서 론
재료 및 방법
1. 재배환경
2. 온실 내 CO2 시비 방법
3. 작물 생육조사
4. 작물 생체정보 조사
5. 데이터 수집 및 통계 분석
결과 및 고찰
1. 오전 CO2 처리구와 무처리구의 온실 환경 비교
2. 오전 CO2 시비에 따른 작물 생육 및 생체 반응 비교
3. 연속적인 CO2 시비에 따른 온실 환경
4. 연속적인 CO2 시비에 따른 작물 생육 및 생체 반응 비교
5. 연속적인 CO2 시비에 따른 토마토 생육과 생체반응 및 PIES의 상관관계
서 론
국내 토마토(Solanum lycopersicum)는 파프리카, 딸기, 오이 등과 같이 대표적인 시설원예 작물로 높은 재배면적과 생산량을 가지고 있으며(KOSIS, 2020), 무한생장을 하는 직립성 작물로 재배환경과 영양상태가 적합하면 연중 토마토 생산이 가능하다. 저온기 온실의 보온 스크린은 방열을 줄이기 위해 필요하고, 온실 내 환기로 인해 급격한 온도 변화를 줄이기 위해 측창 개폐를 최소화한다(Nam과 Shin, 2015). 이로 인해 온실 내 작물 광합성에 활용되는 CO2가 한정되어 광합성 속도가 감소할 수 있다. 따라서 온실 내CO2 시비는 겨울철 광합성 속도를 증가시키기 위한 방법으로 그 종류로 액화 CO2, 연소식 CO2, 고체 CO2, 드라이아이스 등을 이용해 온실에 CO2를 시비한다. 이 중에서도 액화 CO2 방식은 CO2 제어가 용이하고, 불순물이 없어 정확한 농도로 제어하고 싶은 대형 온실에서 주로 사용한다(Paek 등, 2020; Park 등, 2010).
CO2는 광합성 원료로 광에너지를 이용하여 식물체 내에서 물과 결합하여 포도당을 생성하는 데 사용된다(Makino과 Mae, 1999). 생성된 포도당은 식물체의 생명 유지에 필요한 에너지를 얻는 과정인 호흡에 사용되고, 또한 잎, 줄기, 뿌리와 같은 기관의 영양기관 생장과 꽃, 과실 형성과 같은 생식기관 생장에 사용된다(Heuvelink과 Marcelis, 1989). 이러한 이유로 광합성 속도를 향상시키기 위한 연구가 진행되었고, 광합성을 분석하기 위한 다양한 모델이 존재한다(Farquhar 등 1980; Kim과 Lee, 2001b).
작물은 병해충과 같은 다른 생물체 또는 온도, 수분, 염류과 같은 환경에 의해 스트레스를 받는다. 환경 스트레스로 인해 작물 내의 방어체계가 손상되면 병원균에 의한 감염이 더욱 쉽게 발생할 수 있다(Gaspar 등, 2002; Lee 등, 2020). 이러한 이유로 생물적 스트레스와 비생물적 스트레스가 동시에 발생하는 복합 스트레스는 작물에 매우 큰 피해를 입힐 수 있다(Yoo과 Sang, 2017). 작물은 스트레스를 받을 때 내부와 외부에서 변화가 나타나고, 이러한 식물의 변화는 온실 내 물리적 환경의 변화를 유추하는 데 활용될 수 있다. 식물의 광합성, 엽록소형광, 엽록소 함량 지수(SPAD) 등으로 작물의 비정상적인 생리 활동을 간헐적으로 감지할 수 있다(Jiang 등, 2017; Kim 등, 2004; Park 등, 2018b). 반면에 주기적으로 작물의 변화를 비파괴적으로 측정할 수 있는 기술로 plant-induced electrical signal(PIES), 수액흐름 속도, 영상 촬영 등을 이용해 작물의 생리적인 변화를 모니터링하는데 활용이 가능하다(De Swaef 등, 2012; Kim 등, 2020; Park 등, 2018a). PIES는 줄기의 수분, 이온함량에 따른 영향을 받기 때문에 작물의 수분과 염류 농도 변화와 관련이 있다. 식물의 변화를 모니터링할 수 있는 기술은 스트레스를 받는 시점을 파악하여 원인을 유추하는 데 도움이 되며, 활용 가능한 범위가 점점 늘어나고 있다.
작물의 스트레스는 누적되면 광합성 속도가 저하되고, 결국 작물의 생육 부진과 생산량 감소로 이어질 수 있다. 그러므로 일시적인 작물 스트레스 측정보다 환경 변화에 의한 토마토의 생체 반응을 모니터링할 수 있는 PIES를 통해 수치화하고자 한다. 따라서, 본 연구는 온실에서 재배되는 토마토에 CO2 시비를 하였을 때 엽록소 함량 지수, 엽록소 형광반응, 광합성속도, PIES 등의 생체반응과 작물의 생육을 조사하기 위해 수행되었다.
재료 및 방법
1. 재배환경
실험은 전라남도 무안군 목포대학교 부속농장 내 이중 PE 플라스틱하우스에서 진행되었다. 공시작물은 적색계 토마토 품종인 ‘대프니스’(Syngenta, Basel, Schweiz)를 사용하였다. 배지는 코이어 배지(Pelemix, Israel)를 사용하였고, 양액은 야마자키 토마토 배양액을 이용하여 생육단계에 따라 EC 2.5－3.0dS·m-1, pH 6.0을 기준으로 급액하였고 외부 일사량 기준으로 70J·cm-2당 100－150cc 관수하였다. 광합성 효율을 높이기 위해 토마토 하엽을 제거하였고, 적엽 기준은 색과 형태가 변화한 잎을 제거함으로써 재배자의 개입을 최소화하였다. 또한 온실 내 온도가 26℃ 이상이면 측창이 열리고, 20℃ 이하이면 측창이 닫히도록 제어하였다.
2. 온실 내 CO2 시비 방법
CO2 시비에 따른 작물의 반응을 모니터링하기 위해 CO2 시비구와 무처리구(대조구)로 처리하였고, CO2 시비를 위해 식음료용 액화탄산을 사용하였다. 실험은 조건을 다르게 설정하여 두 개의 실험을 수행하였다. 첫 번째 실험은 광합성이 이루어지는 오전에 한시적으로 시비를 하는 것으로 05시부터 11시까지로 시비하였다. 2023년 3월 26일에 정식을 하고, 4월 14일에 CO2 시비를 하였고, 정식 후 54일인 날부터 3일간 생체 정보와 생육 조사를 진행하였다. 두 번째 실험은 연속 CO2 시비구는 400μmol·mol-1이하에서 시비를 하고, 500μmol·mol-1 이상에서 시비를 정지하여 무처리구인 대조구보다 항상 CO2 농도가 높은 상태에 노출하여 토마토 생체정보를 모니터링하였으며 2023년 5월 10일에 정식을 하였고, 6월 1일부터 CO2시비를 하였고, 정식후 42일부터 7일간 작물 반응을 모니터링하였다. 온실 내 CO2 농도는 CO2 측정기(T7001, Telaire, PA, USA)을 이용해 측정하여 데이터 로거(CR1000x, Campbell Sci., UT, USA)에 기록하였다.
3. 작물 생육조사
하우스 내부 상황에 의한 토마토 재배와 실험 종료에 맞춰 작물의 생육 정도를 조사하였다. 생육조사 항목으로는 초장, 경직경, 엽수, 열매수, 엽면적, 생체중, 건물중을 조사하였다. 초장은 지제부부터 생장점까지의 길이를 측정하였고, 경직경은 최상위 화방의 아래 마디에서 가장 굵은 부분을 측정하였다. 엽수는 위에서 첫 번째 화방 아래의 잎을 대상으로 셈하였고 엽면적은 개체에서 나온 잎을 엽면적측정기(LI-3100C, Li-Cor Inc, Nebraska, USA)을 이용해 구하였다. 생체중은 전자저울(IB-3100, InnoTem, Yangju, Korea)통해 잎과 줄기의 무게를 측정하였으며, 건물중은 생체중을 구한 잎과 줄기를 70℃로 설정한 강제대류식 건조기(JSOF-250T, JSR, Gongju, Korea)에서 3일 이상 건조 후 측정하였다.
4. 작물 생체정보 조사
탄산가스 처리가 작물 반응에 미치는 영향을 조사하기 위해 PIES, 광합성속도, 엽록소 형광반응, 엽록소 함량 지수를 측정하였다. PIES는 유관속을 전기가 통하는 전도체라 가정하였을 때 일정 주파수를 흘려 구한 임피던스 값으로 Junsmeter II(Prumbio, Suwon, Korea)을 이용해 측정하였다. 측정한 값은 아래의 식을 이용해 전기전도도로 변환하여 사용하였다(Cha 등, 2020). Eq. 1은 유관속 저항(R, Ω)이며, 토마토 줄기의 지름(D, mm), 삽입된 바늘의 길이(L, mm), 바늘의 지름(d, mm), 그리고 상수(k)를 이용하였다(Kim 등, 2023).
광합성속도는 휴대용 광합성 측정기(LI-6800, Li-Cor Inc., NE, USA)를 이용하여 무처리구와 경상적 CO2 시비구를 조사하였다. 다른 환경에서 자란 개체의 광합성속도 차이를 파악하기 위해 CO2 농도를 제외한 다른 항목은 동일하게 설정하였다. 챔버 내 환경은 유동량 600μmol·s-1, 엽온 25℃, 상대습도 55%, CO2 400μmol·mol-1, 광합성유효광량자속 밀도는 1,500μmol·m-2·s-1으로 설정하였고 A-Ci curve를 구하기 위해 CO2 농도를 조절하며 측정하였다(Park 등, 2016). 엽록소 형광은 광계에서 흡수한 광 중 흡수하지 않고 방출되는 형광을 측정하는 것으로 정상적인 개체에서는 극히 일부의 형광 방출하지만 작물이 스트레스를 받거나 생육 반응이 낮을 때는 많은 양의 빛을 방출하는 원리로 휴대용 엽록소 형광반응 측정기(FP100, PSI, Drásov, Czech Republic)를 이용해 측정하였다(Al-aghabary 등, 2005; Zribi 등, 2009). 엽록소 함량 지수는 비파괴 엽록소 측정기(SPAD-502 PLUS, Konica Minolta, Tokyo, Japan)를 이용해 측정하였으며, 엽록소가 높아지면 잎의 질소 함량이 증가하는 원리를 이용하여 잎의 녹색의 정도를 측정하는 기기이다(Fontes과 de Araujo, 2006; Jiang 등, 2017).
5. 데이터 수집 및 통계 분석
작물 생육에 관한 통계분석과 상관분석은 오픈소스 프로그래밍 프로그램인 R software(4.2.3, R Foundation)을 사용하였고 회귀분석과 그래프 작성은 시그마 플롯(Sigmaplot 14.5, SYSTAT, California, USA)을 사용하였다.
결과 및 고찰
1. 오전 CO2 처리구와 무처리구의 온실 환경 비교
실험 기간 동안 온실 내 온도와 CO2 농도를 조사한 그래프(Fig. 1)이다. 온도는 야간온도는 약 18℃, 주간온도는 약 30℃로 두 처리 간 차이를 보이지 않았다. 온실의 전기온풍기의 난방개시온도를 18℃로 설정하였기 때문에 야간에 18℃를 유지할 수 있었고 주간에는 태양 복사열의 영향을 받아 온도가 상승하였다(Jeon 등, 2022).
온실 내 CO2 농도는 시비가 이루어지는 05시부터 11시까지는 큰 차이를 보였지만, 이외의 시간에는 처리간 CO2 농도 차이가 없었다. 야간에는 온실의 측창을 닫아 놓아 기체교환이 거의 이루어지지 않으면서 작물은 호흡을 통해 생명 활동을 유지하기 때문에 해가 뜨기 전까지 꾸준히 상승하였다. 일출 후의 무처리 구는 탄소동화작용으로 인해 온실 내 CO2 농도가 감소하였고 측창 개방 이후 400ppm을 유지하다 측창 폐쇄 이후 다시 상승하는 양상을 반복하였다. CO2 처리구는 05시부터 CO2 시비를 하였기 때문에 광합성이 가장 활발한 일출 후 2－3시간 동안 온실 내 환경의 급격한 변화를 최소화할 수 있었다(Hicklenton과 Jolliffe, 1978).
2. 오전 CO2 시비에 따른 작물 생육 및 생체 반응 비교
실험처리에 따른 작물의 생육을 비교하였을 때, 육안상으로 잎의 풍성함과 줄기 굵기가 차이가 나타났다(Fig. 2). 생육조사 결과 모든 조사항목에서 CO2 시비구가 무처리구보다 좋은 생육을 보였다(Table 1). t-test 결과 줄기 직경을 제외한 다른 항목 중 엽면적과 생체중은 유의한 차이를 보여 초장, 엽수, 열매수, 건물중은 유의한 차이가 나타나 일출 후 CO2 시비가 작물 생육에 유의미한 효과 있는 것을 알 수 있었다.
Table 1.
Effect of CO2 enrichment in the morning on the growth of tomato.
| Treatment |
Plant height (cm) |
Stem diameter (mm) |
Number of leaves |
Number of fruits |
Leaf area (cm2) |
Fresh weight (g) |
Dry weight (g) |
| Control | 207.1±9.8 | 5.9±0.5 | 12.3±0.9 | 8.7±1.8 | 2995±359 | 648.8±65.1 | 146.6±11.5 |
| CO2 enrichment | 256.3±2.9 | 6.2±2.0 | 15.8±0.5 | 19.0±1.2 | 6786±203 | 1136.5±47.8 | 201.2±1.2 |
| Significance | * | ns | * | * | ** | ** | * |
PIES는 작물 내 줄기 내부의 전기전도도를 수치화한 값으로 CO2 시비구에서 높은 수치를 가졌다(Fig. 3). 이는 CO2 시비로 인한 작물의 생장이 수치에 영향을 미친 것으로 보인다. 하루 중 PIES의 변화를 보면 온도가 높아짐에 따라 PIES도 상승했는데, 이는 기온 상승에 의해 PIES와 연관성이 높은 증산량이 증가했기 때문으로 보인다(Park 등, 2019). 첫 번째 실험에서 CO2 시비가 작물의 빠른 생장을 가능케 한다는 결과가 나왔지만, PIES의 변화가 단순 CO2 시비에 의한 영향이라 보기 어렵다고 판단하여 정확한 원인을 구명하기 위해 항상 높은 CO2 농도를 유지하였을 때 토마토 생체반응을 측정하는 실험을 수행하였다.
3. 연속적인 CO2 시비에 따른 온실 환경
두 번째 실험은 하루 중 특정 시간이 아닌 항시 높은 농도를 유지하였을 때 토마토의 반응을 조사하였다. 다음 그래프(Fig. 4)는 항시 처리구와 대조구 간의 온실 내 온도와 농도를 조사한 그래프이다. 온실 내 온도는 주간에 약간 다르지만 거의 유사한 변화를 보였다. 온실 내 CO2 변화는 첫 번째 실험과 같이 야간에 증가하고 주간에 감소하는 양상을 반복하였다.
4. 연속적인 CO2 시비에 따른 작물 생육 및 생체 반응 비교
항시적으로 CO2 시비하였을 때 토마토의 생육은 실험처리구에서 줄기 굵기와 잎과 같은 영양생장 향상에 효과가 있음(Fig. 5)을 알 수 있었다(Lee 등, 2008). 생육조사 결과 모든 조사항목에서 CO2 처리구가 높은 생장을 한 것을 알 수 있었다(Table 2). 건물중의 차이에서 CO2 시비가 실질적인 바이오매스 향상에 많은 영향이 있음을 알 수 있었다(Heuvelink, 1999). 두 처리구의 평균을 비교하기 위해 실시한 t-test 모든 항목에서 시비구에서 영양생장이 촉진된 것을 알 수 있었고, 과실수를 제외한 나머지 항목에 유의한 차이를 보였다.
Table 2.
Effect of continuous CO2 enrichment on the growth of tomato.
| Treatment |
Plant height (cm) |
Stem diameter (mm) |
Number of leaves |
Number of fruits |
Leaf area (cm2) |
Fresh weight (g) |
Dry weight (g) |
| Control | 136.3±1.9 | 7.38±0.61 | 9.67±0.33 | 5±0.58 | 2424±239 | 292.7±3.1 | 86.5±0.9 |
| CO2 enrichment | 164.7±1.7 | 10.12±0.74 | 11.67±0.33 | 7±0.58 | 3428±184 | 503.2±5 | 101.6±2.7 |
| Significance | *** | * | * | ns | * | *** | * |
Fig. 6은 처리에 따른 PIES의 변화를 나타낸 그래프이다. 대조구와 CO2 시비구는 약 5－15mS·m-1의 차이가 있었다. 같은 시기의 온실 내 환경을 보면 온도 변화와 PIES가 유사한 변화 경향을 보인 것을 알 수 있었다(Cha 등, 2020; Park 등, 2019; Park, 2020). 항상 높은 CO2 농도는 PIES 간의 높은 연관성을 가진 것처럼 보인다. 하지만 Fig. 1과 Fig. 3의 그래프를 참고하였을 때 CO2가 하루 중 한정된 시간에만 시비가 되어도 CO2 시비구에서 높은 PIES를 유지한 것을 보면 CO2 농도와 PIES의 간의 직접적인 연관성이 낮음을 알 수 있었다(Kim 등, 2023).
Fig. 7은 실험처리를 한 토마토의 광합성 속도를 측정한 그래프이다. 챔버 내 CO2 농도를 조절하였을 때 산출 광합성 속도와 엽육 내 CO2 농도를 비교한 것으로 200µmol·mol-1이하의 저농도에서는 두 처리가 비슷한 경향을 보였지만 600µmol·mol-1 이상의 높은 농도에서는 CO2 시비한 처리구에서 더 빠른 광합성속도를 가진 것을 알 수 있었다(Kim과 Lee, 2001a). 최대 광합성 속도는 무처리구는 약 27.50µmol·m-2·s-1이고 시비구는 약 31.15µmol·m-2·s-1로 약 4µmol·m-2·s-1의 차이가 났다. 측정 시 환경과 날씨에 영향을 많이 받는 광합성 측정 특성상 유의한 수치 차이는 아닌 것으로 보인다(Kaiser 등, 2015). 그러므로 CO2 시비가 광합성 속도 증가에 영향을 주지 않지만 일출 후 광합성이 가장 활발한 시기에 충분한 탄소를 공급해 줌으로써 작물의 원활한 생장을 도모할 수 있던 것으로 보인다(Körner 등, 2009).
작물의 생장점 기준 5번째 잎을 대상으로 엽록소 형광과 엽록소 함량 지수를 측정하였다(Table 3). 토마토 잎의 엽록소 형광은 0.81 이상의 형광 수치가 측정되었을 때 정상적인 개체라고 하며 그 이하의 수치가 관찰되면 많은 형광이 방출되는 것으로 작물이 스트레스를 받거나 생육 반응이 낮다는 것을 유추할 수 있다(Mishra 등, 2012; Zribi 등, 2009). 엽록소 형광 측정 결과 두 처리 모두 약 0.84로 높은 수치를 가지고 있어 정상적인 생육을 하는 개체임을 알 수 있었다(Al-aghabary 등, 2005). 엽록소 함량 지수(SPAD)에 관한 선행연구를 보면 토마토 잎은 40－60 사이의 수준이다. 측정 결과 두 처리 모두 해당 범위에 속하였지만, 대조구에서 더 낮은 엽록소 함량 지수를 보였다(Jiang 등, 2017).
Table 3.
Effect of continuous CO2 enrichment on the tomato physiological information.
| Treatment | PIES (mS·m-1) | Fv/Fm | SPAD |
Amax (µmol·m-2·s-1) |
| Control | 32.31±5.41 | 0.841±0.007 | 51.69±8.30 | 27.50 |
| CO2 enrichment | 39.18±3.93 | 0.848±0.001 | 58.77±1.59 | 31.15 |
5. 연속적인 CO2 시비에 따른 토마토 생육과 생체반응 및 PIES의 상관관계
Table 4는 토마토 생체반응과 PIES 간 상관분석 결과이다. 생육조사 항목과 PIES의 상관분석 결과 초장, 줄기 직경, 잎수, 엽면적, 생체중과 같이 작물의 영양생장과 관련된 항목에서 높은 양의 상관관계를 보였다. 그리고 생체반응과 PIES의 상관분석 결과 광합성 속도에서 높은 상관계수를 가졌다. 선행연구에서 PIES는 수분흡수와 관련이 높다는 결과와 비교하면(Park 등, 2018a), CO2 시비구의 높은 엽수와 엽면적은 증산량을 증가시켜 근권부의 수분 흡수를 높인 것으로 보인다. 하지만 증산량과 관련이 높은 기공전도도에서 낮은 상관계수가 나타났는데, 개별 잎의 증산량이 아닌 총 증산량이 수분 흡수와 연관성이 있기 때문이다.
Table 4.
Correlation analysis between PIES, growth, and vital response due to CO2 treatment of tomato.
| Treatment |
Plant height |
Stem diameter |
Number of leaves |
Number of fruits |
Leaf area |
Fresh weight |
Dry weight | Amax |
Stomatal conductance | Fv/Fm | SPAD |
| PIES | 0.704* | 0.753* | 0.758* | 0.460 | 0.826* | 0.801* | 0.563 | 0.878* | 0.636 | 0.553 | 0.218 |
요컨대 CO2 시비가 토마토 총광합성량을 증가시키고, 그로 인해 생산된 광합성 동화산물은 잎과 줄기의 생장에 활용되어 토마토 생체량 증가에 사용되었고, 높아진 엽면적은 증산량을 증가시켜 뿌리에서 더 많은 물을 흡수하여 PIES에 영향을 미친 것으로 보인다. 따라서 PIES 기술을 활용하여 온실 내에서 환경이나 영양의 불균형에 의한 작물의 변화 모니터링과 작물 스트레스 정도의 수치화가 가능하다.
