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식물생산시스템이란 일정한 시설 내에서 계절이나 장소에 관계없이 광, 온도, 상대습도 그리고 이산화탄소 농도와 같은 환 경조건을 인공적으로 제어하여 계획적으로 작물을 생산하는 재배시스템을 말한다(Takatsuji, 2008). 식물생산시스템은 인공광 원만을 이용하여 작물을 재배하는 완전제어형과 인공광원을 보광형태로 이용하는 인공광 병용형으로 구분된다. 식물생산시 스템에서 사용 가능한 인공광원으로는 형광등(fluorescent lamp), 고압나트륨 램프(high pressure sodium lamp), 메탈할라이드 램 프(metal halide lamp), 그리고 발광다이오드(light-emitting diode, LED) 등이 있으며, 이러한 인공광원들은 광질이 서로 다르기 때문에 사용되는 인공광원에 따라 식물 생육에 다양한 영향을 미친다. 그 중 LED는 낮은 발열량과 반영구적인 수명으로 경 제적이며, 크기가 작아 공간 활용이 높고 특정 파장대의 광 조사가 가능한 장점이 있어 식물생산시스템에서 많이 이용되고 있 다(Yeh and Chung, 2009; Heo et al., 2013; Lin et al., 2013). 이전의 연구들에서 LED의 이용은 씀바귀의 생육 뿐만 아니라 토마토 와 오이 묘의 생육을 증진시켰고(Um et al., 2009; Kim et al., 2016; Matsuda et al., 2016), 광질에 따라 생육뿐만 아니라 기능성물 질 함량 등에서 긍정적인 효과가 보고되고 있다S(on et al., 2012; Abinaya et al., 2015).
최근 완전제어형 식물생산시스템 내에서 재배되는 기능성 작물에 대한 소비자들의 관심이 증가하여 그에 따라 안전하면 서 기능성물질이 다량 함유된 고부가가치 작물에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 체내 혈당치를 낮춰 당뇨병과 성 인병 치료에 효과적인 아이스플랜트(ice plant)가 각광받고 있다(Agarie et al., 2009; Lee et al., 2015). 아이스플랜트는 번행초과에 속하는 다육식물로 기후조건이 열악한 아프리카 남서부의 사막지역이 원산지이며, 발아율이 낮고 성장속도가 일반 엽채류 에 비해 상대적으로 느린 식물이다. 잎과 줄기를 가식부위로 이용하며, 특히 잎과 줄기의 표면에 있는 투명한 결정체(bladder cell)에 이노시톨류, 폴리페놀류, 베타카로틴 등과 같은 인체에 유용한 성분과 각종 미네랄 등이 함유되어 있다(Kozai et al., 2011). 현재 국내에서는 완전제어형 식물생산시스템 내에서 아이스플랜트를 이용하여 인공광원, 광도, 재식밀도, EC 농도 등 에 따른 생육특성에 관한 연구와 아이스플랜트의 재배 방법에 따른 생산성 연구, 생육모델링 예측 연구가 수행되었다. 하지 만 완전제어형 식물생산시스템 내에서 LED의 광질에 따른 아이스플랜트의 생육과 기능성물질 축적에 대한 연구는 부족한 실정이다.
따라서, 본 연구는 완전제어형 식물생산시스템에서 인공광원인 형광등과 적색, 청색, 백색광을 혼합한 LED를 이용하여 광 질에 따른 아이스플랜트의 생육과 기능성물질에 미치는 효과를 구명하기 위해 수행되었다.
재료 및 방법
실험재료 및 재배환경
실험재료로는 아이스 플랜트(Mesembryanthemum crystallinum L.) (Asia Seed Co. Ltd., Korea) 종자를 128구 플러그 트레 이(54 x 28 x 4.8cm)에 암면(Rockwool, Grodan Co. Ltd., Denmark) 배지를 이용하여 1셀당 2립씩 파종한 후 경상대학교 부속 농장 벤로형 유리온실에서 20일간 육묘하였다. 1립 이상 발아된 셀은 솎음작업을 통해 1셀당 1주씩 남겼으며, 식물체의 본 엽 이 2-3매 출현했을 때 경상대학교 시설원예학실험실 완전제어형 식물생산시스템(C1200H3, FC Poibe Co. Ltd., Korea)에 9 x 9cm의 재식간격으로 정식하였다. 재배기간 동안의 관주는 재순환 담액식 수경재배방식을 이용하였고, 일본원예시험장 배양 액을 조제하여 사용하였다(Table 1). 배양액의 공급은 아이스플랜트의 균일한 생육을 위해 정식 후 2주동안 EC 수준을 1.5dS·m-1로 맞추어 공급하였고, 정식 후 2주째부터 아이스플랜트의 블러더 세포 발달을 위해 재순환 담액식 수경재배시스템 에 사용된 양액의 양을 고려하여 2mM의 염화나트륨(NaCl)을 첨가하였다. 재배기간동안 pH는 6.5로 조절하였다. 완전제어형 식물생산시스템의 재배환경은 재배온도 25±1˚C, 상대습도 60±10%, 광주기 14/10(명기/암기)로 동일하게 유지시켰고, 광합 성유효광량자속밀도는 광도계(HD2101.2, Delta Ohm SrL, Italy)를 이용하여 식물체의 상부 잎을 기준으로 모든 처리구를150±10μmol·m-2·s-1 PPFD로 고정하였다.
인공광원과 광파장
실험에 사용된 인공광원은 형광등(TLD 32W/865RS, Philips Co. Ltd., The Netherlands)을 대조구로 사용하였고, 적색, 청 색, 백색 LED를 조합하여 RW LED(red:white = 7:3, KC Chemical Co. Ltd., Korea)와 RBW LED(red:blue:white = 8:1:1, KC Chemical Co. Ltd., Korea) 2종류의 LED 혼합광원을 실험 처리구로 사용하였다. 광파장은 분광복사계(ILT950, International Light Co. Ltd., USA)를 이용하여 300-700nm 범위를 1nm 간격으로 측정하였다(Fig. 1).
Table 1. Chemicals and their concentration used as the nutrient solution for the culture of ice plant.
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생육조사
광질에 따른 아이스플랜트의 생육을 비교하기 위해 정식 후 28일째에 엽면적 측정기(LI-3100, LI-COR Inc., USA)를 이용 하여 엽면적을 측정하였고, 전자저울(EW 220-3NM, Kern&Sohn GmbH., Germany)을 이용하여 각 처리별 지상부와 지하부 의 생체중을 측정하였으며, 건물중은 시료를 70℃ 항온 건조기(Venticell-222, MMM Medcenter Einrichtungen GmbH.,Germany)에서 72시간 건조한 후 측정하였다. SPAD 값은 엽록소 측정기(SPAD 502, Konica Minolta Inc., Japan)를 이용하였 고, 엽록소형광 측정기(PAM-2100, Heinz Walz GmbH, Germany)를 이용하여 식물의 스트레스 지수를 나타내는 엽록소형광 값인 Fv/Fm을 측정하였다. 염도 측정을 위해 아이스플랜트 생시료 5g을 45mL의 증류수에 희석하여 염도계(TM-30D, Takemura Co. Ltd., Japan)를 이용하였다.
총페놀 함량, 총플라보노이드 함량 및 항산화능 분석
총페놀 함량과 총플라보노이드 함량 측정을 위해 아이스플랜트 잎을 액체질소로 동결시킨 후 ?72℃의 초저온 냉동고(NF- 140SF, Nihon Freezer Co. Ltd., Japan)에 보관하여 분석에 사용하였다. 아이스플랜트의 총페놀 함량은 Folin-Ciocalteu 방법 을 일부 변형하여 분석하였다(Yu et al., 2002). 분석을 위해 보관한 시료 1g을 막자사발에 넣어 액체질소와 함께 분쇄하였으며 5mL의 80%(v/v) 메탄올을 추가하여 분석을 위한 샘플을 추출한 후 마이크로 튜브에 2mL씩 넣고 암상태에서 12시간 동안 보 관하였다. 그 후 샘플을 4℃에서 10,000rpm으로 10분간 원심분리 시킨 후 상층액을 이용하였다. 증류수 900μL와 50%(v/v) Folin-Cicalteu 시약(Sigma-Aldrich, MO, USA) 500μL, 2.5% Na2CO3 1mL의 혼합물에 추출물 100μL를 넣고 vortex mixer(Vortex-genie 2, Scientific Industries Inc., USA)로 2초간 섞은 후 암조건에서 40분간 반응시켰다. 반응이 끝난 시료는 분광광도계(Libra S22, biochrom Ltd., UK)를 이용하여 765nm에서 흡광도를 측정하였다. 아이스플랜트의 총페놀 함량은 1mg당 gallic acid(μg)로 표현하였다.
아이스플랜트의 총플라보노이드 함량은 Kumaran and Karunakaran(2007)의 방법을 일부 변형하여 분석하였고, 시료의 추 출방법은 총페놀 함량 분석과 동일하게 수행하였다. 80% 메탄올 900μL와 2% AlCl3 1mL의 혼합물에 추출물 100μL를 넣고 vortex mixer로 2초간 섞은 후 30분간 반응시켰다. 반응이 끝난 시료는 분광광도계를 이용하여 415nm에서 흡광도를 측정하 였다. 아이스플랜트의 총플라보노이드 함량은 1mg당 rutin(μg)으로 표현하였다.
항산화능은 Prieto et al.(1999)의 방법을 이용하여 분석하였고, 시료의 추출방법은 총페놀 함량 분석과 동일하게 수행하였 다. 0.6M H2SO4와 28mM Na3PO4, 4mM (NH4)6Mo7O24를 혼합한 용액에 추출물 300μL를 넣고 vortex mixer로 2초간 섞은 후 95℃의 항온 수조(GR150, Grant Instruments Ltd., UK)에 90분간 반응시켰다. 혼합물을 상온까지 식힌 후 분광광도계를 이용 하여 695nm에서 흡광도를 측정하였다. 아이스플랜트의 항산화능은 1mg당 ascorbic acid(μg)로 표현하였다.
통계분석
실험구 배치는 완전임의배치 3반복으로 하였고, 반복당 3주씩 정식하였다. 통계분석은 SAS 프로그램(SAS 9.1, SAS Institute Inc., USA)을 이용하여 분산분석(ANOVA)을 실시하였고, 평균 간 비교는 Tukey 다중검정을 이용하였다. 그래프는 SigmaPlot 프로그램(Sigma Plot 12.0, Systat Software, USA)을 이용하여 나타냈다.
결과 및 고찰
생육조사 결과
정식 후 28일째 아이스플랜트의 생육조사 결과는 Table 2와 같다. 광질 처리에 따른 아이스플랜트의 엽면적과 지상부와 지 하부의 생체중 및 건물중은 형광등에서 유의적으로 높은 값을 나타냈다. 이는 식물공장에서 재배된 반결구상추 ‘Seneca RZ’ 품종의 생육이 메탈할라이드 램프나 RBW LED보다 형광등에서 효과적으로 나타난 결과와 유사하다(Kim et al., 2013). 하지 만 Um et al.(2010)에 따르면 ‘청치마’ 상추의 경우 형광등에서 생육이 가장 양호했고, ‘롤로로사’와 ‘적치마’ 상추는 형광등과 메 탈할라이드 램프 혼합광에서 좋았다. 이러한 결과들을 종합해보면 작물에 따라서 인공광원의 영향이 서로 다르게 나타난다는것을 알 수 있다. 본 연구에서 사용된 형광등은 다양한 파장대의 광 스펙트럼을 포함하며 특히 550nm의 녹색광 영역에서 높은 피크를 나타냈다(Fig. 1). 일반적으로 저광도의 녹색광 단일조사는 식물의 도장과 생체중을 감소시킨다고 보고 되었다(Johkan et al., 2012; Son et al., 2012). 본 연구에서는 상대적으로 녹색광 영역이 높은 형광등에서 아이스플랜트의 생육이 효과적인 것 으로 나타났는데(Fig. 2), 이는 적색과 청색 혼합광에 녹색광을 보광하여 재배된 상추의 생육이 적색과 청색 혼합광과 비교해 서 효과적이라는 결과(Kim et al., 2004)와 백색광과 녹색광을 혼합하여 조사할 경우 해바라기 잎의 광합성을 촉진시켜 생육을 향상시킨다는 연구 결과와 유사하다(Terashima et al., 2009). 따라서, 녹색광이 적절히 포함된 형광등에서 아이스플랜트의 생 육이 우수하였으며 녹색광의 적정 비율에 대한 연구가 필요한 것으로 판단된다.
광질 처리에 따른 아이스플랜트의 SPAD 값은 RBW LED에서 유의적으로 가장 높은 값을 나타냈다(Table 2). 실험에 사용 된 RBW LED는 다른 광원과 비교할 때 460nm의 청색광 영역에서 높은 피크를 가지는데, 이전의 연구에서 청색광의 조사는 완두와 오이 재배시 엽록소 함량을 증가시키고, 적치마 상추의 경우 SPAD 값을 증가시킨다고 알려져 있다(Wu et al., 2007; Wang et al., 2009; Lee and Kim, 2014). 따라서, 본 연구에서 사용된 RBW LED의 청색광 피크가 아이스플랜트의 SPAD 값에 영향을 미친 것으로 판단된다. 식물체의 스트레스 지표로 사용되는 엽록소형광(Fv/Fm)의 경우, 정상적인 환경에서는 0.8-0.84 의 수치를 나타낸다(Baker and Rosenqvist, 2004). 본 연구에서 광질에 따른 아이스플랜트의 Fv/Fm 값은 형광등에서 0.806으 로 가장 높은 값을 나타내 광질에 따른 생육 스트레스를 가장 적게 받았으며, RW LED, RBW LED 순으로 Fv/Fm 값을 나타냈다. 아이스플랜트는 스트레스를 받으면 줄기와 잎 표면에 물방울 모양의 블러더 세포를 형성하는데 이 세포가 많아질수록 염 분을 많이 함유한다(Kozai et al., 2011). 광질에 따른 염도의 경우 처리별 유의적인 차이가 없었지만 RBW LED에서 다른 처리 들에 비해 0.43%로 가장 높은 수치를 나타냈다. 이는 RBW LED 처리에서 재배된 아이스플랜트가 광질에 따른 스트레스를 가 장 많이 받았기 때문에 블러더 세포가 많아져 염도가 높은 것으로 판단된다.
총페놀 함량, 총플라보노이드 함량 및 항산화능
아이스플랜트의 기능성물질을 분석한 결과는 Fig. 3과 같다. 광질에 따른 아이스플랜트의 총페놀 함량은 RBW LED 처리에 서 3.3μg·mg-1으로 가장 높은 값을 나타냈다. 총플라보노이드 함량은 형광등과 RBW LED에서 유의적으로 높았으며, 특히RBW LED 처리에서 8.3μg·mg-1으로 가장 높은 값을 나타냈다. 모든 식물체는 환경적인 스트레스를 받으면 식물체 내에 2차 대사산물을 축적하기 때문에 항산화 물질의 양이 많아 진다(Dixon and Paiva, 1995). 본 연구에서 광질에 따른 아이스플랜트 의 스트레스 지수인 Fv/Fm 값을 고려하였을 때(Table 2), RBW LED에서 값이 가장 낮게 나타나 스트레스가 가장 높았으며 이 러한 결과로 기능성물질의 함량 또한 가장 높게 나타난 것으로 판단된다. 또한 실험에 사용된 RBW LED의 경우 460nm의 청 색 피크 파장에서 다른 광질에 비해 높은 방사량을 보이는데(Fig. 1), 이는 상추 재배시 청색 LED 처리가 페놀 물질과 항산화 물질의 축적을 유도하는데 효과적이라는 결과와 유사하다(Son et al., 2012). 아이스플랜트의 항산화능 역시 총페놀, 총플라보 노이드 함량과 유사한 경향으로 460nm의 청색광 영역에서 높은 피크 파장을 가진 RBW LED 처리에서 가장 높은 값을 나타 냈다.
Fig. 3
Total phenol content (A), total flavonoid content (B), and antioxidant activity (C) of ice plant as affected by light qualities in a closed-type plant production system. The light sources are FL, fluorescent lamp; RW LED, red:white = 7:3; and RBW LED, red:blue:white = 8:1:1. Vertical bars indicate standard error of the means. uTkey’s multiple range test atp = 0.05.
결과적으로 광질에 따른 아이스플랜트의 생육은 형광등을 이용한 처리에서 가장 양호하였고, 기능성물질의 경우 Fv/Fm 수 치가 상대적으로 낮은 RBW LED 처리에서 효과적이었다. 하지만 본 연구에서 사용된 형광등과 LED 혼합광원의 경우 다양 한 파장대를 가지고 있기 때문에 어떠한 특정 파장대가 아이스플랜트의 생육과 기능성물질 축적에 확실한 영향을 미치는지 판 단하기 어렵다고 생각되어 특정 파장에 따른 단일 LED 광원을 이용하여 아이스플랜트의 생육과 기능성물질 축적에 대한 추 가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
