여 SPAD-502 (Minolta Camera Co. Ltd., Japan)을 이용하여 SPAD 값을 측정하였다. 상추의 생체중은 지상부와 지하부로 나누어 전자저울(MW-2N, CAS Co.
- 해당 탄 산정 1정의 무게는 2g이며 사용 기준 용량은 100L를 기준으로 사용하게 되어 있다. 따라서 본 실험의 수경재배 장치 용량인 18L를 고려하여 탄산정을 분말화한 뒤 0.36g의 분말을 수경재배 장치 양액에 녹인 것을 1배 처리로 기준으로 하여 사용하였다. 탄산정 처리 농도에 따른 상추의 생육 및 품질 차이를 알아보기 위하여 무처리를 대조구로 하여 18L의 양액에 탄산정 0.
- 수행하였다. 버니어 캘리퍼스(SD500-300PRO, Shin Con CO. Ltd., Korea)를 이용하여 가장 큰 잎의 엽장, 엽폭, 1cm2 크기 이상의 엽수를 측정하였으며, 개체별 총 엽면적을 엽면적 측정기(LI-3100, Licor Co. Ltd., USA)를 이용하여 측정하였다. 단위면적당 엽록소 함량 비교를 위하여 SPAD-502 (Minolta Camera Co.
- , Japan)을 이용하여 SPAD 값을 측정하였다. 상추의 생체중은 지상부와 지하부로 나누어 전자저울(MW-2N, CAS Co. Ltd., Korea)로 측정하였고, 생체중을 측정한 시료를 봉투에 담아 80℃로 설정된 열풍 건조기 (HB-501M, Hanbaek Scientific Technology Co. Ltd., Bucheon, Korea)를 이용해 1주일간 건조한 후 전자저울을 사용해 건물 중을 측정하였다.
- 상추의 항산화도를 알아보기 위해 DPPH 라디컬 소거 능을 측정하였다. 측정은 생리활성물질 분석 시 제조한 상춧잎 추출 시료를 사용하였으며, 1.
- 정식이 완료된 수경재배 장치를 처리구별 각 챔버로 옮겨 온도 23 ± 1℃, 습도 70 ± 5%, 고압나트륨등 광도 330 ± 20µmol·m-2·s-1, 광주기 16/8h (명기/암기) 조건으로 같게 설정하여 재배하였다. 수경재배 시 양액은 Hoagland 배양액을 변형하여(Table 1) 사용하였고양액 내 탄산정 처리에 의한 양액의 EC와 pH 변화를 고려하여 3일마다 양액을 새로 교체해 주어 EC 1.3 ± 2dS·m-1, pH 6.5 ± 0.2로 유지해 주었다. 정식 3주 후 수확하여 생육 및 항산화 물질 분석을 수행하였다.
- 양액 내 탄산정 처리를 위해 알약 형태로 제작된 고형 탄 산정(CO2-TABS, No Mercy Supply, The Netherlands)을 이용하였다. 해당 제품은 알약 형태의 탄산정으로 양액에 넣으면 탄산 기체가 양액 내에서 발포되어 30분 이내에 전부 용해되고 탄산가스가 서서히 기화되는 특징을 가지고 있다.
- , The Netherlands) 에파종하여 2일간 암조건의 챔버에서 발아를 시킨 뒤, 챔버 내온도 22 ± 2℃, 습도 70 ± 5%, 형광등 광도 230 ± 20µmol·m-2 ·s-1, 광주기 16/8h(명기/암기) 조건의 완전제어형 식물 재배실에서 21일간 육묘하였다. 육묘 3주 차에는 본엽이 3~4매가 전개되었으며 균일한 묘를 선발하여 처리구에 따라 semi-DFT 수경재배 장치(Gafatech Co. Ltd., Hwaseongsi, Korea) 4대에 각각 14주씩 총 56주를 정식하였다. 정식이 완료된 수경재배 장치를 처리구별 각 챔버로 옮겨 온도 23 ± 1℃, 습도 70 ± 5%, 고압나트륨등 광도 330 ± 20µmol·m-2·s-1, 광주기 16/8h (명기/암기) 조건으로 같게 설정하여 재배하였다.
- 2로 유지해 주었다. 정식 3주 후 수확하여 생육 및 항산화 물질 분석을 수행하였다.
- 정식 3주 후 처리구별로 10주의 상추를 수확하여 생육 조사를 수행하였다. 버니어 캘리퍼스(SD500-300PRO, Shin Con CO.
- , Hwaseongsi, Korea) 4대에 각각 14주씩 총 56주를 정식하였다. 정식이 완료된 수경재배 장치를 처리구별 각 챔버로 옮겨 온도 23 ± 1℃, 습도 70 ± 5%, 고압나트륨등 광도 330 ± 20µmol·m-2·s-1, 광주기 16/8h (명기/암기) 조건으로 같게 설정하여 재배하였다. 수경재배 시 양액은 Hoagland 배양액을 변형하여(Table 1) 사용하였고양액 내 탄산정 처리에 의한 양액의 EC와 pH 변화를 고려하여 3일마다 양액을 새로 교체해 주어 EC 1.
- 측정은 생리활성물질 분석 시 제조한 상춧잎 추출 시료를 사용하였으며, 1.5mL 튜브에 1mM의 DPPH 용액 500µL와 100배 희석한 상춧잎 추출 시료 500µL를 실온에서 30분간 반응시킨 후 UV/Vis 분광광도계(OPTIZEN POP BIO, Mecasys Co. Ltd., Daejeon, Korea)를 이용하여 517nm 에서 흡광도를 측정하였다. 측정값은 [1-시료 첨가구의 흡광도/시료 무첨가구의 흡광도] × 100의 계산식을 이용하여 DPPH 라디컬 소거능을 계산하였다.
- 36g의 분말을 수경재배 장치 양액에 녹인 것을 1배 처리로 기준으로 하여 사용하였다. 탄산정 처리 농도에 따른 상추의 생육 및 품질 차이를 알아보기 위하여 무처리를 대조구로 하여 18L의 양액에 탄산정 0.18g(0.5배), 0.36g(1배), 0.72g(2배)을 각각 처리하였으며, 탄산정 처리는 탄산의 효력을 유지하기 위해 정식 후 3일 간격으로 양액을 새로 교체할 때마다 각 처리구별 기준량의 탄산 정을 새로 용해해 주었으며 양액 교체는 오후 6시에 실시하였다. 탄산정 처리에 따른 챔버 내 대기 중 CO2 변화 및 양액내 pH를 측정하기 위하여 CO2 Analyzer(Li-820, Licor Co.
- 탄산정 처리에 따른 상추의 생리활성물질 및 항산화도 분석을 위하여 처리구별 상추 3주씩 수확한 잎을 액체질소로 급속냉각 시켜 -70℃에 냉동보관 하였다. 냉동된 시료는 동결건조하여 믹서기와 막자사발을 이용해 분말화 시켰으며, 분말 시료 100mg에 80% MeOH 2mL을 넣고 1시간 동안 초음파처리(sonication)를 한 뒤, 12,000rpm에서 15분간 원심 분리 한 상 등 액을 0.
- 72g(2배)을 각각 처리하였으며, 탄산정 처리는 탄산의 효력을 유지하기 위해 정식 후 3일 간격으로 양액을 새로 교체할 때마다 각 처리구별 기준량의 탄산 정을 새로 용해해 주었으며 양액 교체는 오후 6시에 실시하였다. 탄산정 처리에 따른 챔버 내 대기 중 CO2 변화 및 양액내 pH를 측정하기 위하여 CO2 Analyzer(Li-820, Licor Co. Ltd., USA)와 pH meter(HI5221-02, Hanna Instruments Co. Ltd., The Netherlands)를 이용하여 대기 중 CO2 변화는 탄 산정 처리 시작 후 24시간 동안 30분 간격으로 챔버 내 CO2를 측정하였으며, 양액 내 pH는 탄산정 처리 후 3일간 매일 측정하였다.
대상 데이터
- 실험에는 적축면 상추(Seonpung Plus+, Kwonnong Seeds Co. Ltd., Cheongjusi, Korea)를 사용하였으며, 종자를 240공암면배지(Rock wool, Grodan Co. Ltd., The Netherlands) 에파종하여 2일간 암조건의 챔버에서 발아를 시킨 뒤, 챔버 내온도 22 ± 2℃, 습도 70 ± 5%, 형광등 광도 230 ± 20µmol·m-2 ·s-1, 광주기 16/8h(명기/암기) 조건의 완전제어형 식물 재배실에서 21일간 육묘하였다. 육묘 3주 차에는 본엽이 3~4매가 전개되었으며 균일한 묘를 선발하여 처리구에 따라 semi-DFT 수경재배 장치(Gafatech Co.
- 0mL·min-1, 검출파장은 280㎚로 설정하였다. 이동상 용매로는 0.15% 아세트산을 포함한 solvent A와 80% MeOH 의 solvent B를 이용하였다. Chlorogenic acid와 quercetin 표준물질(Sigma-Aldrich Co.
데이터처리
- yMean separation within columns and different letter means significant difference by Duncan’s multiple range test at p ≤ 0.05. xNS, *, **, ***, Nonsignificant or significant at p ≤ 0.
- 모든 분석 결과는 처리구별 평균 간 비교를 위하여 SPSS 프로그램(SPSS Statistic 26, IBM Co. Ltd., USA)을 사용하여 one-way ANOVA 분석을 수행하였으며 평균간 유의차 검증을 위하여 Duncan의 다중검정법으로 유의수준 p ≤ 0.05 에서 분석하였다.
- , Daejeon, Korea)를 이용하여 517nm 에서 흡광도를 측정하였다. 측정값은 [1-시료 첨가구의 흡광도/시료 무첨가구의 흡광도] × 100의 계산식을 이용하여 DPPH 라디컬 소거능을 계산하였다.
성능/효과
- 단위 건물중 당 생리활성물질 함량을 실제 건물중에 곱하여 식물 1개체당 생리활성물질 함량을 분석한 결과 chlorogenic acid와 quercetin 모두 건물 중 당 생리활성물질 함량과 동일한 경향성을 나타냈다. 1배 처리 구에서 chlorogenic acid의 함량이 가장 높았으며 9.47 mg·plant-1으로 대조구 3.81mg·plant-1보다 249% 높게 나타났다. 하지만 1배 처리구에서 quercetin 함량이 가장 낮았으며 0.
- 단위 건물중 당 chlorogenic acid 함량은 탄산정 처리구에서 대조구보다 더 높게 나타났다. 1배 처리구에서 단위 건물중 당 3.24mg·g-1로대조구보다 114% 증가하여 가장 높은 값을 나타냈으며 0.5배 처리 구에서는 2.42mg·g-1, 2배 처리구에서는 2.21mg·g-1로대조구 대비 각각 60.3, 47.4% 증가한 결과를 나타내었다. Quercetin 함량은 대조구에서 0.
- 32 만큼 감소하는 모습을 나타냈다. 감소 폭은 탄산정 처리량이 클수록 크게 나타났으며 처리 후 2일, 3일 차에 측정한 양액내 pH 값으로 보아 pH가 처리 전 수준으로 회복하는 모습을 나타내었다(Fig. 2). Lee 등(2013)은 pH가 급격하게 높아진 정수장의 원수에 CO2 주입을 통해 정상범위의 pH로 조절시켰는데 이는 물에 용해된 CO2는 H2CO3로만 존재하는 것이 아니고 물과 맞닿고 있는 대기 중의 CO2와 평행을 이루고 있어서 CO2가 과도하게 용해될 때 H+가 증가하게 되어 pH가 낮아지기 때문이라 설명하고 있다.
- 4A). 단위 건물중 당 생리활성물질 함량을 실제 건물중에 곱하여 식물 1개체당 생리활성물질 함량을 분석한 결과 chlorogenic acid와 quercetin 모두 건물 중 당 생리활성물질 함량과 동일한 경향성을 나타냈다. 1배 처리 구에서 chlorogenic acid의 함량이 가장 높았으며 9.
- 또한, 이산화탄소 처리는 잎의 표피 조직 세포의 신장을 촉진하고, 작물과 품종에 따라 정도의 차이는 있지만, 식물의 엽면적 및 엽수를 증가시키기 때문에 식물의 생장에 효과가 있다고 보고되었다(Taylor 등, 2001). 따라서 생육 조사 결과, 양액에 용해시킨 탄산정이 이산화탄소로 기화되면서 공기 중의 CO2 농도가 증가하였고, 이러한 영향이 지상부 상추의 생리, 생장 반응에 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
- Patil(2012)은 외떡잎식물이 쌍떡잎식물보다 토양 CO2 증가에 대한 저항성이 더 클 것이라고 보고하였으며, 실제 토양 CO2가 증가하였을 때 쌍떡잎식물인 알팔파의 생육 저해가 외떡잎식물인 옥수수보다 더 크게 나타났다(Wu 등, 2014). 본 실험의 상추의 경우 쌍떡잎식물에 속하며 뿌리 신장은 대조구보다 저해되었지만, 생육에는 차이가 나타나지 않았다. 백합나무에서 CO2 농도가 증가함에 따라 곁가지의 발생이 증가(Lee 등, 2013)한 것으로 보아, 기포 형태의 탄산이 뿌리에 자극을 주어 뿌리의 길이 생장은 억제됐지만 2차 또는 3차 지근이 발달하여 전체 뿌리의 생육은 증가한 것으로 판단된다.
- Lee 등(2013)은 pH가 급격하게 높아진 정수장의 원수에 CO2 주입을 통해 정상범위의 pH로 조절시켰는데 이는 물에 용해된 CO2는 H2CO3로만 존재하는 것이 아니고 물과 맞닿고 있는 대기 중의 CO2와 평행을 이루고 있어서 CO2가 과도하게 용해될 때 H+가 증가하게 되어 pH가 낮아지기 때문이라 설명하고 있다. 본 연구에는 CO2에 의한 양액의 pH가 작물의 생육에 부정적인 영향을 미치지 않는 수준에서 유지되었으며 양액에 용해되어 있던 CO2가 지속해서 대기 중으로 발산하며 작물의 생육을 증가시키는 작용을 한 것으로 판단된다.
- 본 연구의 결과 담액 수경 재배 시 고형 탄산정 0.5배 처리 시상 추의 엽폭과 엽면적, 생체중과 건물중이 대조구와 비교하여 유의적으로 증가하는 것을 확인하였다. 1배와 2배 처리구역 시 대조구와 비교하여 생육이 증가하였지만 엽폭을 제외하고 0.
- 상추 잎의 추출액을 이용하여 DPPH 라디컬 소거능을 분석한 결과 대조구와 0.5배 처리구에서 각각 49.2, 49.3%로 1배 처리구 42.4%와 2배 처리구 40.2%에 비교하였을 때 유의적으로 높은 값을 나타내었다(Fig. 5). DPPH 라디컬 소거 능은 항산화 활성을 나타내는 지표로 측정 시 작물의 종류나 샘플의 상태, 추출용매의 종류에 따라 측정 결과가 매우 다양하게 나올 수 있다(Proteggente 등, 2002; Suh 등, 2013; Kim 등, 2009).
- 08g으로 가장 높은값을 나타냈으며 모든 탄산정 처리의 지상부 생육이 대조구와 비교하여유의적으로 증가되었다. 상추의 지하부 생육 조사 결과 근장의 경우 대조구와 비교하여 탄산정 처리 농도가 높을수록 근장이 유의적으로 감소했으나(Fig. 3) 지하부 건물중의 경우 근장과 반대되는 경향으로 탄산정 처리 농도가 높아질수록 증가하였다(Table 2). 양액에 탄산정을 용해 시키면 H2CO3의 형태로 존재하며 pH가 약간 하강하여 6.
- 수확 후 상추의 외관을 관찰한 결과 형태학적으로 탄산정 처리에 의한 시각적 차이는 발견되지 않았다. 하지만 지하부의 경우 대조구와 비교하여 탄산정 처리 농도가 높아질수록 뿌리의 길이가 짧아지고 진한 갈색을 띠는 모습을 나타내었다(Fig.
- 결과이다. 엽수와 엽장의 경우 탄산정 처리에 따른 유의적 차이가 나타나지 않았으며, 엽폭의 경우 탄산정 처리 1배, 2배 처리에서 각각 17.8, 17.9cm로 대조구와 비교하여 유의하게 증가하였다. 상추 개체별 총 엽면적 역시 대조구와 비교하여 0.
- 1). 이후부터 탄 산정 처리의 챔버 내 이산화탄소 농도가 대조구 농도 수준으로 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 CO2 농도가 높을수록 야간 CO2 배출량이 증가하는 이유는 지상부 발달 정도에 기인한 것으로 Kimball(1983)에 따르면 지상부 발달에 따른 동화 산물 소모 증가가 CO2 배출에 영향을 미친다는 연구 결과와 일치한 것으로 보인다.
- 하지만 엽록소 지표를 나타내는 SPAD 값은 2배 처리 구에서 높은 평균값을 나타내었지만 대조구와 비교하여 유의적인 차이가 나타나지 않았다. 지상부 생체중과 건물중의 경우 0.5배 처리에서 각각 63.9g과 3.08g으로 가장 높은값을 나타냈으며 모든 탄산정 처리의 지상부 생육이 대조구와 비교하여유의적으로 증가되었다. 상추의 지하부 생육 조사 결과 근장의 경우 대조구와 비교하여 탄산정 처리 농도가 높을수록 근장이 유의적으로 감소했으나(Fig.
- 1). 처리 4시간 이후 야간 암조건에 들어 서자식물의 호흡에 의한 이산화탄소 배출량이 증가함에 따라 야간챔버 내 이산화탄소 농도가 증가하는 경향을 나타내었는데 야간 최대 이산화탄소 농도는 대조구, 0.5, 1.0, 2.0배의 경우 각각 450, 455, 464, 472µL·L-1를 나타내었다(Fig. 1). 이후부터 탄 산정 처리의 챔버 내 이산화탄소 농도가 대조구 농도 수준으로 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 탄산정 처리 후 3일간 양액 내 pH 농도를 측정한 결과 대조 구의 경우 양액 내 pH가 측정 첫날 pH 6.34에서 측정 마지막 날 pH 6.49까지 증가하는 경향을 나타냈다. 탄산정 0.
- 탄산정 처리에 따른 상추 내 생리활성물질 분석 결과 chlorogenic acid와 quercetin이 검출되었다. 단위 건물중 당 chlorogenic acid 함량은 탄산정 처리구에서 대조구보다 더 높게 나타났다.
- 탄산정 처리에 의한 챔버 안 CO2 농도를 측정한 결과, 탄 산정 처리 직후 챔버 내 대기 이산화탄소 농도는 대조구의 경우 375µL·L-1로 가장 낮았으며, 0.5배 처리구는 437µL·L-1, 1배 처리 구는 444µL·L-1, 2배 처리구는 442µL·L-1까지 증가하는 모습을 나타내다가 이후 2시간에 걸쳐 점차 감소하는 경향을 나타내었다(Fig. 1). 처리 4시간 이후 야간 암조건에 들어 서자식물의 호흡에 의한 이산화탄소 배출량이 증가함에 따라 야간챔버 내 이산화탄소 농도가 증가하는 경향을 나타내었는데 야간 최대 이산화탄소 농도는 대조구, 0.
후속연구
- 이는 탄산정 처리를 통한 추가적인 이산화탄소 공급이 전체적인 식물의 생육 증대에 긍정적인 역할을 하지만 탄산정 처리로 인해 발생된 양액 내 발포 탄산가스의 직접적인 자극이 식물 뿌리의 형태형성에 영향을 주는 것으로 보인다. 따라서 향후 이러한 물리적 자극이 식물 근권부에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구가 필요해 보인다. 상추의 생리활성물질의 함량은 물질의 종류에 따라 축적되는 함량이 상이하게 나타났으며, 실제 항산화 활성을 나타내는 DPPH 라디컬 소거능 분석 결과 탄산정 1 배 처리와 2배 처리는 대조구보다 항산화 활성능이 감소하는 것으로 나타났는데, 향후 상추의 항산화 활성에 직접적으로 관여하는 생리활성물질에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
- 따라서 향후 이러한 물리적 자극이 식물 근권부에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구가 필요해 보인다. 상추의 생리활성물질의 함량은 물질의 종류에 따라 축적되는 함량이 상이하게 나타났으며, 실제 항산화 활성을 나타내는 DPPH 라디컬 소거능 분석 결과 탄산정 1 배 처리와 2배 처리는 대조구보다 항산화 활성능이 감소하는 것으로 나타났는데, 향후 상추의 항산화 활성에 직접적으로 관여하는 생리활성물질에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
- HPLC를 이용하여 상추 6품종에 대한 주요 항산화 폴리페놀 화합물을 분석한 이전 연구 결과 chlorogenic acid, caffeic acid, dicaffeoyl tartaric acid, quercetin 3-O-glucuronide 등의 물질이 검출됨을 확인하였으며(Nicolle 등, 2004), Oh 등(2009)은 ‘Baronet‘라는 품종의 상추에 온도 및 광도 조절을 통한 가벼운 환경 스트레스 처리를 통해 chlorogenic acid와 quercetin의 함량이 모두 대조 구와 비교하여 증가하는 것을 확인하였다. 하지만 본 연구에서는 두 물질의 함량이 탄산정 농도에 대해 반대되는 경향성을 나타내어 향후 상추의 품종에 따른 생리활성물질 함량에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
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