서 론
재료 및 방법
1. 실험 재료 및 살리실산 엽면살포
2. 광합성 측정
3. 단백질 정량 및 MDA, H2O2 함량 분석
4. 항산화효소 활성 분석
5. 생육 특성 조사
6. 통계분석
결과 및 고찰
1. 배추의 광합성 특성 변화
2. 배추의 MDA 및 H2O2 함량 변화
3. 항산화효소 활성 변화
4. 생육 특성 변화
서 론
배추(Brassica rapa L. ssp. Pekinensis)는 김치의 주재료로 국내에서 생산 및 소비가 높은 채소 중에 하나이다. 2023년 기준에 따르면, 배추의 전체 재배 면적은 28,912ha, 생산량은 약 2,049천톤이며, 봄 배추 면적은 15,935ha에 생산량 780천톤으로 배추 전체 생산량의 38% 정도를 차지하고 있다(KOSIS, 2024). 배추는 대부분 노지재배에 의존하고 있어 기상 조건의 영향을 많이 받는 작물로 이상기상 발생시 다양한 생리 장해로 인해 생산량이 감소된다(Lee 등, 2011). 특히 봄 배추는 생육 초기 저온 스트레스에 의한 조기 화아 분화와 정식 후 고온 장일 조건 노출에 의한 추대에 의해 생산량이 감소한다고 알려져 있다(Lee 등, 2011; Lee 등, 2017).
저온 스트레스는 식물의 정상적인 성장과 발달에 영향을 미치는 주요 환경 요인 중 하나이다(Buchanan와 Gruissem, 2000; Zhu, 2016). 식물이 저온 스트레스를 받으면 세포막 시스템, 삼투압 조절 물질 및 항산화 시스템에 영향을 미친다(Ding과 Yang, 2022; Kidokoro 등, 2022; Seo 등, 2013). 일반적으로 식물은 삼투 조절 물질을 증가시켜 저온 환경에 있을 때 삼투압을 효과적으로 유지하고, 어는 점을 낮추어 식물의 내한성을 향상시킨다(Buchanan과 Gruissem, 2000; Kidokoro 등, 2022). 식물이 저온 스트레스를 받으면 광합성 속도가 감소하고, 전자 전달 시스템도 영향을 받는다(Buchanan과 Gruissem, 2000; Ding와 Yang, 2022; Seo 등, 2013). 또한 세포막의 손상과 지질 과산화(Lipid peroxidation)를 유발하여 식물 세포에 다량의 활성산소종(ROS, reactive oxygen species)을 생성한다(Buchanan과 Gruissem, 2000; Ding, 2018). 이는 superoxide dismutase(SOD), peroxidase(POD), catalase(CAT)와 같은 식물의 항산화 효소 활성의 증가를 통해 제거된다고 알려져 있다(Kosmala 등, 2009; Mao 등, 2018; Mittler, 2017; Xie 등, 2019).
살리실산(SA, salicylic acid)은 식물에서 자연적으로 발생하는 페놀성 식물 호르몬으로, 신호전달 물질로 간주된다(Arif 등, 2020; Klessig 등, 2018). 이는 생물적 및 비생물적 스트레스에 대한 식물의 방어 시스템을 조절하는 신호분자로서 성장 및 발달, 미네랄 흡수 및 운송, 개화 광합성 및 증산 조절을 한다고 알려져 있다(Dempsey 등, 2011; Hara 등, 2012; Khan 등, 2015; Rivas-San Vicente 와 Plasencia, 2011). 특히 비생물적 스트레스에 대한 광합성 능력 향상, 증산속도 감소, 기공변화 조절, 이온의 흡수와 전달, 항산화제 활성, 삼투조절물질의 축적 및 저온 반응 유전자의 발현을 조절함으로써 오존, 가뭄, 염, 온도 등의 다양한 종류의 식물 스트레스 내성을 향상시킨다(Cheng 등, 2016; Dong 등, 2014; Khan 등, 2015; Luo 등, 2014; Miura와 Tada, 2014; Sharma 등, 1996; Venegas-Molina 등, 2020). 저온 조건에서 0.5mM 내외의 SA 처리시 밀, 옥수수, 시금치, 오이, 토마토, 쌀 등의 다양한 작물에서 스트레스 저항성을 보인다고 보고 되었다(Kang과 Saltveit, 2002; Min 등, 2018; Shin 등, 2018; Wang 등, 2021).
따라서 본 연구는 저온 스트레스 조건하에서 SA 처리가 배추의 광합성 및 생리활성 등을 향상시킴으로써 스트레스에 의한 피해를 경감할 수 있을 것이라 판단되어 수행하였다.
재료 및 방법
1. 실험 재료 및 살리실산 엽면살포
본 실험에 사용한 식물 재료는 ‘진청’(Brassica rapa L. ssp. pekinensis) 배추로 2023년 1월 9일에 72공 육묘용 플러그 트레이(50mL/셀)에 2립씩 파종하였고, 발아 후에는 1주씩 남기고 솎아주었으며, 유리온실(환기 온도 25°C)에서 육묘하였다. 본엽 6－7매가 전개된 모종(파종 후 4주)을 사양토 12kg을 채운 와그너포트(1/2000a)에 정식하여 난방 제어가 가능한 벤로형 온실에서 자연광 하에 재배하였다. 일반 재배 조건으로 난방 온도는 주간 22°C, 야간 15°C로 설정하였고, 농촌진흥청 표준 영농재배법에 준하여 관리하였다. 정식 후 10일에 살리실산(salicylic acid, SA, MW: 138.12)을 세가지 농도(0.25, 0.5, 1mM)로 주당 100ml을 4일 간격으로 3회 엽면살포 하였고, 대조구(적온, Ot)와 무처리(저온, Lt)는 수돗물을 처리하였다. 정식 후 11일에 7일간 저온 조건(주간11/야간2°C)을 처리하였고, 종료 후에는 일반조건에서 재배하였다. 재배기간 동안의 기상 환경은 데이터로거(WatchDog 1650, Spectrum Tec. Inc., USA), 토양수분 센서(SMEC300, Spectrum Tec. Inc., USA), 일사량 센서(Quantum Light Sensor, Spectrum Tec. Inc., USA )를 활용하여 1시간 간격으로 측정하였다. 저온 처리기간 일 평균온도는 8°C 정도로 적온 20°C에 비해 12°C 정도 낮게 유지되었고, 토양수분 함량은 처리 간 5% 이내의 차이를 보였다(Fig. 1).
2. 광합성 측정
휴대용 광합성 측정기(LI-6800, LI-COR Inc., Nebraska, USA)를 사용하여 SA 처리 4일 후에 각 처리당 6주를 대상으로 3번째 외엽에서 광합성 특성을 측정하였다. 광합성 측정기 챔버의 측정 조건은 기온 20°C, 광도는 500μmol·m-2·s-1PPFD, CO2 농도 400μmol·mol-1로 설정하였다.
3. 단백질 정량 및 MDA, H2O2 함량 분석
각 SA 처리 4일 후에 3-5번째 외엽에서 시료를 혼합 채취한 후 동결상태로 마쇄 하였다. 각 시료 200mg에 1ml PBS(potassium phosphate buffer saline, pH 7.0)를 혼합하여 4°C, 15,000rpm에서 30분간 원심분리 후 조효소액을 추출하였다. 단백질은 Bio-rad protein assay(Bio-rad, USA) 시약을 이용하여 정량 하였다(Bradford, 1976). Malondialdehyde(MDA)와 H2O2 함량은 EZ-Lipid peroxidation(TBARS) assay kit(DoGenBio co., Korea)와 EZ-Hydrogen Peroxide/Peroxidase Assay Kit(DoGenBio co., Korea)를 사용하여 분석하였다(Lee 등, 2021).
4. 항산화효소 활성 분석
배추의 asocorbate peroxidase(APX), catalase(CAT), peroxidase(POD) 및 superoxide dismutase(SOD) 효소 활성은 각각 APX assay kit(Elabscience Biotechnology Inc., USA), Catalase Assay Kit(DoGenBio Co., Korea), Hydrogen Peroxide/Peroxidase Assay Kit(DoGenBio Co., Korea), SOD determination kit(DoGenBio Co., Korea)을 사용하여 분석하였다(Lee 등, 2021).
5. 생육 특성 조사
배추의 생육 특성은 정식 후 31일에 처리 별 5주 3반복으로 엽장, 엽폭, 엽록소(SPAD), 엽수, 엽면적, 생체중과 건물중, 팁번 정도 및 수량 지수를 조사하였다. 팁번 정도는 팁번이 가장 많은 개제는 5, 없는 개체는 0을 기준으로 하였고, 수량지수는 대조구의 생체중을 100% 기준으로 처리구 간 차이를 조사하였다. 엽록소 함량과 엽면적은 SPAD 측정기(SPAD-502, Konica Minolta, Japan)와 엽면적측정기(LI-3100, LI-Cor Inc., USA)를 사용하였다.
6. 통계분석
실험구 배치는 난괴법 5주 3반복으로 하였고, 통계분석은 SAS 프로그램(SAS 9.2, SAS Institute Inc., USA)을 이용하여 분산분석(ANOVA)을 실시하였다. 평균간 비교는 LSD 검정을 이용하여 5% 유의수준에서 각 처리 간 유의성을 검증하고, 그래프는 SigmaPlot 프로그램(SigmaPlot 12.5, Systat Software Inc., USA)을 이용하여 나타냈다.
결과 및 고찰
1. 배추의 광합성 특성 변화
저온 스트레스 조건에서 SA 처리에 의한 배추의 광합성 특성 변화를 측정하였다. 저온 처리시 광합성 특성은 대조구에 비하여 전반적으로 감소하였으나, SA 엽면살포 후 무처리 대비 증가하는 경향을 보였다. SA 1, 2회 처리시 평균 20% 이상의 높은 증가율을 보였으며, 전체 처리기간동안 SA 0.5와 1mM 처리가 전반적으로 높게 유지되었다(Fig. 2A). 반면 기공전도도, 세포내 CO2함량 및 증산 속도는 1, 3회 처리에서는 무처리 대비 감소하였으나, 2회 처리에서는 반대로 증가하는 경향을 보였다(Figs. 2B－D). 저온 스트레스는 식물의 단백질 합성 및 엽록소 생성 속도 저하, 틸라코이드막 지질 및 단백질 변화를 수반하여 광합성 능력을 감소시킨다(Bhattachrya, 2022). 반면 스트레스 조건에서 SA 처리시 시금치, 오이, 수박, 옥수수 등의 광합성속도와 기공전도도가 증가하였고(Cheng 등, 2016; Min 등, 2018; Wang 등, 2021; Zhang 등, 2021), 높은 루비스코 관련 유전자의 발현과 카르복실화율을 유지하여 광합성 능력이 회복되었다(Dong 등, 2014; Wang 등, 2018). 이와 유사하게 배추의 광합성 능력이 전반적으로 증가 하였는데(Fig. 2), 이는 저온 스트레스 조건에서 SA 처리가 배추의 광합성 효율을 증가 시킨다는 것을 보여준다.
Fig. 2
Changes in photosynthetic rate (Pn, A), stomatal conductance (Gs, B), intracellular CO2 concentration (Ci, C), and transpiration rate (Tr, D) as affected by salicylic acid (SA) foliar application in Kimchi cabbage leaves under low temperature conditions. Vertical bars represent the standard error of means from six replications. Different letters indicate significant differences determined by LSD (p < 0.05).
2. 배추의 MDA 및 H2O2 함량 변화
ROS의 축적에 의한 배추의 피해 정도를 확인하기 위해 MDA와 H2O2 함량을 측정하였다(Fig. 3). 저온 스트레스 조건에서 배추의 MDA와 H2O2 함량은 대조구 대비 2배 이상 증가하였는데, 이는 저온 처리로 인한 세포막의 손상을 나타낸다. 반면 SA 처리시 배추의 MDA 함량이 무처리 대비 전반적으로 감소하는 경향을 보였으며, 특히 2회 살포 후 28－42% 정도 감소하였고 SA 0.5mM 처리가 가장 낮았다(Fig. 3A). Lipid peroxidation은 과산화지질과 알데하이드의 생성 및 막 인지질의 파괴로 인한 세포 손상으로, 이 과정의 분해 산물인 MDA의 함량으로 피해 정도를 측정할 수 있다(Farmer와 Mueller, 2013). 이전 연구에서 저온 조건에서 SA 처리시 상추, 양배추, 오이 등에서 MDA와 세포내 H2O2 함량을 감소시켜 산화스트레스를 완화한다고 보고되었다(Dong 등 2014; Min과 Lee, 2021; Shin 등 2018). 본 연구에서는 SA 처리가 배추의 MDA 함량을 낮추는 것을 확인하였다. 반면에 H2O2 함량은 1, 3회 처리에서는 다소 감소하였으나, 2회 처리에서는 증가하는 경향을 보였다(Fig. 3B). 이전 연구에서 애기 장대에 1mM 이상의 SA 처리시 세포내 H2O2의 함량이 증가하였다(Rao 등, 1997). 또한 작물의 뿌리 형성에서의 SA의 2차 신호 전달과 글루타치온 환원효소 활성 증가로 작물의 H2O2 함량이 축적 된다고 보고 된바 있다(Ganesan과 Thomas, 2001; Yang 등, 2013). 이는 SA이 배추의 신호 전달물질로서 뿌리 발달과 항산화효소 활성에 연관되어 작용한다는 것을 확인해 준다. 이러한 결과로서 SA 처리가 배추의 저온 스트레스에 의한 세포 손상을 효과적으로 완화시키는 것으로 판단할 수 있다.
Fig. 3
Changes in malondialdehyde (MDA, A) and H2O2 (B) contents as affected by salicylic acid (SA) foliar application in Kimchi cabbage leaves under low temperature conditions. Vertical bars represent standard errors of the mean from nine replications. Different letters indicate significant differences determined by LSD (p < 0.05).
3. 항산화효소 활성 변화
저온 스트레스 조건에서 SA 엽면살포시 배추의 항산화효소 활성 변화를 측정하였다(Fig. 4). 배추의 저온 처리시 SOD 활성은 대조구에 비해 증가 하였으나 APX, CAT, POD 활성은 다양한 변화를 보여주었다. SA 처리시 APX 활성은 1, 3회 살포에서 무처리 대비 10% 이상의 높은 활성을 보였으나, 2회차 처리에서는 SA 1mM 처리구에서만 61% 정도 증가하였다(Fig. 4A). CAT는 SA 3회 처리 기간 동안 증가하였으며, 무처리 대비 평균 18.6－28.8% 정도 높은 활성을 보였다(Fig. 4B). POD는 SA 1mM 처리구에서만 최대 54.5% 증가하였다(Fig. 4C). SOD 활성은 2회차 처리에서 증가하였고, SA 0.5mM 처리는 26.2% 증가하여 가장 높은 활성을 보였다(Fig. 4D). 낮은 온도는 작물의 틸라코이드 전자 수송을 억제하고 캘빈 싸이클 효소 및 ROS 제거 활성을 감소시켜 엽록체의 ROS의 축척을 유도한다(Li 등, 2014; Ruellan 등, 2009). 또한 지속적인 저온 스트레스는 엽록체의 모양을 변화시키고 막 구조를 파괴하여 엽록체의 발달에 심각한 영향을 미친다(Peng 등, 2015). ROS에 의한 산화 스트레스는 세포의 DNA, RNA, 단백질 등의 손상을 야기한다(Gill과 Tureja, 2010). 이러한 ROS에 의한 손상으로부터 작물의 보호 기작을 확인하기 위해 다양한 항산화효소 활성의 평가가 필요하다. 이전 연구에서 저온 조건에서 작물의 SA 처리시 항산화효소 활성이 전반적으로 증가한다고 보고되었다(Dong 등 2014; Kang 등, 2003; Min과 Lee, 2021; Wang 등, 2018; Zhang 등, 2021). SA의 처리는 작물의 페놀산, 폴리페놀, 플라보노이드 등과 같은 페놀화합물의 합성을 증진하여 환경스트레스에 의한 산화스트레스를 완화해 준다(Dempsey 등, 2011; Khan 등, 2015; Min과 Lee, 2021). 이 페놀성 화합물과 항산화 활성과 사이에 양의 상관 관계가 있으며, 고농도가 저농도에 비해 페놀 및 플라보노이드 합성에 더 효과적이었다(Kováčik 등, 2009; Singh, 2023). 저온 처리 기간 배추의 SA 처리시 농도가 증가함에 따라 APX, CAT 및 POD 활성도 높아지는 경향을 보였으나, 저온 처리 종료 후인 3회차에서는 SA 1mM 처리를 제외한 나머지는 유의한 차이를 보이지 않았다(Fig. 4). 이러한 결과로서 SA의 처리가 저온에 의한 산화스트레스를 완화 시킨다고 사료되나, 추후 페놀성화합물의 변화에 대한 연구를 통해 보다 정확한 SA의 산화스트레스 경감 효과를 검증해야 할 필요성이 있다.
Fig. 4
Changes in ascorbate peroxidase (APX, A), catalase (CAT, B), peroxidase (POD, C), and superoxide dismutase (SOD, D) activity levels as affected by salicylic acid (SA) foliar application in Kimchi cabbage leaves under low temperature conditions. Vertical bars represent standard errors of the mean from nine replications. Different letters indicate significant differences determined by LSD (p < 0.05).
4. 생육 특성 변화
저온 스트레스에서 배추의 생육특성은 대조구에 비해 감소하였다. 반면에 SA 처리시 전반적으로 증가하였으나, SA 1mM 처리시 생체중은 782g, 건물중은 46g으로 가장 높았고, 팁번 발생은 SA 0.5mM 처리구가 가장 낮았다(Table 1). 이는 저온 스트레스 조건에서 SA 처리시 작물의 생체중과 건물중이 증가였다는 연구보고(Cheng 등, 2016; Kang 등, 2002; Min과 Lee, 2021; Shin 등, 2018)와 유사하였다. 생육 특성은 무처리 대비 유의한 차이를 나타내지 않았으나, 수량 지수의 경우 무처리 대비 2－6% 증가하였다. 봄 배추는 육묘기 저온 노출과 정식 후 고온 장일 조건에서 추대가 발생한다(Lee 등, 2017). 반면에 본 연구에서는 생육 초기 7일간 저온 처리를 하였으나, 육묘기와 저온 처리 후 일반 조건에서 재배하였기에 배추의 추대는 발견 되지 않았다.
Table 1.
Kimchi cabbage growth as affected by foliar application of salicylic acid (SA) and exposure to low temperature conditions at 31 days after transplanting.
| Temperature |
Foliar application |
Fresh weight (g/plant) |
Dry weight (g/plant) |
Leaf length (cm) |
Leaf width (cm) |
Chlorophyll (SPAD) |
Number of leaves (no./plant) |
Leaf area (cm2/plant) |
Degree of tipburn occurrencez |
Yield index (%) |
| Ot | H2O | 952.6 ay | 57.6 a | 38.0 a | 30.2 a | 50.1 a | 65.6 a | 8,071 a | 1.4 | 100 |
| Lt | H2O | 730.5 b | 40.3 c | 36.4 ab | 26.5 b | 45.6 b | 59.6 b | 7,078 b | 2.9 | 76 |
| SA 0.25 mM | 746.3 b | 42.1 bc | 37.3 a | 26.7 b | 46.2 b | 58.5 b | 6,863 b | 2.5 | 78 | |
| SA 0.5 mM | 759.7 b | 44.5 b | 35.2 b | 26.3 b | 47.2 b | 61.1 b | 6,821 b | 2.0 | 80 | |
| SA 1.0 mM | 782.0 b | 46.0 b | 36.5 ab | 28.1 b | 47.4 ab | 59.1 b | 7,109 b | 2.7 | 82 |
따라서, 저온 조건에서 SA의 엽면살포는 배추의 광합성 속도의 향상, 항산화효소 활성의 증가와 MDA 함량이 감소하여 산화스트레스와 스트레스에 의한 생육 저하를 효과적으로 완화하였다. 결과적으로, 생리활성 분석과 생육 및 팁번 정도를 고려했을 때 배추에 효과적인 SA의 농도는 0.5-1mM이라 판단되며, 농가의 봄 배추 재배시 생육 초기 저온에 의한 스트레스 피해를 완화 할 수 있을 것으로 생각한다.
