서 론
재료 및 방법
1. 실험재료 및 육묘조건
2. 온도 처리
3. 과산화수소 처리
4. 생육특성 측정
5. 생리·생화학적 분석
6. 리그닌 함량 측정
7. 통계분석
결과 및 고찰
1. 온도조건 별 과산화수소 처리에 따른 유묘 생육
2. 생리·생화학적 분석
3. TBARS: 세포막 지질 과산화도 차이
4. 잎의 리그닌 집적 차이
서 론
기후변화로 인한 이상고온은 노지뿐 아니라 시설 재배에서도 빈번해져 재배환경 전반에 부정적 영향을 미치고 있다. 특히 육묘기는 환경 스트레스에 가장 민감한 단계로 고온은 광합성효율을 저하시키고 과도한 활성산소종(reactive oxygen species, ROS) 축적을 유발하여 유묘 품질을 저하시킨다(Ahmadi and Stevens 1979). 관행적으로는 자연 환기, 배기·순환팬, 차열망 차광, 미세살수 등을 활용하지만(Cho et al. 2009), 이상고온 심화에 따른 외기 온도 상승으로 온도 저감 효율이 크게 떨어진다. 에어컨·히트펌프 등 능동식 온도 저감 장치도 있지만 초기 비용이 높아 보급에 한계가 있다. 따라서 저비용·고효율로 작물의 내서성을 높이는 육묘 기술이 요구된다(Woo et al. 1995).
고온스트레스 시 엽록소가 흡수한 빛 에너지가 충분히 소산되지 못하면 일중항산소(1O2), 과산화수소(H2O2), 초과산화음이온(O2⁻), 수산화라디칼(·OH)등의 ROS가 과잉 생성·집적되어 단백질·DNA·지질을 손상시키고 세포막 파괴, 효소 활성 저해, 엽록소 파괴 및 황백화를 초래한다(Larson 1988; Smirnoff 1993; Apel and Hirt 2004; Scandalios 2005; Miller et al. 2010). 이를 완충하기 위해 식물은 superoxide dismutase(SOD), catalase(CAT), peroxidase(POD) 등 항산화효소와 2차 대사산물·세포벽 성분 등 비효소적 항산화 체계를 활성화하여 방어한다(Asada 2006; Gong et al. 2006; Talbi et al. 2015).
ROS는 산화적 손상의 매개체이면서 동시에 기공 개폐, 호르몬 합성, 방어 반응 유도에 관여하는 신호분자로도 기능한다(Pei et al. 2000; Huang et al. 2009). 이 중 과산화수소는 비교적 안정한 비라디칼성 ROS로, 외생 처리 시 항산화효소 활성 증대, 과도한 ROS 억제, 삼투질 축적, 리그닌 합성 촉진, 지질과산화 억제를 통해 스트레스를 완화하는 것으로 보고되었다(Woo et al. 1995; Ashraf 2009; Jubany-Mari et al. 2009; Farooq et al. 2010; Liu et al. 2010; Matilla-Vázquez and Matilla 2012). 멜론을 포함한 여러 작물에서 과산화수소 엽면살포가 고온 스트레스 내성을 향상시킨다는 보고가 있으나(Anderson et al. 1995; Dat et al. 1998; Lopez-Delgado et al. 1998; Karpinski 1999) 대부분 정식 이후 생육이 어느 정도 진행된 개체를 대상으로 한 연구에 국한되어 있어 초기 생육 단계에 대한 정보는 부족하다.
하미과(Cucumis melo var. inodorus Jacq.)는 중국 신장 위구르 기원의 멜론으로(Bi and Zhang 1991), 내서성·저장성이 우수하고 수확 소요일수가 짧아 여름철 대체 품종으로 국내에서 점차 관심이 높아지고 있다. 따라서 본 연구에서는 두 품종의 하미과 실생 유묘를 대상으로 비독성 저농도의 과산화수소수를 외생 처리하여 표현형, 항산화 활성 및 생리적 반응 변화를 정량 평가함으로써 고온기 육묘 재배 안정화와 신소득 작물로서의 활용 가능성을 동시에 탐색하고자 하였다.
재료 및 방법
1. 실험재료 및 육묘조건
실험재료로 춘추계용 ‘황제하미(Hwangjehami; HJ)’와 하계용 ‘황금하미(Hwanggeumhami; HG)’ (Kyungwon seeds, Uiryeong, Korea) 멜론을 이용하였다. 종자는 증류수에 6시간 침종한 뒤, 25℃, 상대습도 90%, 암조건에서 48시간 발아시켰다. 유근이 약 2mm 출현한 개체를 선별하여 무비상토(Baroker, Seoulbio, Eumseong, Korea)로 충진한 50공 플러그트레이에 파종하였다. 육묘는 LED 광원(R:G:B=1:1:1, 광도 150μmol·m-2·s-1) 조건에서 광주기 12/12시간(명/암), 상대습도 70%로 3주간 수행하였다. 관수는 지하수를 이용하여 5일 간격으로 저면관수하였다.
2. 온도 처리
첫 번째 본엽의 엽장이 약 3cm에 도달했을 때부터 온도 처리를 시작하였다. 온도 조건은 적온(Moderate Temperature; MT) 29℃/18℃(주/야간), 고온(High Temperature; HT) 35℃/24℃(주/야간) 설정하였으며, 두 조건 모두 DIF는 11로 고정하였다. 온도 처리는 15일간 적용하였다.
3. 과산화수소 처리
첫 번째 본엽의 엽장이 약 3cm에 도달했을 때부터 3일 간격으로 15일 동안 총 5회 처리하였다. 과산화수소(Hydrogen Peroxide; HP)는 250mM의 농도로 조제하여 MT, HT 두 조건의 두 품종의 유묘에 외재 경엽 처리하였다. 무처리구는 지하수로 처리하였다. 경엽처리는 자동분무기를 사용하여 각 처리군 별로 200mL씩 유묘 전체가 충분히 젖도록 두상관수 하였다. 처리는 생장상의 광조건이 야간으로 전환되기 30분 전에 처리하여 빠르게 증발하는 것을 방지하였다.
4. 생육특성 측정
육묘 15일 후 처리구 별 유묘의 초장, 엽면적, 엽 생체중 및 건물중을 측정하여 생육 특성을 평가하였다. 초장은 생장점부터 하배축까지의 길이를 버니어캘리퍼스(ABSOLUTE 500-196-30, Mitutoyo, Japan)로 측정하였다. 1-3번째 본엽을 채취하여 스캔한 후, ImageJ(v1.8.0, LOCI, University of Wisconsin, USA)를 이용하여 엽면적을 분석하였다. 엽중량 측정을 위해 1-3번째 본엽을 채취하여 세척 후 표면 수분을 제거하고 생체중을 측정하였다. 이후 40℃ 열풍건조기에서 72시간 건조한 후 건물중을 측정하였다.
5. 생리·생화학적 분석
5.1 총 엽록소 함량(Total chlorophyll)
총 엽록소 함량은 Arnon(1949)의 방법을 수정하여 분석하였다. 건조된 잎을 분말화 한 후, 시료 1mg을 1mL의 80% 메탄올에 침지하여 암조건에서 120rpm으로 24시간동안 교반하였다. 추출액은 0.45μm membrane filter(Futecs Co., Ltd., Daejeon, Korea)로 여과한 뒤 분광광도계(UV-3600, Shimadzu, Japan)로 645nm와 663nm에서 흡광도를 측정하였다. 총 엽록소 함량은 다음 계산식으로 계산하였다.
5.2 항산화효소 활성
항산화효소 활성 분석을 위해 각 처리구 엽을 액체질소와 함께 막자를 이용하여 분쇄하였다. 시료는 0.1g을 PBS 완충액 1mL과 혼합 후 20분간 교반하여 효소를 용출시켰다. 추출액은 4℃에서 15,000rpm으로 20분간 원심분리하여 상등액을 분석에 사용하였다. 분석은 상업용 키트(Oxitec, Oxford, UK)를 이용하여 Superoxide dismutase(BO-SOD-250), Catalase(BO-CAT-400) 활성을 측정하였다. 지질과산화 정도는 MDA(Malondealdehyde) 함량으로 평가하였으며, Thiobarbituric acid reactive substances(BO-TBR-200) 키트로 분석하였다.
5.3 항산화능 분석
DPPH(2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) 라디칼 소거능은 Williams et al.(1995)의 방법을 일부 수정하여 분석하였다. 동결건조한 잎 분말 0.1g을 80% 메탄올 100mL에 침지하여 암조건, 상온에서 120rpm으로 24시간 동안 교반 추출하였다. 0.1mM DPPH 용액을 517nm에서 흡광도가 0.65가 되도록 희석한 후, 추출액 0.05mL와 DPPH 용액 2.95mL를 혼합하여 암조건 23℃에서 30분간 반응시킨 후 517nm에서 흡광도를 측정하였다.
ABTS(2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) 라디칼 소거능은 Re et al.(1999)의 방법을 일부 수정하여 분석하였다. 2.5mM ABTS와 1mM 2,2′-Azobis(2-amidinopropane)dihydrochloride를 혼합하여 70℃에서 40분간 반응시켜 라디칼 용액을 생성하였으며, 이를 0.45μm 필터로 여과한 뒤 0.98mL를 취하고 추출액 0.02mL와 혼합하였다. 혼합물은 37℃에서 10분간 반응시킨 후 734nm에서 흡광도를 측정하였다. 최종 결과는 비타민 C 환산치(Vitamin C Equivalents; VCE)로 나타내었으며, 시료 건조중량 1g당 mg VCE로 환산하였다.
6. 리그닌 함량 측정
리그닌 함량은 Suzuki et al.(2009)의 방법을 일부 수정하여 분석하였다. 동결건조한 잎 분말 50mg에 증류수 2mL를 첨가하여 14,000rpm, 15분간 원심분리한 후 펠렛을 회수하였다. 이를 메탄올 1.8mL로 60℃에서 20분간 2회 추출하여 알코올 불용성 잔사(Alchol insoluble residue; AIR)를 획득하였다. AIR 10mg을 3M HCl 1mL와 티오글리콜산(thioglycolic acid) 0.1mL과 혼합하여 80℃에서 3시간 반응시켰다. 생성된 복합체를 세척 후 1M NaOH 1mL에 용해시켜 16시간 교반하였다. 반응액에 36% HCl 0.2mL를 넣고, 4℃에서 4시간 침전시킨 뒤 원심분리하였다. 최종 시료를 1M NaOH 1mL에 용해 후 280nm에서 흡광도를 측정하였다.
7. 통계분석
각 처리구별로 15개의 개체를 한 반복으로 완전임의배치법으로 총 3반복 수행한 데이터를 평균 및 표준오차로 나타내었다(n=45). 처리구별 통계분석은 SAS enterprise guide(Statistical Analysis System, V.9.4, Cary, NC, USA)를 이용하여 분산분석(ANOVA)을 실시하였으며, 변량간 비교는 Duncan의 다중범위 검정을 이용하였다(p ≤ 0.05).
결과 및 고찰
1. 온도조건 별 과산화수소 처리에 따른 유묘 생육
생육에 적정한 온도와 고온에서 과산화수소 처리 여부에 따른 두 품종 하미과 유묘의 생육은 Table 1과 같이 조사되었다. 온도 조건에 상관없이 HP 처리는 유묘의 초장을 감소시켰다(Table 1). ‘HJ’의 경우 MT 조건에 비해 MT+HP 처리구의 초장은 약 15.8% 감소하였고, ‘HG’의 경우 HP 처리에 의해 약 11.1%의 초장 감소율을 보였다. HT 조건에서도 HP 처리는 초장 감소에 효과를 보여 육묘기의 과산화수소 처리가 과도한 줄기 신장을 억제시킴으로써 도장묘 발생을 방지할 수 있음을 보여준다.
HT 조건은 유묘의 엽면적을 축소시켜 광합성효율을 떨어뜨리고 원활한 생육을 저해한다(Fig. 1). 고온스트레스는 적온 조건에 비해 엽면적을 75% 이상 감소시켰으며, 특히 ‘HJ’는 4.9cm2까지 감소하였다(Table 1). 그러나 HT+HP 처리 시 ‘HJ’의 엽면적은 8.5cm2로 증가하였으며, 이는 과산화수소가 고온에 의해 억제된 잎 전개를 일정 부분 회복시킬 수 있음을 시사한다.
잎의 생체중(Fresh Weight, FW)과 건물중(Dry Weight, DW) 모두 고온 처리에서 크게 감소하였다(Table 1). ‘HJ’의 경우 MT조건에서 899.6mg이던 생체중이 HT 처리 시 211.6mg으로 약 76% 감소하였다. 그러나 HT+HP 처리구에서는 생체중이 578.0mg까지 회복되어 과산화수소 처리가 고온스트레스에 의해 억제된 생장 회복에 기여했음을 확인할 수 있었다. 건물률은 생육 충실도와 품질을 나타내는 지표로 활용되며, 건물률이 높고 비엽면적이 낮을수록 고품질 묘라 할 수 있는데(Jang et al. 2014), 건물중 또한 고온스트레스 하에서 ‘HJ’는 30.3mg, ‘HG’는 24.7mg로 감소하였다. HT+HP 처리구에서는 ‘HJ’는 65.8mg, ‘HG’는 35.0 mg로 증가하여 생체중 뿐만 아니라 건물 축적 또한 개선되었음을 알 수 있다. DW/FW 비율은 조직 내 수분 함량을 반영하는 지표로, 고온스트레스에 의해 증가하였으며 이는 탈수 및 수분 손실을 의미한다. HT+HP 처리구에서는 이 비율이 감소하여, 과산화수소가 식물체의 수분 유지능력을 개선하고 탈수를 억제하는 데 기여했음을 시사한다.
Table 1
Growth parameters of Hami melons ‘Hwangjehami (HJ)’ and ‘Hwanggeumhami (HG)’ seedlings under different temperature and hydrogen peroxide treatments, measured 15 days after sowing
| Cultivarsz | Treatmentsy |
Height (cm) |
Leaf area (cm2) |
Leaf FW (mg) |
Leaf DW (mg) | DW/FW |
TCCx (mg/g DW) |
| HJ | MT | 40.4 | 23.3 | 899.6 | 89.7 | 0.10 | 4.77 |
| MT+HP | 34.0 | 24.1 | 999.2 | 94.5 | 0.09 | 5.36 | |
| t | 5.763 | 0.249 | 4.900 | 2.670 | 3.113 | 4.075 | |
| pw | **** | ns | *** | * | ** | *** | |
| HT | 24.0 | 4.9 | 211.6 | 30.3 | 0.14 | 4.13 | |
| HT+HP | 18.5 | 8.5 | 578.0 | 65.8 | 0.11 | 4.75 | |
| t | 5.952 | 8.196 | 84.970 | 22.100 | 4.640 | 4.611 | |
| p | **** | **** | **** | **** | *** | *** | |
| HG | MT | 38.0 | 25.1 | 1005.8 | 95.6 | 0.09 | 4.60 |
| MT+HP | 33.8 | 19.8 | 1007.0 | 82.0 | 0.08 | 4.58 | |
| t | 3.700 | 2.125 | 0.029 | 2.719 | 6.028 | 0.629 | |
| p | ** | * | ns | * | **** | ns | |
| HT | 15.8 | 5.0 | 204.7 | 24.7 | 0.12 | 3.75 | |
| HT+HP | 15.5 | 7.8 | 413.7 | 35.0 | 0.08 | 4.38 | |
| t | 0.740 | 5.910 | 27.900 | 7.751 | 9.258 | 10.390 | |
| p | ns | **** | **** | **** | **** | **** |
두 하미과 품종은 고온 및 과산화수소처리에 대해 상이한 생육 반응을 보였다. ‘HJ’는 고온조건에서 초장, 엽면적, 생체중 및 건물중이 크게 감소하였으나, 과산화수소 처리에 의해 생체중과 엽면적 회복 폭이 상대적으로 크게 나타났다. 특히 HT+HP 조건에서 엽면적과 생체중의 회복률이 ‘HG’보다 높아, HJ는 생육 억제 후 회복 능력이 우수한 품종으로 해석된다.
반면 ‘HG’는 고온 조건에서 생육 저해 정도는 HJ와 유사했으나, HP 처리 후 생체중 및 건물중 회복 폭이 상대적으로 작았다. 이는 ‘HG’가 초기 고온 내성은 확보하고 있으나, 생육 회복을 통한 보상 성장 능력은 상대적으로 낮은 품종임을 시사한다.
2. 생리·생화학적 분석
2.1 총 엽록소 함량(Total chlorophyll)
총 엽록소함량 또한 처리 간 뚜렷한 차이를 보였다(Table 1). 고온스트레스는 엽록소 함량을 유의하게 감소시켰으며, 특히 ‘HG’는 4.60mg·g-1DW(MT)에서 3.75mg·g-1DW(HT)로 감소하였다. 반면, 과산화수소 처리(HT+HP)를 병행한 경우 4.38mg·g-1DW까지 회복되었으며, 이는 고온에 의해 유발된 광합성 색소 감소를 효과적으로 완화했음을 나타낸다. 엽록소 함량의 유지 및 회복은 광합성 능력 유지에 필수적이며, 본 결과는 외생 과산화수소 처리가 스트레스 하에서도 엽록소 분해를 억제하고 광합성 활성을 보호할 수 있다는 선행 연구 결과(Ishibashi et al. 2011)와 일치한다. ‘HJ’는 HT 처리 하에서도 상대적으로 높은 생체량 및 엽록소 함량을 유지하여, ‘HG’에 비해 고온스트레스에 대한 내성이 다소 우수한 것으로 나타났다. 그러나 ‘HG’는 HT+HP 처리 후 엽록소 함량 회복 폭이 더 크게 나타나, 과산화수소 처리에 대한 반응성에서 품종 간 차이가 존재함을 시사하였다. 이는 고온스트레스 완화를 위한 품종 선택의 중요성을 강조하는 결과이다.
2.2 항산화효소 활성
2.2.1 SOD 활성 차이
하미과의 두 품종 ‘HJ’와 ‘HG’의 적온 및 고온 조건에서 과산화수소 경엽처리가 SOD 항산화효소 활성에 미치는 영향을 분석하였다(Fig. 2). ‘HJ’ 품종의 SOD 활성은 적온 조건에서 13.1mU/mg protein 수준으로 나타났으며, 과산화수소 처리 시 약 2.3배가량 증가하여 29.9mU/mg protein로 상승하였다. 한편, 적온에 비해 고온 조건에서는 SOD 활성이 28.2mU/mg protein으로 높았으며, 과산화수소 처리에 의해 49.3mU/mg protein으로 처리구 중 가장 높은 값을 보였다(Fig. 2). 이는 고온스트레스가 SOD 활성을 유의하게 증가시키며, 추가적인 과산화수소 경엽처리가 항산화계의 활성화를 더욱 촉진함을 의미한다. ‘HG’ 품종도 유사한 경향이 관찰되었다. 적온 조건에서의 SOD 활성은 약 15.4mU/mg protein으로 ‘HJ’와 비슷하였으며, 과산화수소 처리에 따라 24.5mU/mg protein으로 증가하였다(Fig. 2). 고온 조건에서는 과산화수소 미처리 시 28.4mU/mg protein으로 높은 값을 나타냈고 이는 과산화수소 처리에 의해 약 1.6배 상승하여 44.3mU/mg protein 수준으로 나타났다(Fig. 2).
Fig. 2
(A) Superoxide dismutase and (B) Catalase activity (mU/mg protein) in the leaves of Hami melon cultivars ‘Hwangjehami (HJ)’ and ‘Hwanggeumhami (HG)’ seedlings grown under moderate (MT) and high temperature (HT) conditions with or without foliar hydrogen peroxide (HP) treatment. Bars represent mean ± SE (n = 45). Statistical significance was determined using ANOVA followed by Duncan’s multiple range test (p < 0.05)
이러한 결과는 고온 환경과 과산화수소 경엽처리가 각각 또는 상호작용하여 식물체의 활성산소 제거효소인 SOD의 활성을 유도함을 보여준다. 이는 고온스트레스로 인한 ROS 발생이 SOD 활성을 유발하며(Zhao et al. 2018), 과산화수소 처리에 의한 경미한 산화적 자극이 식물의 방어 메커니즘을 추가로 강화시킨 것(Sharma et al. 2012)으로 판단된다. 선행 연구에 따르면 과산화수소는 식물의 신호전달 물질로 작용하여 항산화 효소 발현을 촉진하는 것으로 보고된 바 있으며(Neill et al. 2002), 본 연구 결과는 이를 뒷받침하여 하미과 품종의 내고온성 향상 및 산화스트레스 내성 강화에 과산화수소 처리가 유효한 관리 전략이 될 수 있음을 시사한다. 품종간 비교시, 두 품종 고온 및 과산화수소 처리에 의해 유의적으로 활성이 증가하였으나 증가폭은 ‘HJ’에서 더 크게 나타났다. 특히 HT+HP 조건에서 ‘HJ’는 가장 높은 SOD 활성을 보여, 고온 조건에서 ROS 초기 제거 단계(superoxide → H2O2)의 효율이 높은 품종임을 의미한다. ‘HG’ 또한 SOD 활성이 증가하였으나, ‘HJ’에 비해 증가 폭이 다소 완만하여 ROS 제거를 효소 활성 증폭보다는 다른 방어 기작과 병행하는 전략을 취하는 것으로 판단된다.
2.2.2 Catalase 활성차이
하미과 품종 ‘HJ’와 ‘HG’의 Catalase(CAT) 활성은 적온 및 고온 조건과 과산화수소의 경엽처리에 따라 유의한 차이를 보였다(Fig. 2). ‘HJ’의 CAT 활성은 적온 조건에서 9.1mU/mg protein으로 나타났으며, 과산화수소 처리 시 소폭 상승하여 12.7mU/mg protein 수준이었다. 고온 조건에서는 19.1mU/mg protein으로 나타난 CAT 활성이 과산화수소 처리에 의해 현저하게 증가하여 64.2mU/mg protein의 가장 높은 값을 나타냈다(Fig. 2). 이는 SOD 활성 결과와 유사하게 고온스트레스 및 과산화수소 경엽처리의 상호작용이 CAT 활성화에도 크게 기여함을 시사한다. ‘HG’의 경우, CAT 활성이 전반적으로 ‘HJ’에 비해 다소 높게 유지되었다. 적온 조건에서는 12.7 mU/mg protein으로 시작하여 과산화수소 처리 시 큰 차이는 없었으나(14.6mU/mg protein), 고온 조건에서는 과산화수소 처리 없이도 17.9mU/mg protein으로 높은 값을 나타냈고, 과산화수소 처리에 의해 48.2mU/mg protein까지 활성이 증가하였다(Fig. 2).
Catalase는 과산화수소를 물과 산소로 분해하는 주요 항산화효소로써 식물의 스트레스 생리관련 ROS 해독시스템에서 핵심적인 역할을 담당한다(Sharma and Ahmad 2014). 본 실험에서 과산화수소 경엽처리는 외부에서 과산화수소를 직접 공급함으로써 식물체 내 내인성 Catalase의 발현과 활성을 촉진시킨 것으로 해석된다. 특히 고온 조건은 ROS 생성량을 급격히 증가시켜 Catalase 활성을 더욱 활성화시킨 것으로 판단된다. 특히, 두 품종 중에서 ‘HG’는 육성계보에 따라 상대적으로 다른 하미과 품종에 비해 내고온성이 높은 것으로 보고되었는데 내성이 있는 것으로 기록되어 있는데 적온 조건에서 ‘HJ’에 비해 CAT 활성이 약 1.4배 높은 것으로 보아 이러한 품종적 특성에 기인한 것으로 보인다. 따라서, 본 연구 결과는 과산화수소 경엽처리가 하미과 품종의 고온 환경 적응력 강화를 위한 유효한 관리 기술로 활용될 수 있음을 뒷받침하며, SOD와 함께 CAT 활성의 동시 증가는 ROS 제거 능력을 상승시켜 고온스트레스 저감을 기대할 수 있음을 시사한다.
2.3 DPPH, ABTS 자유라디칼 소거능차이
온도 조건 및 과산화수소 처리에 따라 하미과 멜론의 유묘 잎에 집적되는 항산화물질에 의한 DPPH 및 ABTS 자유라디칼 소거능 비교 결과는 Fig. 3에 나타내었다. ‘HJ’의 DPPH 라디칼 소거능은 적온 조건에서 33.1μg VCE/mg DW였으나, 과산화수소 처리 시 오히려 소폭 감소하였다(Fig. 3). 고온에서는 급격히 상승하여 65.8μg VCE/mg DW로 나타났고, 이 값은 과산화수소 처리 시에도 높은 수준을 유지하였다. ‘HG’는 전반적으로 DPPH 소거능이 ‘HJ’ 품종보다 높게 나타났으며, 적온 조건에서는 36.0μg VCE/mg DW로 나타났고 고온 조건에서는 67.9μg VCE/mg DW 내외로 증가하였다. 마찬가지로 과산화수소 처리에도 높은 값을 유지하였다(Fig. 3).
Fig. 3
(A) DPPH and ABTS radical scavenging capacities (μg VCE/mg DW) in leaves of ‘Hwangjehami (HJ)’ and ‘Hwanggeumhami (HG)’ seedlings grown under moderate (MT) and high temperature (HT) conditions with or without foliar hydrogen peroxide (HP) treatment. Bars represent mean ± SE (n = 45). Statistical significance was determined using ANOVA followed by Duncan’s multiple range test (p < 0.05)
ABTS 라디칼 소거능의 경우, ‘HJ’는 적온에서 65.2μg VCE/mg DW로 나타났으며 고온 조건에서는 72.4μg VCE/mg DW로 나타났다. 각 온도 조건에서 과산화수소 처리는 유의적인 차이를 나타내진 않았다. ‘HG’에서도 전반적으로 ABTS 소거능은 ‘HJ’와 비슷한 수준으로 측정되었으며, 적온에서 65.4μg VCE/mg DW였고 고온에서 76.9μg VCE/mg DW로 측정되었다.
이러한 결과는 고온스트레스가 앞선 항산화효소 활성의 유의미한 증가와 함께 하미과 유묘의 항산화물질 집적에도 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 보여주며, 특히 고온 조건에서 항산화 시스템이 활성화되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 고온 조건에서 스트레스에 의한 ROS 생성이 증가하고, 과산화수소의 경엽처리가 경미한 산화스트레스를 추가로 유발함으로써 식물체 내 항산화 방어 기작이 촉진된 것으로 해석된다(Larson 1995). 또한, ABTS 소거능은 DPPH에 비해 처리 조건에 따른 변화 폭이 상대적으로 작게 나타났는데, 이는 ABTS 라디칼이 수용성 및 지용성 항산화물질 모두에 반응하는 반면, DPPH는 주로 지용성 항산화 물질과 반응하기 때문으로 설명된다(Lim et al. 2021). 따라서 두 지표를 함께 평가함으로써 멜론 유묘 잎의 총 항산화 능력과 그 구성 특성을 보다 정밀하게 파악할 수 있었다.
품종간 비교 시 비효소적 항산화능 분석에서 ‘HG’는 전반적으로 DPPH 및 ABTS 소거능이 ‘HJ’보다 높게 유지되었다. 이는 ‘HG’가 페놀성화합물 및 항산화 2차 대사산물의 기본 축적 수준이 높은 품종임을 시사한다. 반면 ‘HJ’는 고온 조건에서 항산화능이 급격히 증가하는 양상을 보여, 스트레스 유도형 항산화 물질 축적 전략을 취하는 것으로 해석된다. 따라서 ‘HG’는 항상성 유지형, ‘HJ’는 스트레스 반응형 항산화 시스템을 갖는 것으로 요약할 수 있다.
3. TBARS: 세포막 지질 과산화도 차이
하미과 품종(‘HJ’, ‘HG’)의 재배온도 및 과산화수소 경엽처리에 따른 TBARS(Thiobarbituric acid reactive substances) 함량 변화를 통해 지질과산화 정도를 평가하였다(Fig. 4)
‘HJ’의 TBARS 함량은 적온에서 0.75mM/mg protein으로 나타났으며, 과산화수소 처리 시 0.65mM/mg protein으로 소폭 감소하였다. 고온에서는 TBARS 함량이 상승하여 1.06 mM/mg protein로 측정되었고, 과산화수소 처리로 약 0.80 mM/mg protein으로 낮아졌다(Fig. 4). 이는 고온스트레스에 의해 지질 과산화가 촉진되나, HP 경엽처리가 활성산소 제거에 효과적인 효소 활성을 증진시켜 지질막의 산화를 완화시킨다는 앞선 효소활성 결과와 유사하다. ‘HG’의 경우 적온에서 0.73mM/mg protein으로 나타났고, 과산화수소 미처리구의 고온 조건에서는 TBARS 함량이 크게 상승하여 1.13mM/mg protein로 측정되었으며, 이는 과산화수소 처리에 의해 0.63 mM/mg protein까지 감소했다(Fig. 4). 특히 ‘HG’는 고온에서 표준편차가 크게 나타나 처리 간 편차가 비교적 큰 것으로 분석되었다.
Fig. 4
Thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) content (mM/mg protein) indicating lipid peroxidation levels in leaves of ‘Hwangjehami (HJ)’ and ‘Hwanggeumhami (HG)’ seedlings grown under moderate (MT) and high temperature (HT) conditions with or without foliar hydrogen peroxide (HP) application. Bars represent mean ± SE (n = 45). Statistical significance was determined using ANOVA followed by Duncan’s multiple range test (p < 0.05)
품종 간 반응을 종합하면, ‘HG’는 고온 조건에서 TBARS 증가 폭이 상대적으로 컸으나 HP 처리에 의해 감소 폭 또한 크게 나타나 고온 스트레스에 대한 민감도는 높지만, 프라이밍(HP) 처리에 대한 회복 반응성 역시 큰 품종으로 해석된다. 반면 ‘HJ’는 TBARS 증가 폭 자체가 상대적으로 제한적이어서, 고온 조건에서도 기본적인 세포막 안정성이 비교적 우수한 품종 특성을 보여준다. 즉, 지질막 보호 전략 측면에서 ‘HJ’는 안정성 기반의 방어 특성이, ‘HG’는 처리(HP) 반응에 의해 손상이 크게 완화되는 회복 중심 특성이 두드러지는 것으로 판단된다.
TBARS는 세포막 지질의 과산화 생성물을 지표로 하여 산화적 스트레스 정도를 반영하는 중요한 생리적 지표이다(Oakes and Van Der Kraak 2003; De Leon and Borges 2020). 본 연구에서 고온 조건은 멜론 유묘의 ROS 생성 증가로 인해 지질 과산화를 촉진하였으며, 이는 내재 과산화수소 및 TBARS 함량의 동반 증가로 확인되었다. 그러나 과산화수소의 외재적 경엽처리는 항산화 방어계의 활성화를 통해 ROS 제거를 가속화함으로써 TBARS 축적을 감소시키는 역할을 수행하였다. 이는 앞서 관찰된 SOD 및 CAT 활성 증가 결과와 일치하며, 고온스트레스 조건에서도 과산화수소 경엽처리가 지질막 안정성 유지에 기여함을 입증한다. 따라서 TBARS 분석을 통해 과산화수소 경엽처리가 멜론 유묘의 산화적 피해를 완화시키고, 고온 환경에서의 내성 증진에 긍정적 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
4. 잎의 리그닌 집적 차이
잎의 리그닌 함량을 품종 및 처리 조건별로 분석한 결과, 두 품종 모두에서 과산화수소 경엽처리가 리그닌 축적을 유도하였으나 그 양상은 품종과 온도 조건에 따라 상이하게 나타났다. ‘HJ’의 리그닌 함량은 적온 조건에서 0.36 Abs at 280nm/g DW로 낮게 나타났으나, HP 처리(MT+HP)에 의해 3.62 Abs로 크게 증가하였다(Fig. 5). 고온 조건에서도 HP 처리(HT+HP)에 의해 4.02 Abs로 증가하여, HP 처리에 따른 리그닌 축적 유도 효과가 일관되게 확인되었다(Fig. 5). ‘HG’의 경우 MT 및 HT 조건에서 리그닌 함량이 각각 1.10 및 0.66 Abs로 나타났으며, HP 처리 시 각각 2.89 및 5.26 Abs로 증가하였다(Fig. 5). 특히 ‘HG’는 HT+HP 조건에서 리그닌 함량이 가장 큰 폭으로 증가하여, 고온 환경에서 HP 처리의 효과가 강하게 발현되는 특징을 보였다.
Fig. 5
Lignin content expressed as absorbance at 280 nm per g dry weight in leaves of ‘Hwangjehami (HJ)’ and ‘Hwanggeumhami (HG)’ seedlings grown under moderate (MT) and high temperature (HT) conditions with or without foliar hydrogen peroxide (HP) treatment. Bars represent mean ± SE (n = 45). Statistical significance was determined using ANOVA followed by Duncan’s multiple range test (p < 0.05)
품종 간 반응을 종합하면, 리그닌 축적 양상은 두 품종의 고온 적응 전략 차이를 비교적 명확히 나타냈다. ‘HJ’는 MT 및 HT 조건 모두에서 HP 처리에 의해 리그닌 함량이 증가하였으나 증가 폭이 상대적으로 완만하여, 스트레스 환경에서 구조적 보강(세포벽 강화)과 생육 회복 간의 균형을 유지하는 방향의 방어 전략을 취하는 것으로 해석된다. 반면 ‘HG’는 특히 HT+HP 조건에서 리그닌 함량이 급격히 증가하여, 고온 스트레스 하에서 세포벽 강화 중심의 방어 전략을 보다 적극적으로 활용하는 품종 특성을 시사한다. 이는 ‘HG’가 고온 조건에서 생장 회복보다는 구조적 안정성 확보를 우선시함으로써 스트레스 손상을 완충하려는 방향으로 생리적 자원을 배분할 가능성을 보여준다.
리그닌은 식물의 세포벽을 구성하는 주요 성분으로 기계적 강도를 제공하고 병원체 침입을 방어하는 역할을 한다(Farahi et al. 2017). 일반적으로 고온스트레스는 식물의 구조적 안정성을 저해할 수 있으나, 본 연구에서는 과산화수소 경엽처리가 리그닌 합성을 촉진하여 세포벽 강화에 기여하는 것으로 나타났다. 이는 과산화수소가 식물체 내에서 산화 스트레스 신호전달 물질로 작용하여 페닐프로파노이드 경로를 활성화하고, 리그닌 생합성을 증대시킨 결과로 해석된다(Duan et al. 2023). 또한 고온 환경에서 과산화수소 처리는 리그닌 함량을 크게 증가시켰는데, 고온 조건에서 유발된 스트레스를 완화하기 위해 식물체가 세포벽을 보강하고자 하는 방어 반응으로 볼 수 있다. 이는 앞서 보고된 SOD, CAT 활성 증가 및 TBARS 감소와 연계되어, 과산화수소 경엽처리가 산화스트레스 저감뿐만 아니라 구조적 안정성 유지에도 긍정적으로 작용함을 의미한다.
