서 론
재료 및 방법
시험 재료 및 질소 시비 처리
생육 특성 조사
광합성 형질 조사
기공 특성 분석
통계 분석
결과 및 고찰
벼 생육 특성 변화
광합성 형질 조사
기공 관련 형질 조사
벼의 잎-기공 형질 특성 간의 상관관계 분석
잎-기공 형질이 광합성율에 미치는 영향
적 요
서 론
벼는 세계 3대의 식량작물이며 벼의 생산성과 품질은 주로 토양으로부터의 질소 공급에 영향을 받는다(Van Keulen, 1977). 질소는 식물의 생장과 발달에 필수적인 원소이며, 광합성이 일어나는 엽록소의 구성요소이기도 하다(Park et al., 2009). 일반적으로 토양 내 질소가 부족하면 엽록체의 단백질이 분해되어 잎의 황백화 현상이 나타나 생육이 빈약해지고 결과적으로 품질 저하와 수량 감소가 나타나게 된다(Hong et al., 1993; Song et al., 2006).
우리나라는 현대 식문화의 변화로 1인당 쌀 소비량이 줄어들게 되면서 쌀 수급 불균형으로 인해 공급과잉이 우려되는 실정이다(KOSIS, 2024). 또한, 필요 이상의 질소 시비로 인한 벼의 도복 및 품질이 저조한 생육 상태는 물론 온실가스 배출량 급증, 아산화질소 배출, 비료 유실 등 농업 환경에도 부정적인 영향을 줄 수 있다(Kanter, 2018). 그러므로, 질소 감비 조건에서 고품질의 쌀을 생산하고 일정량의 수량성을 확보할 수 있는 비료 절감형 육종 및 재배법이 요구된다.
최근에는 낮은 질소 비료 조건에서 고품질 및 높은 수확량을 달성하기 위해 벼의 생육이나 품질 특성을 확인하고, 재배 안정적인 품종을 개발하는 등 다양한 감비 재배의 연구가 보고되고 있다(Choi et al., 2022; Park et al., 2023). 벼의 생육과 발달은 여러 환경 요인에 의해 영향을 받는다. 그 중, 광은 크게 식물의 광합성과 형태 발생에 관여하는 주요 요소로서 벼의 수량에 중요한 요인으로 작용한다(Lee et al., 2014). 특히 생리적 측면에서의 광합성 대사는 매우 복잡하기 때문에 하나의 특정한 형질을 대상으로 한 분석에는 어려움이 있을 수 있다. 일반적으로 광합성의 능력은 기공전도도와 잎의 특성을 매개변수로 하여 사용되지만, 잎 표피에 존재하는 기공의 특징에서도 다양성이 존재할 것으로 예상된다. 기공의 특징은 주로 품종 간 기공의 밀도, 크기, 개폐 매커니즘 등이 있으며 대체적으로 작물의 광합성 또는 스트레스와 연관될 수 있다(Ishihara et al., 1972; Cornic et al., 2000). 벼의 경우, 이배체 쌀은 사배체 쌀보다 광합성 유도 반응률이 훨씬 더 빨랐으며, 기공 개방이 광 유도 중 두 품종 사이의 광합성 차이를 유발하는 주요 제한 요인임을 보고하였다(Xiong et al., 2022). 또한, 가뭄에 강한 품종과 가뭄에 취약한 IR64 품종은 더 긴 지엽(Flag leaf)과 더 낮은 기공 밀도에서 차이가 확인되었으며, 이들은 캐노피 온도 처리와 같은 서로 다른 환경 변수에 의해 조절되는 것으로 확인되었다(Kumar et al., 2021).
따라서 본 연구에서는 4개의 우리나라 최고 품질 벼 품종을 이용하여 질소 표준 시비량(9 kg/10a) 대비 감소된 2수준(0, 7 kg/10a)에 따른 잎과 기공 관련 형질의 특성을 측정하고, 이들의 광합성 특성과의 상관관계를 분석하여 기술하였다.
재료 및 방법
시험 재료 및 질소 시비 처리
본 연구는 국립식량과학원 중부작물부 인공기상실의 유리온실에서 수행하였다. 시험 품종은 우리나라 최고 품질의 벼 품종인 해담(조생종), 대보(중생종), 진수미와 현품(중만생종)을 이용하였다. 각 품종은 종자 소독 후 최아된 종자를 처리 당일 포트 육묘상자에 구당 1립씩 파종하고 2주간 유지한 후 품종 당 3반복으로, 포트 당 1주 2본씩 이앙하였다. 모든 시험구는 1/5000a 포트에 재배하였으며, 가로 100 cm × 세로 82.5 cm × 높이 30 cm의 철제 수조에 3반복으로 배치하였다. 포트 당 요소비료를 사용하여 질소 시비량 3수준(0, 7, 9 kg/10a)으로 처리하였으며, 인산과 칼리는 용성인비와 염화가리를 사용하여 표준 시비량에 따라 각각 0.45 g와 0.13 g으로 동일하게 처리하였다. 모든 품종은 온실의 28℃ 조건에서 검정하였다.
생육 특성 조사
질소 수준에 따른 각 처리 별 생육 특성을 비교하기 위해 시험구별로 각 3개체씩 3반복으로 측정하였다. 생육 조사는 영양생장기에 실시하였으며, 식물 생장과 관련된 요소인 초장(Plant height, PH), 잎의 너비(Leaf width, LW) 및 길이(Leaf length, LL)를 조사하였다. 벼의 초장은 지면에서부터 가장 긴 잎 끝까지의 길이를 측정하였으며, 각 잎의 너비와 길이는 광합성 활력이 높은 상위로부터 제 3엽의 가장 넓고 긴 부위에서 계산되었다(Yoshida, 1981).
광합성 형질 조사
질소 시비 수준에 따른 벼의 광합성 능력을 알아보기 위해 광합성율과 기공전도도를 측정하였다. 벼 품종은 질소 처리 당 3개체씩 배치하였고, 광합성율은 휴대용 광합성 측정기(LI-6800, LI-COR, USA)를 이용하여 상부로부터 제 3엽을 대상으로 맑은 날 09:00-12:00에 측정하였다. 광합성 측정 장비에 포함된 챔버는 1 × 3 cm2 크기를 이용하여 측정하였고, 모든 시험 재료의 잎 너비를 고려하여 광합성율을 계산하였다. 또한, 챔버의 광 조건은 1500 μmol m-2s-1, Flow rate 700 μmol s-1 그리고 Leaf temperature 25℃, CO2 농도 400 μmol mol-1로 설정하였다. 광합성 측정 전, 광합성율이 안정화 된 이후에 광합성율(Photosynthesis rate, PR, μmol m-2 s-1), 기공전도도(Stomatal conductance, SC, μmol m-2 s-1), 세포 내 CO2 농도(CO2 concentration, CO2, μmol mol-1)과 증산율(Transpiration rate, TR, μmol mol-1)을 개체 당 3반복으로 측정하였다.
기공 특성 분석
제 3엽을 이용하여 벼 품종 별 기공 특성을 분석하였다. 제 3엽은 공간의 이질성을 피하고자 전체 잎(기부에서 끝까지)의 중간 부분과 중간 엽맥의 양쪽 중간에서 가장자리까지 측정되었다(Fanourakis et al., 2015). 기공 관찰을 위한 시험 재료는 모든 처리구에서의 동일한 조건을 위해 액체질소를 이용하여 벼의 잎을 채취하고 동결시킨 뒤, -75℃의 초저온 냉장고에 보관하여 탈수화(dehydration)하였다. 잎 표면의 기공 관찰은 Hitachi TM3000 scanning electron microscope (SEM)을 사용하여 300× 배율로 관찰 후 이미지를 캡처하여 면적에 따른 기공 수, 기공 간 거리, 기공의 너비 및 길이를 측정하였다. 각 품종은 질소 시비 수준에 따라 3개체씩 3반복으로 측정하였고, 약 0.04 mm2 잎 면적을 이용하여 기공 수(Stomata number, SN), 기공 간 거리(Stomata distance, SD, 잎의 길이를 따라 인접한 두 기공 사이의 가장자리 간 선형 거리), 기공 복합체의 너비(Stomata width, SW, 긴 치수), 기공 복합체의 길이(Stomata length, SL, 긴 치수)의 매개변수에 따라 계산되었다(Chatterjee et al., 2020).
통계 분석
통계 분석은 R-package (R Core Team, 2021)을 이용하여 품종 간 및 질소 시비 수준 간의 차이를 비교하였다. 시험 재료는 품종 및 질소 수준별 3반복으로 수행하였으며, 모든 데이터는 평균 ± 표준편차 값으로 나타내었다. 각 형질의 값을 이용하여 연관성을 확인하고자 상관분석을 수행하였고, 이후 5% 유의수준에서 이원변량분석(two-way analysis of ANOVA)를 수행한 후 Tukey’s HSD를 통해 통계적 유의성을 검정하였다(p<0.05). 이어서, 잎-기공 형질과 광합성 특성 간의 관계성을 확인하기 위해 수집한 데이터를 표준화 지수 값(Standardization index value)으로 변환한 뒤 분석을 실시하였다.
결과 및 고찰
벼 생육 특성 변화
벼 4품종을 이용하여 품종 및 질소 수준 별 생육 특성을 알아보고자 초장, 잎의 너비와 길이를 조사하였다(Table 1). 초장은 질소가 표준 시비일 때, 진수미가 91.4 ± 5.6 cm로 가장 높았으며, 해담은 82.9 ± 1.5 cm, 대보는 80.6 ± 2.0 cm, 현품은 77.8 ± 8.3 cm로 가장 낮았다. 표준 시비량 대비 질소를 7 kg/10a로 감비하였을 때, 해담의 초장은 86.4 ± 6.2 cm로 질소 9 kg/10a 대비 4.22 % 증가하였지만, 대보, 진수미, 현품은 각각 5.58 %, 5.69 %, 2.83 %로 감소하였다. 질소 시비량은 전체적으로 질소 0 kg/10a 보다 증가하는 경향을 나타냈으며, 조생종인 해담을 제외한 모든 품종이 질소 9 kg/10a에서 가장 높게 나타났다. 이러한 결과는 질소 공급이 증가할수록 초장도 증가한다는 보고와 유사하였다(Manzoor et al., 2006). 특히 초장에서는 품종 간(p< 0.01) 또는 질소 시비 수준(p<0.05) 간의 유의적인 차이가 확인되었지만, 품종 × 질소 수준에서는 유의성이 나타나지 않았다. 잎의 너비와 길이에서는 질소 표준 시비량 대비 7 kg/10a에서 대보가 평균 0.62 ± 0.18 cm, 27.6 ± 0.2 cm로 가장 낮았으나 잎의 너비에서는 현품(0.73 ± 0.15 cm)이, 잎의 길이에서는 해담(34.2 ± 1.1 cm)이 가장 높게 나타났다. 잎의 너비와 길이는 품종 및 질소 시비 수준 간의 유의적인 차이가 없었다. 초장, 잎 너비, 잎 길이 중 잎 너비에서는 가장 높은 변동 계수(13.5 %)가 확인되었다.
Table 1.
Average and standard deviation of plant height, leaf width and leaf length in four rice varieties (V) under the different nitrogen levels (N).
광합성 형질 조사
벼 품종 및 질소 수준에 따른 광합성의 변화를 파악하고자 광합성율, 기공전도도,세포 간 CO2 농도와 증산율을 조사하였다. 질소는 무처리구(0 kg/10a) 대비 시비량이 증가할수록 광합성율과 기공전도도가 증가하는 경향을 보였으나, 표준 시비(9 kg/10a)한 해담에서는 상대적으로 낮게 나타났다. 일반적으로 식물 잎의 질소 함량이 증가할수록 광합성 능력 또한 증가한다고 알려져 있다(Evans, 1989). 이는 벼 4품종의 광합성율이 질소 시비 수준 간에서 유의한 차이(p<0.05)가 나타난다는 결과와 유사하였다(Fig. 1A). 광합성율과 기공전도도는 매우 높은 상관관계가 있으며, 잎의 기공전도도가 높아지면 광합성율도 같이 증가하는 경향이 있다(Hirasawa et al., 1988). 질소 공급은 잎 구조와 잎 내 질소 함량과 연관되어 있기 때문에 광합성에 상당한 영향을 준다(Mu & Chen, 2021). 벼에서 낮은 수준의 질소는 주로 잎 면적의 성장을 억제하였으며, 질소 함량은 이산화탄소의 흡수, 증산 및 특정 잎 무게와 양의 상관관계가 있다고 보고되었다(Shieh & Liao, 1985). 모든 벼 품종의 기공전도도, 세포 내 CO2 농도, 증산율은 대체적으로 광합성율의 변화 패턴과 유사하게 나타났다(Fig. 1B, 1C, 1D). 그 중, 세포 내 CO2 농도와 증산과 관련된 기능적 특징은 잎 너비와 길이에 따른 상호작용에 의해 유의한 차이가 나타났다(Fan et al., 2007). 특히 질소의 농도가 높을 때 향상된 광합성 속도는 엽록체의 더 높은 CO2 농도에 기인하여 엽록소 크기 증가와 관련성이 높다고 확인되었다(Li et al., 2009). 또한, 잎의 두께와 증산율 사이에는 반비례 관계가 있다고 보고되었다(Giuliani et al., 2013). 그러나, 기공전도도, 세포 내 CO2와 증산율에서 벼 품종 간 또는 질소 시비 수준 간의 유의한 차이는 확인되지는 않았다.
기공 관련 형질 조사
벼 4품종의 기공 형질을 관찰하여 품종 및 질소 시비 수준 간의 변화를 확인하였다(Table 2, Fig. 2). 질소 표준 시비에서는 대보의 기공 수가 112.67 ± 36.8개로 가장 높게 나타났고, 진수미가 89.5 ± 5.0개로 낮았다. 기공 수는 질소 시비 수준이 아닌 품종 간의 유의한 차이가 나타났으며(p<0.05), 이는 질소 시비량과 같은 재배조건보다 품종의 고유 특성에 의한 결과라고 판단되었다. 그 외에도 기공 간 거리, 기공의 너비 및 길이에서는 품종 간 또는 질소 시비 수준 간의 유의한 차이가 나타나지 않았다. 총 4개의 기공 관련 형질 중 기공 길이(8.5 %)에서 변동 계수가 가장 높았으며, 다음으로 기공 간 거리(8.2 %)가 높았다. 기공은 대부분의 식물 종에서 유사한 형태를 지니고 있지만 각 품종에 따라 기공 수, 너비 등의 형태학적 특성이 다를 수 있다(Chatterjee et al., 2020). Oryza 속에서 기공 수와 크기는 매우 다양하게 나타나는데 특히 재배벼의 아종인 인디카는 자포니카에 비해 더 많은 기공을 가지고 있다고 보고된 바 있다(Maruyama & Tajima, 1990).
Table 2.
Average and standard deviation of stomata-related traits in four rice varieties (V) under the different nitrogen levels (N).
벼의 잎-기공 형질 특성 간의 상관관계 분석
총 11개의 잎-기공 특성 간 상관관계 분석을 수행하였다(Table 3). 광합성 형질(광합성율, 기공전도도, 세포 내 CO2 농도, 증산율) 간의 상관관계는 대체적으로 높게 나타났으며(p<0.001), 잎 너비와의 상관관계도 높았다(p<0.001). 세포 내 CO2 농도와 잎 너비의 상관관계는 0.980이었고, 잎 너비와 잎 길이의 상관관계는 0.591로 모두 p<0.001 수준의 유의성이 확인되었다. 특히 잎의 너비와 길이는 서로 다른 유전적 조절을 갖는 경향이 있기 때문에 두 형질 간의 낮은 상관관계가 확인되었다(Xue et al., 2008; Tian et al., 2011). 기공 형질의 효과는 광합성 향상에 적극적으로 관여하기 때문에 품종에 따른 벼 잎의 특성과 밀접한 상관관계가 있다(Kusumi et al., 2012). 기공 수는 광합성율과 잎 길이와의 상관관계에서 0.352로 비교적 높게 나타났다. 기공의 너비와 길이는 기공 수에 대해 음의 상관관계를 나타냈고, 기공 간 거리 또한 초장과 잎 길이에서 음의 상관관계가 확인되었다. 하지만, 기공 길이는 광합성과 잎 관련 형질에서 낮은 음의 상관관계를 나타냈다. 이전 연구에서도 기공 간 너비는 잎 관련 형질과 음의 관계가 있는 것으로 보고되었다(Chatterjee et al., 2020).
잎-기공 형질이 광합성율에 미치는 영향
본 연구는 11개의 잎-기공 관련 형질을 이용하여 광합성율과의 연관성을 분석하였다(Fig. 3). 광합성율은 초장(R2=0.0002)의 영향을 크게 받지 않았으며, 잎의 길이(R2=0.1228)보다 잎 너비에서 높은 상관관계(R2=0.5878)가 확인되었다. 벼의 유전자를 이용하여 잎 길이를 제한하면서 잎 너비만 조절한 경우, 이들은 광합성 능력에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Fabre et al., 2016). 총 4개의 기공 관련 형질에서는 대체로 광합성율과 낮은 상관관계가 나타났다. 그 중, 기공 길이는 음의 관계(R2=0.1282)를 형성하고 있었으나, 이는 기공의 개방 정도에 따라 광합성 속도에 영향을 미칠 것으로 판단된다(Ishihara et al., 1972). 기공 수는 광합성율과 양의 상관관계가 나타났지만, 그 영향은 낮게 확인되었다(R2=0.1243). 광합성 활성은 주로 기공전도도와 엽록소 함량과 깊은 상관관계가 있다고 알려져 있다(Xu et al., 1997; Gujjar et al., 2020). 특히 단위 면적 당 엽록소 함량은 세포 당 더 많은 수의 엽록체가 존재하거나 잎 두께가 두꺼울 경우, 엽록체 당 엽록소 함량이 많으므로 높아질 수 있다(Takai et al., 2010). 그러므로 엽록소 함량은 잎 두께에도 반영이 될 수 있으므로 잎 광합성을 증가시키는 주요 요인이 될 수 있다(Jinwen et al., 2009). 이러한 결과를 토대로 종합해보면, 잎의 너비가 증가할수록 기공전도도가 높아지면서 광합성율을 증가시킬 수 있었으나 기공 수와 너비에는 크게 영향을 받지 않았다. 따라서, 잎의 특성 중 엽록소를 포함하는 무게 또는 잎의 두께가 광합성율 증가에 크게 관여할 것으로 예상되며 추후 추가적인 조사가 필요할 것으로 판단된다.
벼에서 질소 비료의 사용은 식물의 영양 상태와 성장을 촉진시켜 생산성 향상에 도움을 주기도 하지만, 과도한 질소 공급으로 인해 환경과 세계 경제에 부정적인 문제를 초래할 수 있어 지속 가능한 농업 발전에 필수적인 요소이다(Lee, 2021). 광합성 및 질소 비료 공급과 관련된 요소는 매우 광범위하기 때문에 벼의 생육 단계, 다양한 질소 처리 수준 등 잎과 연관된 형질들에 대해 세부적으로 분석할 필요가 있다. 또한, 본 결과는 기후변화 대응 및 질소 처리 수준에 따른 벼의 잎-기공 특성에 미치는 효과를 입증할 수 있는 중요한 기초자료가 될 것으로 사료된다.

Fig. 3.
Relationship between the photosynthesis rate and ten leaf-stomata related traits. The graph represents the standardized index value of stomata conductance (A), CO2 concentration (B), transpiration rate (C), plant height (D), leaf width (E), leaf length (F), stomata number (G), stomata distance (H), stomata width (I), and stomata length (J).
Table 3.
Correlation analysis of 11 leaf-stomata traits in four rice varieties.
적 요
본 연구는 우리나라 최고 품질을 가진 벼 4품종을 이용하여 품종 및 질소 시비 수준 간에 따른 잎-기공 관련 형질과 광합성 특성 간의 상관관계를 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
1.벼 4품종의 초장은 품종 간 및 질소 시비 수준 간에서 유의적인 차이가 확인되었지만, 잎의 너비와 길이에서는 모두 유의적인 차이가 나타나지 않았다.
2.광합성율은 모든 품종에서 질소 시비 수준 간의 유의한 차이가 나타났으며, 기공전도도, 세포 내 CO2 농도 및 증산율과 유사한 변화 패턴이 나타났다.
3.기공 형질 중, 기공 수는 질소 시비 수준이 아닌 품종 간의 차이로 나타났지만, 기공 간 거리, 기공의 너비 및 길이에서는 모두 유의한 차이가 나타나지 않았다.
4.광합성율은 잎 너비와 상관관계가 가장 높았으며, 잎 길이, 기공 수와 기공 너비에서도 상관관계가 비교적 높게 나타났다. 또한, 광합성율과 밀접한 관계가 있는 기공전도도는 잎 너비와의 상관관계가 높았으나, 기공 수와는 연관성이 적었다.
종합적으로 잎 너비가 증가할수록 광합성율을 증가시킬 수 있었으나, 기공 수에 따른 효율은 비교적 낮았다. 광합성율은 잎의 기공 수가 아닌 엽록소 함량과 관계가 높을 것이며, 빛 에너지를 흡수하고 CO2의 가스 교환을 촉진시키는 과정에서 잎 두께(무게)가 광합성율을 크게 증가시킬 수 있는 주요 요인일 것이라고 판단된다.