서 론
재료 및 방법
실험 재료
육묘 및 수경재배
염 스트레스 처리
식물체의 생장 특성 조사
엽록소 형광 측정
통계분석
결과 및 고찰
염 스트레스가 이탈리안 라이그라스의 생장과 엽록소 형광 반응에 미치는 영향
염농도의 급격한 변화가 이탈리안 라이그라스의 생장과 엽록소 형광 반응에 미치는 영향
적 요
서 론
세계적으로 8억ha 이상의 토양이 염분으로 인해 피해를 받는 것으로 추정되며, 이러한 염해지 토양은 지속적으로 증가되고 있는 상황이다(FAO, 2021). 우리나라는 32,000 ha이상의 간척지를 농경지로 활용하고 있으나 간척지 토양은 염도와 지하수위가 높고 토양 배수가 불량하여 내염성과 내습성이 강한 일부 작물 재배에 국한되어 있다. 간척지 토양은 초기 제염을 수행하여도 수분과 모세관 상승으로 인하여 토양 염분이 상승하며(Son et al., 2015), 염분 농도는 계절과 환경에 영향을 받고(Yang et al., 2012; Yoo et al., 2007), 염농도 분포의 지형적 변이도 심하게 발생한다. 새만금 간척지의 경우 토양의 평균 EC는 0.9 dS/m이지만, 4.69 dS/m 이상인 토양들도 혼재되어 있다(Ryu et al., 2020). 또한, 간척지는 토양의 이화학성 및 비옥도가 작물 재배에 적합하지 않아 생산량이 낮다. 보리, 호밀, 이탈리안 라이그라스의 간척지 재배실험 결과, 일반토양에 비하여 생산량이 감소하였으나 그 중 이탈리안 라이그라스의 간척지 생산량과 사료가치는 다른 작물에 비하여 높은 것으로 보고되었다(Yang et al., 2012; Soon et al., 2005).
이탈리안 라이그라스(Lolium multiflorum L.)는 월년생의 화본과 사료작물로, 잎/줄기의 비율이 더 높아 가축의 기호성이 높다(Lee, 2013; Lee & Kim, 2017). 또한, 수량성이 높고 여러 번 수확할 수 있을 뿐만 아니라 사료가치가 높으며, 뿌리 발달이 지표면에 많이 분포하고 내습성이 우수하여 논 토양에서도 생육이 좋은 것으로 보고되었다(Lee et al., 2004). 이탈리안 라이그라스는 볏짚이나 다른 사료작물 급여에 비하여 경제성 및 품질 향상에 효과적이며(Hwang et al., 2010; Kim et al., 2007; Kim et al., 2015), 청예, 방목, 건초, 사일리지 및 헤일리지 등 다양한 방식으로 이용이 가능하여 사료작물로서 재배적 가치가 높다. 이러한 이유로 이탈리안 라이그라스 재배면적은 2010년 7,000 ha에서 2021년 73,000 ha로 급격하게 증가하였으며, 국내 동계 사료작물 재배면적의 약 80%를 차지하고 있다(MAFRA, 2021). 2021년 기준 국내 조사료 총 소요량은 5,218천톤이며, 조사료 자급률은 약 82%이다. 하지만, 볏짚과 같이 사료가치가 낮은 조사료가 공급량의 약 70%로, 양질의 국내산 조사료가 차지하는 비율은 낮은 상황이다(MAFRA, 2021).
간척지 농업에서 토양 염분은 작물의 생육 및 생산성에 큰 제약을 주며, 이는 농업에 큰 영향을 미친다. 토양 염분에 의한 식물의 스트레스 반응은 식물의 수분 흡수 저해, 이온 불균형 또는 식물 체내에 축적된 염이 독성을 일으키는 경로로 일어나며, 일반적으로 염 스트레스는 식물의 생장, 광합성, 단백질 합성, 다양한 대사 과정 등 주요 과정에 영향을 주어, 식물의 생장 억제, 노화 및 고사 등의 증상을 유발한다(Munns & Tester, 2008).
이러한 염 스트레스에 대하여 저항성을 보이는 작물을 효과적으로 선발하기 위해서는 스트레스에 대한 생리 반응의 정밀하고 효율적인 평가가 필수적이다. 본 연구는 염 스트레스가 광합성 효율에 미치는 영향을 비파괴적인 방법으로 분석하기 위해, 암 처리된 잎에 광을 비추어 엽록소 형광 반응을 분석하는 OJIP 테스트를 활용하였다. OJIP 테스트는 O(origin)-J-I-P(peak) 4개의 주요 지점으로 구성되며 각 단계의 측정값을 통해 스트레스 상태의 식물 잎에서 광
계II의 구조와 기능 변화를 검정하는 데 적합한 것으로 보고되었다(Kalaji et al., 2017; Rastogi et al., 2020; Strauss et al., 2006). OJIP 곡선은 크게 3단계로 구분할 수 있는데, 첫 번째 단계인 O-J 구간은 광계II의 반응중심에서 초기 전자수용체인 QA의 광화학적 환원으로 인해 일부 광계II의 반응중심이 닫히는 과정이다. 여기에서 닫혔다는 의미는 광계II가 빛을 흡수하고 QA가 전자를 받아들이면 첫 번째 전자를 후속 전자 운반체인 QB로 전달할 때까지 다른 전자를 받을 수 없는 상태이다. 두 번째 단계인 J-I 구간은 QA의 전자가 QB 등을 환원시키는 단계에 해당되며, 마지막 I-P 단계는 광합성 전자전달 사슬의 하류 구성요소인 광계I 수용체 측 전자전달체의 환원을 반영한다(Kalaji et al., 2016). 광계II의 안테나 색소에 의해 흡수된 빛에너지(ABS)는 반응중심을 들뜬 상태로 만들어 QA를 환원시키는데(TRo), 포획되지 못하고 방출되는 에너지(DIo)가 발생하며, QA에 흡수된 전자는 전자전달(ETo)을 거쳐 광계I에 도달한다. 이 과정에서 반응 중심 당 에너지 흐름을 나타내는 OJIP 파라미터는 ABS/RC(absorption flux per reaction center), TRo/RC (trapped energy flux per reaction center), ETo/RC(electron transport flux per reaction center), 그리고 DIo/RC(dissipated energy flux per reaction center) 등 이다(Strasser et al., 2000; Janeeshma et al., 2022).
이탈리안 라이그라스의 내염성에 대한 연구는 염 스트레스 하에서 종자의 발아와 생장, 간척지에서의 수량성과 채종 재배기술 등의 결과가 보고된 바 있으나(Feng et al., 2021; Lee et al., 2014; Lee, 2013; Kang et al., 2020), 염 스트레스 하에서 국내 육성 품종들의 비교 시험이나 해안가에 인접한 농경지로의 바닷물 역류와 같은 급격한 염농도 변화에서 재배식물의 스트레스 반응에 대한 연구는 보고된 바 없다. 따라서 본 연구는 다양한 염농도 조건과 급격히 염농도가 변화되는 스트레스 환경에서 이탈리안 라이그라스 7품종의 생장 특성 및 엽록소 형광 반응을 검토하여, 이탈리안 라이그라스 품종의 염해지 재배적성과 내염성 평가에 기초자료로 활용하고자 실시하였다.
재료 및 방법
실험 재료
본 실험에 사용한 이탈리안 라이그라스(IRG) 품종은 극조생종인 그린콜, 그린팜, 그린팜3호, 조생종인 코윈어리, 중생종인 IR 603, IR 605, 만생종인 IR 901로 농촌진흥청 국립축산과학원으로부터 분양받아 사용하였다.
육묘 및 수경재배
식물체 재배는 상토(상토 1호, 부농)에 파종하여 광/암 10/14시간 조건, 20°C 온도로 plant growth chamber (DS-52G4PC, Dasol Scientific Co., Korea)에서 14일간 육묘한 후 이식구가 14개인 15 L 순환식 수경재배기(45 cm × 30.5 cm × 21 cm)에 이식하였다.
수경은 1개의 순환식 수경재배기에 7품종을 2개체씩 이식하여 3 반복으로 실험하였고, 시험구는 확률화블럭설계로 배치하였다. 배양액은 1/2 Hoagland solution (Table 1)을 사용하였으며(Hoagland & Arnon, 1950; Garland, 1992), pH 버퍼(Citric acid)를 사용하여 pH 6.6 ± 0.3이 되도록 보정하였고 1주일 간격으로 교체하였다.
Table 1.
Composition of 1/2 Hoagland solution.
염 스트레스 처리
염농도에 따른 식물체의 생장 특성 검정을 위하여 수경재배 배양액의 염농도를 NaCl을 이용하여 0.0%, 0.1%, 0.3%, 0.6%, 1.0%의 5개 농도로 처리하였다.
IRG 생장 과정에서 염농도 변화 처리는 plant growth chamber (DS-52G4PC, Dasol Scientific Co., Korea)에서 수행하였다. 염농도 상승 처리구는 21일간 염농도 0.0%에서 수경재배 한 후 염농도를 1.0%로 상승시켜 7일간 재배하였다.
염농도 하강 처리구는 14일간 염농도 0.0%, 7일간 염농도 1.0%에서 수경재배 한 후 다시 염농도를 0.0%로 하강시켜 7일간 재배하였다. 대조구는 염농도 0.0%, 1.0%에서 재배하였다.
식물체의 생장 특성 조사
염농도에 따른 식물체의 생장 특성은 전북대학교 실험 농장 온실에서 28일 동안 수경 재배한 후 조사하였다. 조사 항목은 품종과 염농도별 초장, 근장, 엽수, 분얼, 생체중, 건물중, 엽록소 함량(SPAD-502plus), 전해질 용출량 그리고 상대 수분 함량 등이다. 실험 기간 동안 온실의 평균 온도는 15.5°C, 평균 이슬점은 11.5°C, 평균 상대습도는 80.0%이었다.
전해질 용출량은 완전 전개한 상위 2엽의 기부로부터 5 cm 위치에서 1 cm 절단한 잎 절편을 15ml의 증류수에 넣어 상온에서 24시간 지난 후 초기 전기 전도도(C1)를 측정하고, 90°C 온수조에서 1시간 30분 동안 처리 후, 상온에서 용액의 온도를 안정화하여 최종 전기전도도(C2)를 측정하였다. 전해질 용출량은 다음 식 (1)으로 계산하였다(Blum & Ebercon, 1981).
상대 수분함량(Relative water content, RWC)은 잎을 절취한 후 생체중(Fresh Weight, FW)을 측정하고, 25°C에서 암 상태로 증류수에 4시간 수분을 흡수시켜 포화중량(Turgid Weight, TW)을 측정한 후, 80°C에서 24시간 건조 후 건물중(Dry Weight, DW)을 측정하여 다음 식 (2)으로 계산하였다(Suriya-arunroj et al., 2004).
엽록소 형광 측정
완전 전개한 상위 2엽의 기부로부터 5 cm 위치에 암클립으로 20분간 광을 차단하여 암 적응시킨 후, 엽록소 형광측정기(OS-30P, Opti-Sciences, USA)로 광을 조사하여 OJIP형광 곡선을 구하였다. OJIP 형광 곡선에서 최소형광(O-단계), 0.3 ms (K-단계), 2 ms (J-단계), 30 ms (I-단계), 최대형광(P-단계)값을 통해 엽록소 형광 파라미터(ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC, DIo/RC, ΦPO, ΨEO, ΦEO, PIABS)를 구하였으며, 각 파라미터의 계산식과 의미는 Table 2와 같다.
Table 2.
Chlorophyll fluorescence parameters used in the OJIP (origin-peak)-test analysis (Stirbet, 2011; Zhang et al., 2021; Singh et al., 2022).
통계분석
통계분석은 SAS (ver. 9.4)를 사용하여, t-test와 Duncan’s multiple range test (α=0.05)로 처리 평균 간 유의성을 검정하였고, 조사 항목 간의 상관분석(correlation)을 수행하였다.
결과 및 고찰
염 스트레스가 이탈리안 라이그라스의 생장과 엽록소 형광 반응에 미치는 영향
이탈리안 라이그라스 7품종을 염농도 0.0%, 0.1%, 0.3%, 0.6%, 1.0%에서 수경 재배하였을 때 생장량을 측정한 결과는 Fig. 1과 같다. 초장, 근장, 엽수, 분얼 등의 식물체의 생장량은 모든 품종에서 대체적으로 염농도 0.1~0.3%의 범위에서는 대조구와 유의한 차이가 없었고, 0.6~1.0%의 염농도에서는 대조구보다 유의하게 생장량이 감소하였으며, 염농도가 높을수록 생장량의 감소는 더 컸다.
Fig. 1.
Growth Metrics of Italian Ryegrass under different NaCl concentrations include Plant height (A), Root height (B), Leaf number (C), Tiller number (D), SPAD (E), Fresh weight (F), and Dry weight (G). The same lower-case letters on the bar graphs in the variety categories are not significantly different by DMRT at α = 0.05. The error bars in the bar graph represent SD.
염농도에 따른 엽록소 함량(SPAD) 변화를 품종별로 보면, 코윈어리, 그린콜, 그린팜, 그린팜 3호, IR 605 등 5품종은 0.0~0.3%의 염농도 범위에서 염농도가 증가할수록 엽록소 함량도 점차 증가하여 염농도 0.3%에서 엽록소 함량이 가장 많았고, 염농도가 0.6%에서는 대조구와 비슷하였으며, 염농도 1.0%에서는 대조구보다 유의하게 낮은 엽록소 함량을 보였다. IR 603품종의 경우에는 0.1%에서 엽록소 함량이 가장 높았고, IR 901품종은 0.3~0.6%의 염농도 범위에서 엽록소 함량이 가장 높게 나타났다. Heidari et al. (2014)는 해바라기에서 NaCl 200 mM 범위에서 염농도가 증가하여도 엽록소 함량이 증가하며, 이를 스트레스 지표로서 활용 가능성을 제시하였다(Shah et al., 2017; Pak et al., 2009). 벼, 보리, 콩, 옥수수, IRG 등의 염해 정도를 조사한 결과, IRG는 비교적 내염성이 강한 화본과 작물인 보리와 유사한 염해 정도를 보였다(Shim et al., 1998). 본 실험 결과에서도 0.3% 이하의 낮은 염농도에서 대체로 생육이 양호하여, 엽록소 함량이 증가하였을 것으로 판단된다.
염농도에 따른 식물체의 생장량을 건물중으로 보면, 코윈어리, 그린콜, 그린팜, IR 605는 0.1~0.3%의 염농도에서 대조구와 유의한 차이가 없었고 0.6% 이상의 염농도에서 건물중이 급격히 감소하였다. 그린팜 3호, IR 603, 그리고 IR 901품종은 염농도 0.1%에서의 건물중이 대조구보다 증가하였고, 0.6% 이상의 염농도에서는 다른 품종과 마찬가지로 건물중이 급격히 낮아졌다.
이탈리안 라이그라스 7품종의 염농도별 생장량 측정 결과를 요약하면, 대부분의 품종이 염농도 0.1~0.3%의 범위에서는 대조구(0.0%)와 생육량 차이가 없거나 증가하였으며, 0.6% 이상에는 생장량이 크게 감소하였다. 0.6~1.0%의 높은 염농도에서 대조구에 비하여 생장량의 감소율이 적은 품종은 코윈어리, IR 605, IR 901이었다. 한편, IR 603은 동일한 염농도에서 다른 품종들에 비하여 절대적인 생장량이 가장 많았다.
염농도 0.0%, 0.1%, 0.3%, 0.6%, 1.0%에서 수경 재배한 이탈리안 라이그라스 7품종의 엽록소 형광 파라미터들은 Fig. 2와 같다. 그린팜 3호 품종을 제외한 6품종의 ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC, DIo/RC는 0.0~0.6% 염농도에서 유의한 차이가 없었고, 염농도 1.0%에서 크게 증가하는 경향을 보였다. 그린팜 3호 품종은 대조구와 염 처리구간 유의한 차이가 없었다.
최대양자수율을 나타내는 파라미터인 ΦPO (FV/FM)는 그린팜 3호 품종의 염농도 0.6%에서 대조구 대비 감소하였으나 그 외 품종에서는 염농도별 차이가 나타나지 않았다. QA-이후 전자전달 확률을 나타내는 ΨEO (ETo/TRo)는 그린콜의 0.6%, 그린팜의 0.1~0.3%와 1% 염농도에서 대조구 대비 유의하게 증가하였지만, 그 외 품종들은 염 처리 간의 차이가 없었다. 전자전달 과정의 양자수율을 나타내는 ΦEO(ETo/ABS)를 보면, 그린콜의 0.6%, 그린팜의 0.1~0.3%와 1% 염농도에서 대조구 대비 유의하게 증가하였고, 그린팜 3호의 0.6% 염농도에서 대조구 대비 유의하게 감소하였지만, 그 외 품종들은 염 처리 간의 차이가 없었다.
PIABS는 빛 에너지의 흡수로부터 전자전달 과정에서의 에너지 보존 효율(Performance index on absorption basis)로, 코윈어리, 그린콜, 그린팜, IR 603품종은 0.1~0.3%의 염농도에서 대조구보다 높았고, 그린팜 3호, IR 605, IR 901품종은 염농도가 높을수록 대조구보다 작아지는 경향을 보였다.
스트레스 조건에서 엽록소 형광 파라미터들의 변화에 대한 기존의 연구에서도 반응 중심 당 에너지의 흐름을 나타내는 지표(ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC, DIo/RC)가 급격하게 증가하였고, 성능지수(PIABS)는 감소하는 경향을 보였다(Mehta et al., 2010; Mathur et al., 2011; Singh et al., 2015). 반응 중심 당 에너지의 흐름을 나타내는 지표들의 증가는 활성형 반응중심(RC)에 각각의 에너지 흐름이 증가하였거나, 스트레스로 인한 활성형 반응중심 또는 QA-환원 센터의 감소가 원인이 될 수 있다(Yusuf et al., 2010; Galić et al., 2020; Gomes et al., 2012). 본 실험 결과에서도 비교적 높은 염농도에서 유사한 경향이었으며, 활성형 반응중심의 비율 및 밀도를 반영하는 파라미터들의 변화로 보아 스트레스로 인한 활성형 반응중심의 감소로 인한 것으로 보인다. 이러한 결과는 전자전달 과정에서 플라스토퀴논 풀의 환원율 감소, 엽록소 단백질의 파괴, 광계II의 반응중심 감소, OEC (Oxygen-Evolving Complex) 활력 저하 등이 원인이 될 수 있다(Guha et al., 2013; Oukarroum et al., 2018; Gupta, 2019).
염농도별 이탈리안 라이그라스의 생장 특성과 엽록소 형광 파라미터들의 상관분석 결과는 Table 3과 같다. ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC, DIo/RC는 초장, 근장, 엽수, 분얼, 엽록소 함량, 생체중, 건물중 등과 유의한 음의 상관을 보였고, PIABS와 ΦPO는 엽록소 함량과 유의한 양의 상관을 보였다.
Bano et al. (2021)은 내성 품종은 안테나의 크기와 흡수하는 에너지를 조절하지만, 스트레스에 민감한 품종은 그렇지 못하여 광계II의 반응 중심에서 과도한 에너지로 인해 자극을 받아 활성 반응 중심이 손상된다고 하였다. 따라서, 본 시험에서도 염 스트레스로 인해 광계가 손상을 받았고, 활성형 반응중심의 변화가 비교적 스트레스에 빠르게 반응하여 이를 반영하는 파라미터들이 생장 특성과 유의한 상관을 보였을 것으로 생각된다.
Table 3.
Correlation coefficients between growth characteristics and chlorophyll fluorescence parameters.
염농도의 급격한 변화가 이탈리안 라이그라스의 생장과 엽록소 형광 반응에 미치는 영향
염농도의 급격한 상승의 영향
이탈리안 라이스그라스 유묘를 염농도 NaCl 0.0%의 농도에서 21일간 수경재배 후 1.0%로 급격히 상승시켜 7일 후의 식물체의 생장 반응을 조사한 결과는 Fig. 3과 같다. 초장, 근장, 엽수는 대조구와 비교하여 처리구에서 감소하였는데, 초장은 IR 605와 그린팜 품종이 감소가 컸으며, 코윈어리와 그린콜은 비교적 감소가 적었다. 근장은 코윈어리, IR 603, 그린콜 순으로 감소가 컸으며, 그린팜, 그린팜 3호, IR 605, IR 901품종은 대조구와 유의한 차이가 없었다. 엽수는 7품종 모두 유의하게 감소하였으며, 품종 간의 변이도 크지 않았다. 엽록소 함량은 IR 603, IR 605, 그린콜 품종의 감소가 컸으며, 나머지 4품종은 대조구와 유의한 차이가 없었다.
Fig. 3.
Plant height (A), Root height (B), Leaf number (C), SPAD (D), Leakage of electrolytes (E), Relative water content (F), Fresh weight (G), and Dry weight (H) of Italian ryegrass in the treatment of drastically salt concentration increase (0.0% to 1.0%). ns = non-significant, *=significant at p<0.05, **=significant at p<0.01, ***=significant at p<0.001 by t-test. Error bars in the bar graph represent SD.
전해질 용출량을 통해 환경 스트레스 조건에서 식물의 세포막의 손상 정도를 확인해 볼 수 있다(Sudhakar et al., 2001; Farooq & Azam, 2006). 또한, 염 스트레스에서는 삼투 전위가 변화하여 식물체의 수분 흡수가 감소하게 되는데, 잎의 상대 수분 함량은 수분 포텐셜보다 수분 상태를 더 잘 나타내며, 염분 스트레스 내성을 확인하기 위한 지표로 활용되고 있다(Sinclair & Ludlow, 1985; Suriya-arunroj et al., 2004). 전해질 용출량은 대조구와 비교하여 염농도 1.0% 상승 처리구에서 7품종 모두 유의하게 증가하였으며, 코윈어리와 그린콜 품종이 비교적 많이 증가하였다. 상대 수분 함량은 대조구와 비교하여 염농도 1.0%로 상승시킨 처리구에서 7품종 모두 감소하였으나, 그린콜과 그린팜 3호 품종은 유의한 차이를 보이지 않았다.
생체중은 그린콜 품종이 대조구에 비하여 74% 감소하였고, IR 603이 71%, IR 605가 68%, 코윈어리가 66%, IR 901이 57%, 그린팜 3호가 56%, 그린팜이 54% 감소하였다. 건물중은 그린콜이 67%, IR 603이 65%, IR 605가 63%, 코윈어리가 62%, 그린팜이 52%, IR 901이 50%, 그린팜 3호가 49% 감소하였다.
염농도를 1.0%로 상승시킨 처리 실험의 결과를 요약하면, 그린팜 3호와 IR 901품종이 대조구에 비하여 생장량의 감소가 적었고, 그린콜, IR 603품종은 감소량이 많았다. 그러나 염농도 상승 조건에서 절대적인 생장량을 보면, IR 603, 코윈어리, IR 901, 그린팜 3호 품종이 많았고, 그린팜, 그린콜, IR 605품종의 생장량이 적었다.
염농도 0.0%의 대조구 대비 염농도를 급격히 상승시킨 처리(0.0% to 1.0%)구의 엽록소 형광 파라미터의 상대 비율은 Fig. 4와 Fig. 5와 같다. 파라미터 상대 비율의 초기 시간별 변화는 생장량이 우수하였던 코윈어리, IR 603, IR 901품종에서 ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC, DIo/RC의 상대 비율이 염농도 상승 3시간 후에 감소하였다가 점차 증가하거나 다시 감소하였으며, 성능지수인 PIABS의 상대 비율은 염농도 상승 3시간 후 증가하였다 시간이 지날수록 점차 감소하였다. 비교적 생장량이 적었던 그린콜, 그린팜, IR 605품종은 염농도 상승 3시간 후에 ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC, DIo/RC의 상대 비율이 증가하였다가 점차 감소하였으며, 성능지수인 PIABS의 상대 비율은 약간 감소하였다 다시 증가하여 이전 품종들과 반대의 양상을 보였다. 엽록소 형광 파라미터 상대 비율의 일별 변화에서는 7품종 모두 ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC의 상대 비율이 약간 감소하였다 염농도 상승 7일 후 증가하였다. 코윈어리, IR 603, IR 901 품종의 DIo/RC의 상대 비율은 염농도 상승 3일 후 약간 증가하였다가 7일 후 다시 감소하거나 유지하였고, PIABS의 상대 비율은 염농도 상승 3일 후 감소하였지만 7일 후까지 점차 증가하였다. 그린콜, 그린팜, IR 605품종의 DIo/RC의 상대 비율은 염 처리 3일 후 감소하였다가 점차 증가하였고, PIABS의 상대 비율은 염 처리 3일 후 증가하였다가 5일 후까지 점차 감소하였으나 IR 605품종의 경우 염 처리 7일 후까지도 계속해서 감소하였다. 예외적으로 그린팜 3호 품종의 경우 염 처리 후 7시간까지는 비교적 생육량이 적었던 품종의 양상을 보였으나, 염 처리 1일 후부터는 비교적 생육량이 우수했던 품종의 엽록소 형광 파라미터 상대 비율의 경향과 유사하였다. 또한, 양자수율을 의미하는 ΦPO, ΨEO, ΦEO 파라미터들은 7품종 모두 측정기간 동안 염농도 0% 대조구와 큰 차이를 보이지 않았다.
광합성 연구에서 Fv/Fm (ΦPO) 파라미터를 스트레스 지표로 많이 사용하지만, 흡수된 빛 에너지가 수용체들을 환원시키는 과정에서 에너지 보존 효율을 의미하는 PIABS가 환경 스트레스에 더 민감하게 반응하는 지표로 보고되며(Stirbet, 2011; Boureima et al., 2012), 본 실험 결과에서도 동일한 결과를 나타내었다. 일반적으로 PIABS는 스트레스 조건에서 감소하는 것으로 알려져 있으나, 스트레스 초기에는 상승하였다가 염 스트레스가 지속됨에 따라 크게 감소하였다는 보고도 있다(Yoo et al., 2013; Lee et al., 2022; Gul et al., 2023). 이는 식물이 스트레스 초기 단계에서 보상 효과를 통해 생리적 균형을 유지하고 회복하려는 시도로 보인다(Luo et al., 2021).
급격한 염농도 상승 처리에서 건물중과 엽록소 형광 파라미터의 상대 비율 간 상관분석 결과, 염농도 상승 1시간 후, 3시간 후, 1일 후, 7일 후의 일부 파라미터 상대 비율이 유의한 상관을 보였다(Table 4). 염농도 상승 1시간 후 ABS/RC (R=0.924), TRo/RC (R=0.913), ETo/RC (R=0.851)와 염농도 상승 3시간 후 PIABS (R=0.813)에서 건물중과 유의한 양의 상관을 보였으며, 염농도 상승 3시간 후 DIo/RC (R=-0.795)에서 건물중과 유의한 음의 상관을 보였다. 염농도 처리 후 일별 변화에서는 염농도 상승 1일 후 DIo/RC (R=-0.761)에서 건물중과 유의한 음의 상관을 보였으며, 염농도 상승 7일 후 ΦEO (R=0.851), PIABS (R=0.861)가 건물중과 유의한 양의 상관을 보였다.
Table 4.
Correlation coefficients between dry weight and relative ratio of chlorophyll fluorescence parameters.
염농도의 급격한 하강의 영향
이탈리안 라이그라스 유묘를 0.0%의 염농도에서 14일, 1.0%의 염농도에서 7일간 재배하고 염농도를 0.0%로 급격히 하강시킨 후 7일간을 더 재배한 처리구의 품종별 생장 결과는 Fig. 6과 같다. 초장과 근장은 염농도 1.0%인 대조구와 비교하여 염농도 0.0%로 하강시킨 처리구에서 7품종 모두 증가하였으나, 코윈어리, IR 605, IR 901품종의 초장과 7품종의 근장은 유의한 차이를 보이지 않았으며, 엽수는 7품종 모두 유의하게 증가하였다. 엽록소 함량은 7품종 모두 대조구와 비교하여 염농도 0.0% 하강 처리구에서 증가하였으나, IR 605와 IR 901품종은 대조구와 유의한 차이를 보이지 않았다. 전해질 용출량은 7품종 모두 대조구와 비교하여 염농도 0.0% 하강 처리구에서 감소하였으나, 그린콜과 IR 605품종은 대조구와 유의한 차이를 보이지 않았다. 상대 수분함량에서 코윈어리와 그린팜 3호 품종은 대조구와 비교하여 염농도 0.0% 하강 처리구에서 유의미하게 증가하였으나, 나머지 5품종에서는 유의한 차이를 보이지 않았다.
Fig. 6.
Plant height (A), Root height (B), Leaf number (C), SPAD (D), Leakage of electrolytes (E), Relative water content (F), Fresh weight (G), and Dry weight (H) of Italian ryegrass in the treatment of drastically salt concentration decrease(1.0% to 0.0%). ns = non-significant, *=significant at p<0.05, **=significant at p<0.01, ***=significant at p<0.001 by t-test. Error bars in the bar graph represent SD.
염농도 0.0%로 하강시킨 처리구의 생체중은 대조구와 비교하여 IR 901이 59%, 그린팜이 56%, 코윈어리가 44%, 그린팜 3호가 39%, IR 603이 38%, 그린콜이 35%, IR 605가 16% 증가하였으나 그린콜, IR 603, IR 605는 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다. 염농도 0.0%로 변화시킨 처리구의 건물중은 대조구와 비교하여 그린팜이 51%, IR 901이 49%, 코윈어리가 36%, 그린팜 3호가 35%, 그린콜이 33%, IR 603이 27%, IR 605가 1% 증가하였으나, 그린콜, 그린팜 3호, IR 603, IR 605 품종은 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다.
염농도를 0.0%로 하강시킨 처리 실험의 결과를 요약하면, 그린팜, IR 901, 코윈어리 품종이 대조구에 비하여 생장량의 증가가 컸고, IR 605품종은 생장량의 증가가 비교적 적었다. 그러나 염농도 하강 조건에서 절대적인 생장량을 보면 IR 603, 코윈어리, IR 901, 그린팜 3호 품종이 많았고, 그린콜, 그린팜, IR 605품종의 생장량이 적었다.
염농도 1.0%의 대조구 대비 염농도를 급격히 하강시킨 처리(1.0% to 0.0%)구의 엽록소 형광 파라미터의 상대 비율은 Fig. 7과 Fig 8과 같다. 파라미터 상대 비율의 초기 시간별 변화에서는 ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC, DIo/RC의 상대 비율이 염농도 하강 처리 3시간이나 5시간 후까지 증가하였다가, 7시간 후에 다시 감소하였으며, PIABS의 상대 비율은 염농도 하강 1시간 후에 일시적으로 증가하였다가 3시간 후에 다시 감소하였다. 하지만 염농도 0.0%로 변화시킨 처리구에서 회복이 좋지 않았던 IR 605품종은 염농도 하강 1시간 후 PIABS의 상대비율이 크게 높아지지 않았다. 파라미터 상대 비율의 일별 변화에서는 ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC의 상대 비율이 비교적 시간에 따른 변화 없이 유사하거나 약간 감소하였으며, DIo/RC의 상대 비율은 약간 증가하였다. PIABS의 상대 비율은 일수가 지남에 따라 약간 감소하다가 7일 후 다시 증가하는 경향이었으나 감소가 좋지 못했던 IR 605는 염농도 0.0% 변화 7일 후에도 증가하지 않고 계속 감소하였다. 옥수수 내건성 평가에서도 스트레스 감소 기간 후 대부분 품종의 PIABS가 증가하였지만, 가뭄 스트레스 시 고사율이 높았던 P0023 품종은 PIABS가 계속해서 감소하였다(Chiango et al., 2021). 또한 양자수율을 의미하는 ΦPO, ΨEO, ΦEO 파라미터들은 7품종 모두 측정기간 동안 염농도 0.0% 대조구와 뚜렷한 차이를 보이지 않았다.
급격한 염농도 하강 처리에서 건물중과 엽록소 형광 파라미터의 상대 비율 간 상관분석 결과, 염농도 하강 1시간 후, 5시간 후의 일부 파라미터 상대 비율이 유의한 상관을 보였다(Table 5). 염농도 하강 1시간 후 PIABS (R=0.888)와 염농도 하강 5시간 후 ABS/RC (R=0.790), ETo/RC (R=0.792), DIo/RC (R=0.874)에서 건물중과 유의한 양의 상관을 보였다.
적 요
본 연구는 염 스트레스 조건에서 이탈리안 라이그라스(IRG)의 엽록소 형광 반응을 검토하여 품종 간의 내염성을 평가하였다. 시험에 사용한 IRG 품종은 코윈어리, 그린콜, 그린팜, 그린팜 3호, IR 603, IR 605, IR 901등 7품종이다. 염농도에 따른 초기 생장은 온실에서 수경재배로 조사하였고, 염농도 변화 처리 시의 생육 및 엽록소 형광 시험은 생장상에서 수경재배로 조사하였다.
1.염농도에 따른 품종별 초기 생장을 보면, 0.1%~0.3% 염농도 범위에서 코원어리, 그린콜, 그린팜, IR 605는 대조구와 유의한 차이가 없었으나, 그린팜 3호, IR 603, IR 901은 염농도 0.1%에서 오히려 대조구보다 생장량이 유의하게 증가하였다. 0.6% 이상의 염농도에서는 모든 품종의 생장량이 감소하였는데, 코윈어리, IR 605, IR 901품종은 대조구에 비해 상대적인 감소 비율이 적었으며, IR 603의 감소 비율은 비교적 컸으나 절대적인 수량이 가장 많았다. 염농도에 따른 7품종의 엽록소 형광 측정 결과, 대부분의 품종이 0.1~0.3% 염농도의 OJIP 곡선에서 대조구와 유사하지만 염농도 0.6% 이상에서는 엽록소 형광량이 감소하였다. 엽록소 형광 파라미터 상대 비율 중 ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC, DIo/RC 값은 식물체의 생장량과 유의하게 음의 상관관계를 보였다.
2.염농도의 급격한 변화가 IRG에 미치는 영향을 검토한 결과, 염농도를 급격히 상승시킨 처리에서는 생장량, SPAD, 상대 수분 함량이 감소하고 전해질 용출량이 증가하였는데, 품종별로는 그린팜 3호와 IR 901품종의 변화가 비교적 적었다. 엽록소 형광 파라미터 상대 비율 중 염농도 상승 1시간 후의 ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC, 염농도 상승 3시간 후와 7일 후의 PIABS는 식물체의 생장량과 유의한 양의 상관을 보였으며, 염농도 상승 3시간 후와 1일 후의 DIo/RC는 음의 상관을 보였다.
3.염농도를 급격히 하강시킨 처리에서는 식물체의 생장량, SPAD, 상대 수분 함량이 증가하였고, 전해질 용출량이 감소하였는데, 품종별로는 그린팜, IR 901, 코윈어리 품종의 변화가 비교적 많았다. 엽록소 형광 파라미터 상대 비율 중 염농도 하강 1시간 후의 PIABS, 5시간 후의 ABS/RC, ETo/RC, DIo/RC는 식물체의 생장량과 유의한 양의 상관을 보였다.
4.이상의 결과를 종합해 보면, 염 스트레스와 염농도 변화 환경에서 IRG 7품종 중 코윈어리와 IR901 품종은 상대적 생장량이 우수하였다. 또한, IR603 품종은 염 스트레스 환경에서 생장량의 감소는 많지만, 다른 품종보다 절대적인 생장량이 많았다. 엽록소 형광 매개변수는 품종과 스트레스 환경에 따라 다르게 나타났으며, 이는 염 스트레스로 인한 반응중심의 활성 변화 때문일 것으로 보인다. 특히 염 스트레스를 판단하기 위한 생장 지표로, 반응중심 당 에너지의 흐름과 에너지 보존 효율을 의미하는 엽록소 형광 매개변수들이 효과적으로 이용될 것으로 판단된다.
