서 론
재료 및 방법
1. 실험 재료 및 글루탐산 엽면살포
2. 광합성 측정
3. 단백질 정량, MDA 함량 및 근활력 측정
4. 항산화 효소 활성 분석
5. 생육 특성 조사
6. 통계분석
결과 및 고찰
1. 마늘의 광합성 특성 변화
2. 항산화 효소 활성 변화
3. 마늘의 MDA 및 근활력 변화
4. 생육 특성 변화
서 론
마늘은(Allium sativum L.) 우리나라의 주요 양념 채소 중 하나로 2024년 재배면적은 23,291ha, 생산량은 약 328천톤이며 국내 조미 채소 생산량의 20%를 차지하고 있다(KOSIS, 2024). 우리나라의 1인당 마늘 소비량은 최근 5년간 연평균 7kg 정도이고, 전체 생산량 중 난지형 품종이 80% 내외를 차지하고 있는 것으로 나타났다(KOSIS, 2024). 마늘은 재배기술, 온도와 습도, 토양 성분과 같은 환경요인에 의한 생산량 변화가 크며, 특히 얕은 뿌리와 수분에 민감한 특성 때문에 가뭄과 같은 조건은 마늘의 생장, 품질 및 수확량에 심각한 영향을 미친다(Sattar 등, 2020). 물 부족은 종자 발아와 초기 생장을 억제 하고(Habuš Jerˇci´c 등, 2023), 세포 탈수, 기공 폐쇄 등으로 식물의 대사 불균형을 유발한다(Hussain 등, 2019). 그리고 미토콘드리아, 엽록체, 퍼옥시좀과 같은 세포 소기관에서 활성산소종(ROS, reactive oxygen species)이 생성되고(Kaur와 Asthir, 2017), 과도한 ROS의 축적은 지질과산화, DNA 손상, 단백질의 구조 및 기능의 변화, 영양소 흡수 및 수송 속도 감소, 엽록소 감소, 식물 생장 및 발달 저해 등의 부정적인 영향을 미친다(Chung 등, 2020; Hasanuzzaman 등, 2020; Kaur 등, 2021; Osakabe 등, 2014; Seleiman 등, 2021). 또한 수분 부족은 광합성 기관 손상에 의한 능력의 감소로 잎의 동화산물의 생산이 줄어들고, 작물의 생장 및 수량 등의 감소로 이어진다(Dietz 등, 2021; Qiao 등, 2024; Seleiman 등, 2021)
건조 스트레스 조건에서 마늘의 품질과 수량을 개선하기 위해 분자 생리학적인 방법으로도 접근이 가능하다. 이 방법 중 하나는 글루탐산(Glu, glutamic acid)을 사용하는 것으로, 작물의 생장을 개선하여 스트레스 저항성을 높여 비생물적 스트레스의 유해한 영향을 줄일 수 있다(Kong 등, 2015; Manzoor 등, 2013). 글루탐산은 식물의 생장 및 발달에 중요한 역할을 하는 필수 아미노산 전구체로써 프롤린(proline), GABA, 글루타치온(gluthathione) 등과 같은 항산화제의 생합성에 역할을 하는 중요한 아미노산 중 하나이다(Okumoto 등, 2016; Qiu 등, 2020). 글루탐산의 적용은 다양한 작물의 수분부족, 삼투압, 염분, 질소 결핍 및 온도 스트레스를 줄이는데 효과적인 것으로 알려져 있다(Kan 등, 2017; Lei 등, 2017; Sadak과 Abdelhamid, 2015; Stolarz와 Dziubinska, 2017). 글루탐산은 글리신과 함께 엽록소 생합성에 중요 역할을 하는 필수 대사 산물인 aminolevulinic acid로 전환되는 대사 산물로서(Beale 등, 1975), 글루탐산의 처리는 엽록소 a, b와 카로티노이드 등의 생합성 향상으로 광합성 효율이 증가한다(Hussen 등, 2013; Lv 등, 2009). 또한 글루탐산은 세포 삼투 조절을 통해 기공의 개폐를 조절하고(Dinu 등, 2011), 양파, 마늘, 부추 및 상추 등에 처리시 품질 개선에 효과적이었다(Aghaye Noroozlo 등, 2019; Cao 등, 2010; Franzoni 등, 2021; Haghighi, 2012; Shafeek 등, 2012; Shalaby와 EI-Ramady, 2014).
현재까지 마늘의 환경 스트레스에 대한 글루탐산의 경엽처리 효과 연구는 미흡한 실정으로 건조 조건 하에서 글루탐산 처리는 광합성 능력, 항산화 효소 활성 등을 증진시킴으로써 스트레스에 의한 피해를 경감할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 본 연구는 건조 스트레스 조건에서 글루탐산 처리가 마늘의 광합성 및 생리 활성에 미치는 영향을 구명하고자 수행하였다.
재료 및 방법
1. 실험 재료 및 글루탐산 엽면살포
시험 재료인 ‘남도’(Allium sativum L.) 마늘을 사양토 10kg을 채운 와그너포트(1/5000a)에 2021년 10월 24일 정식하였다. 이후 평균기온이 20℃ 유지되는 온실에서 자연광 하에 재배하였으며, 정식 후 150일부터 2주간 무 관수 처리를 하였다. 재배기간 동안의 기상 환경은 데이터로거(WatchDog 1650, Spectrum Tec. Inc., USA), 토양수분 센서(SMEC300, Spectrum Tec. Inc., USA)를 활용하여 1시간 간격으로 10cm 깊이 토양의 수분함량(%)을 측정하였다. 건조 처리 기간의 토양 수분은 평균 13% 정도를 유지하였다(Fig. 1). 건조 처리 7일 후 글루탐산(Glu; L-glutamic acid, sigma aldrich, USA)을 세 처리 농도(10, 80, 169mg·L-1)로 주당 100ml씩 7일간격으로 2회 엽면살포 하였고, 대조구(적습; OI, optimal irrigation)와 무처리(건조; DI, deficient irrigation)는 물을 처리하였다.
2. 광합성 측정
휴대용 광합성 측정기(LI-6800, LI-COR Inc., Nebraska, USA)를 이용하여 글루탐산 경엽 처리 후 3일에 각 처리당 6주를 대상으로 광합성 특성을 측정하였다. 광합성 측정기 챔버의 측정 조건은 기온 25℃, 광도는 1000μmol·m-2·s-1 PPFD, CO2 농도 400μmol·mol-1로 설정하였다.
3. 단백질 정량, MDA 함량 및 근활력 측정
글루탐산 경엽 처리 후 3일에 2－4번째 외엽에서 시료를 혼합 채취한 후 액체질소를 사용하여 마쇄 하였다. 각 시료 200mg에 1ml PBS(potassium phosphate buffer saline, pH 7.0)를 혼합하여 4℃, 15,000rpm에서 30분간 원심분리 후 조효소 액을 추출하였다. 전체 수용성 단백질은 Bio-rad protein assay(Bio-rad, USA) 시약을 이용하여 정량 하였다(Bradford, 1976). 세포 손상 및 노화 정도를 분석 하기 위하여 MDA 함량을 측정 하였으며, EZ-Lipid peroxidation(TBARS) assay kit(DoGenBio co., Korea)를 사용하여 분석하였다(Lee 등, 2021). 근활력 측정은 마늘의 뿌리를 채취하여 증류수에 세척 후 이용하였다. 뿌리 시료는 세근을 약 0.5cm 길이로 절단하여 균일하게 혼합한 후 0.1g을 취해 2mL test tube에 넣었다. 그 후 1mL의 증류수를 첨가하여 혼합한 후 Premix WST-1 cell proliferation assay system(Takara Inc., Tokyo, Japan) 시약 10uL를 가하였다. 이후 25℃, 100rpm 및 암 조건에서 반응시키고 3, 6, 18 및 24시간 경과 후 OD420nm에서 흡광도를 측정하였다(Lee 등, 2016).
4. 항산화 효소 활성 분석
글루탐산 처리에 따른 마늘의 항산화 효소 활성 분석을 위하여 asocorbate peroxidase(APX), catalase(CAT), peroxidase (POD) 및 superoxide dismutase(SOD)를 측정하였다. 각 효소 활성은 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
마늘의 생육 특성은 처리구별 3반복 5주씩에 대해서 초장, 엽장, 엽폭, 엽수, 엽면적, 구고, 구폭, 생구중, 건구중 및 인편수 등을 정식 후 171일에 조사하였다. 엽면적은 엽면적측정기(LI-3100, LI-Cor Inc., USA)를 사용하였다.
6. 통계분석
실험구 배치는 난괴법 5주씩 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 이용하였다.
결과 및 고찰
1. 마늘의 광합성 특성 변화
건조 스트레스 조건에서 글루탐산 처리에 의한 마늘의 광합성 특성 변화를 측정하였다(Fig. 2). 마늘의 건조 처리시 광합성 속도는 대조구 대비 30%정도 감소하였으나, 글루탐산 엽면살포 후 무처리 대비 증가하는 경향을 보였다. 글루탐산 1회 처리시 광합성 속도는 무처리 대비 20－44% 정도 증가하였으나 대조구에 비해서는 낮게 측정되었다. 글루탐산 처리구에서 Glu 80mg·L-1 처리가 8.0µmol·CO2·m-2·s-1로 가장 높았다(Fig. 2A). 기공전도도와 증산 속도는 1회 처리에서 Glu80이 0.304mol m-2 s-1와 3.25mmol·H2O·m-2·s-1로 무처리 대비 2배 이상 증가하였으나, 반면에 2회 처리에서는 전반적으로 감소하는 경향을 보였다(Fig. 2B-D). 글루탐산 1차 처리시 세포내 CO2 농도는 Glu10과 80이 무처리 대비 높았으나, 반면 2차 처리에서는 Glu80과 169은 감소하였다(Fig. 2C). 마늘은 토양 수분이 부족하면 잎의 수분포텐셜이 낮아짐으로써 기공을 폐쇄하게 된다. 또한 스트레스가 진행됨에 따라 기공전도도와 증산이 점점 감소하고, 이로 인해 세포내 CO2 수치 또한 크게 감소한다(Farooq 등, 2009; Kovaˇcevi´c 등, 2023; Sánchez-Virosta 등, 2019). 이러한 세포내 CO2 수치는 광합성의 동화율과 전반적 광합성 능력을 감소시키게 된다(Abdelaal 등, 2021; Anjum 등, 2011; Kaiser, 1987; Oguz 등, 2022). 글루탐산은 신호전달물질로서 Ca+의 농도 변화 및 기공 개폐를 조절하여 작물의 광합성특성과 잎의 기능에 긍정적인 효과가 보고된 바 있다(Dinu 등, 2011; Lee 등, 2017; Lv 등, 2009; Yu 등, 2022). 본 실험에서 글루탐산 1, 2회차 처리에서 Glu169의 기공전도도가 무처리 대비 낮게 측정되었고(Fig. 3B), 반면 마늘의 기공전도도가 무처리 대비 낮음에도 불구하고, 광합성 속도는 증가하는 경향을 보였다(Fig. 3A-B). 이는 고농도의 글루탐산 처리시, 세포막의 GLR (glutamate receptor-like)통로가 과도하게 활성화되어 세포내 Ca+ 농도를 급격히 증가시키고, 이로 인해 기공보조세포(guard cell)의 삼투 조절에 영향을 주고 K+ 유출과 세포 수축을 유도하여 기공이 닫히고 기공전도도가 감소하게 된다는 연구보고(Kovaˇcevi´c 등, 2023)와 유사한 결과를 보였다. 또한 기공전도도가 낮은데도 광합성 속도가 높은 현상은 기공이 닫혀 CO2의 유입이 제한되더라도, 엽육 세포내 CO2 활용 효율이 증가하거나(Flexa 등, 2008), 글루탐산과 같은 아미노산 처리에 의한 PSII의 전자 전달의 효율 및 전자전달 향상(Baker, 2008), 수분 이용 효율(WUE) 향상(Medrano 등, 2002), 세포내 Ca+ 신호 및 항산화 시스템 활성화 유도에 의한 광손상(photoinhibition)의 감소(Anjum 등, 2011) 및 글루탐산에 의해 GLR통로가 자극되어 세포내 CO2 및 신호전달 증가로 RuBP carboxylase 활성과 엽록체 효율 증대(Qi 등, 2020)에 의해 발생할 수 있다는 연구가 보고되었다.
Fig. 2.
Changes in photosynthetic rate (Pn, A), stomatal conductance (Gs, B), intracellular CO2 concentration (Ci, C), and transpiration rate (Tr, D) of garlic as affected by treatment with different concentrations of glutamic acid (Glu) at 3 days after foliar application twice at 7-day intervals(1st, 2nd) under drought condition. Vertical bars represent the standard error of means from six replications. Different letters indicate significant differences determined by LSD (p < 0.05). Abbreviations: Con, control; Nt, no-treatnent; OI, optimal irrigation; DI, deficient irrigation.
본 연구에서는 건조 스트레스 조건에서 마늘의 글루탐산 엽면살포시 Glu80 처리구의 광합성 특성이 전반적으로 가장 높았으며, 이를 통해 글루탐산의 광합성 증진 효과를 확인하였다.
2. 항산화 효소 활성 변화
건조 스트레스 조건에서 글루탐산 엽면살포시 마늘의 항산화 효소 활성 변화를 측정하였다(Fig. 3). 건조 스트레스 조건에서 글루탐산 처리시 마늘의 항산화 효소 활성이 전반적으로 증가하였다. APX 활성은 글루탐산 1회 처리시 무처리 대비 14－30% 증가하였고, Glu 80mg·L-1과 Glu 169mg·L-1 처리가 현저하게 높았으나, 반면 2회차에서는 각 처리 간 차이를 보이지 않았다(Fig. 3A). CAT와 SOD 활성은 글루탐산 1회 처리에서 Glu80이 유의한 차이를 보이며 높았다(Fig. 3B-C). 반면 POD 활성은 2회차에서 Glu 10mg·L-1 처리가 가장 높았다(Fig. 3D). 전체적인 항산화 효소 활성은 Glu80 처리가 전체적으로 가장 높았다. 토양 수분 부족으로 인한 광합성 능력의 저하는 작물의 ROS의 생성을 증가시켜 산화스트레스를 유발하는데 이는 세포의 DNA, RNA, 단백질의 손상을 유발한다(Gill과 Tureja, 2010). 이러한 ROS에 의한 손상으로부터 작물을 보호하기 위하여 다양한 항산화 효소 활성이 증가하여 스트레스에 저항한다고 알려져 있다(Jan 등, 2019). 글루탐산의 경우 건조 스트레스 조건에서 배추(Haghighi 등, 2020)와 상추(Franzoni 등, 2021; Highighi, 2012)등의 작물에서 항산화 효소 활성의 증가가 보고되었는데, 본 실험에서 건조 스트레스 조건의 마늘에 글루탐산 처리시 항산화 효소 활성이 전반적으로 증가하였다(Fig. 3). 건조 스트레스 조건에서 마늘의 글루탐산 처리시 각 항산화 효소에 따라 다른 반응을 보여주고 있으며, 글루탐산 1회 처리시 효소활성이 증가하였으나 2회 처리에서는 감소하는 경향을 보였다(Fig. 3). 이는 항산화 효소 마다 각각의 기질 특이성, 작용 위치, 대사 연관성과 같은 반응 메커니즘에 따라 상이한 반응 양상을 보이는데, APX와 CAT, 및 SOD는 스트레스 초기에 증가하나, 시간이 더 경과하거나 스트레스가 심할 경우 활성이 감소하였고, POD는 시간이 경과함에 따라 증가한다는 연구 보고와 유사하였다(Jerčić 등, 2023; Kovaˇcevi´c 등, 2023; Zhou 등, 2023). 또한 장기적인 건조 스트레스는 과도한 ROS 축적에 따른 효소 단백질의 산화적 손상과 광합성 감소, 탄수화물 축적 감소, NADPH 생성 저하, 항산화 효소가 필요로 하는 금속 이온(Cu, Zn, Mn 등)의 공급 제한 등의 원인에 의해 감소한다고 보고되었다(Haghpanah, 2024; Laxa 등, 2019; Xu 등, 2020). 이와 반대로 POD는 세포외부에서 작용하고, 세포벽 강화, 페놀화합물 산화, 리그닌 생합성 등에 관여하며, H2O2와 페놀화합물을 기질로 사용하기 때문에 다른 항산화 효소 보다 늦은 활성을 보이는 것으로 알려졌다(Almagro 등, 2009; Hiraga 등, 2001; Mittler 등, 2004). 이러한 연구 결과를 통해 건조 스트레스 조건에서 글루탐산 처리는 항산화 효소 활성 변화를 통해서 산화스트레스를 완화시키는 것으로 사료된다.
Fig. 3.
Changes in ascorbate peroxidase (APX, A), catalase (CAT, B), peroxidase (POD, C), and superoxide dismutase (SOD, D) activity levels in garlic as affected by treatment with different concentrations of glutamic acid (Glu) at 3 days after foliar application twice at 7-day intervals(1st, 2nd) under drought condition. Vertical bars represent standard errors of the mean from nine replications. Different letters indicate significant differences determined by LSD (p < 0.05). Abbreviations: Con, control; Nt, no-treatnent; OI, optimal irrigation; DI, deficient irrigation.
3. 마늘의 MDA 및 근활력 변화
ROS 축적에 의한 배추의 피해 정도를 확인하기 위해 lipid peroxidation을 분석하였다(Fig. 4A). 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). 건조 스트레스 조건에서 마늘의 MDA 함량은 대조구 대비 증가하였는데, 이는 건조 처리로 인한 세포막의 손상을 나타낸다. 글루탐산 처리시 마늘의 MDA 함량이 무처리 대비 유의한 차이를 보이며 감소하였다. 반면에 2회 살포 후에는 처리 간 차이를 보이지 않았다(Fig. 4A). 건조 스트레스는 마늘과 양파의 세포내 ROS를 생성하고 이로 인해 Lipid peroxidation에 의한 세포손상으로 MDA의 함량을 증가시키며(Thangasamy 등, 2018), 건조 스트레스에 많이 노출될수록 지질 과산화의 정도가 증가하는 것으로 보고되었다(Anjum 등, 2011; Kovaˇcevi´c 등, 2023). 반면 글루탐산 처리시 항산화 효소 활성의 증가를 통해 지질 과산화가 낮아지고 MDA 함량이 감소하면서 산화스트레스를 완화한다는 연구가 보고되었다(Lee 등, 2021; Ma 등, 2022; Xu 등, 2020), 본 연구에서도 마늘의 MDA 함량 감소를 확인하였으며, 글루탐산이 건조 스트레스에 의한 세포 손상을 효과적으로 완화시키는 것으로 사료된다. 근활력 측정 결과 건조 스트레스 조건에서 글루탐산 처리시 근활력이 유의한 차이를 보이며 증가하였으며, 반응 후 18시간 후 가장 높은 활성을 보였고, 대조구와 차이가 없었다(Fig. 2B). 이를 통해 글루탐산의 처리가 마늘의 근활력에 긍정적인 영향을 준다는 것을 확인하였다.
Fig. 4.
Changes in malondialdehyde (MDA, A) contents and root activity (B) in garlic as affected by treatment with different concentrations of glutamic acid (Glu) at 3 days after foliar application twice at 7-day intervals(1st, 2nd) under drought condition. Vertical bars represent standard errors of the mean from nine replications. Different letters indicate significant differences determined by LSD (p < 0.05).
Abbreviations: Con, control; Nt, no-treatnent; OI, optimal irrigation; DI, deficient irrigation.
4. 생육 특성 변화
마늘 구의 특성을 조사한 결과는 Table 1과 같다. 마늘의 건조 스트레스 처리시 생육 특성이 대조구 대비 감소하였다. 반면에 글루탐산 처리시 Glu 80mg·L-1 처리는 구고 36.2mm, 구중 11.1g으로 유의하게 증가하였으나 이외의 구폭, 건구중 및 인편수는 처리 간 차이를 보이지 않았다. 마늘은 뿌리의 양이 적고 얕게 분포해 있어 토양수분 관리는 마늘의 수량에 영향을 주는 매우 중요한 요소이다(Brewster와 Rabinowitch, 1990). 수분 부족에 따른 마늘 외부의 수분 포텐셜이 낮아지면 세포의 생장은 현저하게 낮아지고 줄기와 뿌리 생장 지연으로 수량 감소를 초래한다(Jon과 Christopher, 1998). 이전 연구에서 양파, 마늘 등에 글루탐산 처리시 전반적인 생육이 전반적으로 증가한다고 보고 되었는데(Shafeek 등, 2012; Turfan, 2021; Turfan과 Turan, 2023), 본 연구에서는 건조 스트레스 조건에서 마늘의 Glu80 처리시 구중과 구고만 증가하였다(Table 1.).
Table 1.
Effects of glutamic acid (Glu) treatments on growth parameters of garlic exposure to drought condition.
| Irrigation treatmentz | Foliar application |
Bulb height (mm) |
Bulb diameter (mm) |
Bulb fresh weight (g) |
Bulb dry weight (g) | Clove no. |
| OI | H2O | 40.3ay | 28.6a | 13.3a | 3.26a | 6.4a |
| DI | H2O | 33.6cd | 24.8b | 8.5c | 2.26b | 5.6a |
| Glu 10mg·L-1 | 32.6d | 24.4b | 9.4bc | 2.34b | 5.8a | |
| Glu 80mg·L-1 | 36.2b | 26.6ab | 11.1ab | 2.92ab | 5.8a | |
| Glu 169mg·L-1 | 35.9bc | 27.0ab | 10.9abc | 2.87ab | 6.4a |
따라서 건조 스트레스 조건에서 글루탐산의 경엽처리는 마늘의 광합성 특성 향상과 항산화 효소 활성의 증가를 통해 산화스트레스를 효과적으로 완화하였고, 글루탐산 80mg·L-1 처리시 마늘의 구중이 증가하였으나, 글루탐산의 마늘 수량 증가에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
