서 론

당귀는 산형과(Umbelliferae) 당귀 속(Angelica)에 속한 3년생 초본식물로 동북아시아 지역에서 약용작물로써 널리 이용되고 있으며, 참당귀(Angelica gigas Nakai), 일당귀[A. acutiloba (Siebold & Zucc.) Kitagawa], 중국당귀[A. sinensis (Oliv.) Diels]가 주로 재배된다. 한국에서는 참당귀와 일당귀가 주로 재배되며, 참당귀는 산지의 습윤한 계곡에 자생하는 한반도 자생종으로 2023년 기준 국내 당귀 생산량의 83%를 차지하고 있다(MAFRA, 2024; RDA, 2018). 참당귀는 보혈과 혈액순환 효과가 뛰어나 빈혈 증상 완화, 월경 조절 등의 용도로 활용되며(Sung 등, 2004), 주요 성분인 decursin과 decursinol angelate는 항산화, 진통, 항암 등의 효능을 지닌 것으로 보고되었다(He 등, 2023; Jo 등, 2024).

관행적인 참당귀 재배는 노지 및 온상육묘 이식재배와 봄∙가을 직파재배 등 다양한 재배전략이 이용되고 있으나, 뿌리 수확을 목적으로 하였을 때 2년가량의 긴 재배기간이 소요된다(RDA, 2018). 최근 도입된 참당귀 플러그 묘 이식재배 기술은 플러그 트레이에서 재배된 균일한 규격묘를 이용하여 관행재배 대비 재배기간을 단축시키고 연평균 수량 증대 및 품질 균일화를 기대할 수 있다(Lee 등, 2024). 참당귀의 육묘 이식재배는 4월 초에서 중순 사이 봄철에 포장에 이식하는데, 플러그 묘를 생산할 경우 1－2월 중 종자를 파종하는 겨울철 시설재배가 요구된다(RDA, 2018). 한국의 겨울은 일조시간이 짧아 일조량이 적고 온도가 낮기에(Yoon 등, 2021) 충실한 묘를 생산하기 어렵다. 인공광 이용형 식물공장(plant factory with an artificial lighting system, PFAL)은 밀폐된 환경에서 인위적으로 내부 환경을 제어하여 작물을 재배하는 시설로, PFAL을 이용한다면 겨울철 참당귀 우량묘 생산에 효과적일 것으로 기대된다(Kozai, 2020).

밀폐된 시설인 PFAL 내부는 광합성 과정에서 공기 중에 한정된 이산화탄소(carbon dioxide, CO₂)를 소비하기에 탄산시비를 통해 PFAL 내 CO₂를 보충하는 재배전략이 사용된다(Huber 등, 2021; Kozai, 2022). 재배공간의 CO₂ 농도를 높여줄 경우 잎과 공기 간 가스 교환과 탄소 고정률이 향상되어 동화산물 축적 및 엽면적이 증가하는 등 형태생리적 변화가 나타나며, CO₂ 농도에 따른 반응은 작물에 따라 차이를 보인다(Cure, 1986; Koo 등, 2024; Nederhoff 등, 1992). 하지만 CO₂ 농도 증가에 비례하여 광합성은 계속 일정하게 증가하는 것이 아니라 점차 증가율이 감소하고, 일정 농도 이상 CO₂ 조건에서는 기공이 닫혀 증산작용이 감소하며 식물체내 온도가 상승해 엽소 현상이 관측되기도 한다(Lee 등, 2022; Park 등, 2014). 따라서 시설 내 CO₂ 시비 시 각 작목의 생육 촉진에 적합한 CO₂ 농도 조사가 요구된다. 고농도 CO₂ 조건은 참당귀 플러그 묘의 캐노피 형성, 광합성 색소 함량 등 형태생리적 특성 변화를 동반할 것으로 추정된다. 그러나 CO₂ 농도에 따른 참당귀 플러그 묘의 형태생리적 변화 양상에 대한 연구는 부족한 실정이다.

본 연구는 CO₂ 농도 조절이 가능한 PFAL에서 육묘기간 동안 참당귀의 형태생리적 변화를 중점적으로 분석하고 평가하여 참당귀 플러그 묘의 생육 최적화를 위한 기초 데이터를 제공하는 것을 목표로 수행되었다.

재료 및 방법

1. 실험재료

본 연구에 사용된 참당귀(Angelica gigas Nakai) 종자는 강원도 평창군에 위치한 재래종 참당귀 생산 농가에서 2020년 9월에 채종하였으며, 정선 후 4°C에 냉장 보관하였다가 꺼내어 실험에 이용하였다. 종자의 내재된 휴면을 타파하고 균일한 발아를 위해 Park 등(2023)의 방법에 따라 파종 전 48시간 동안 흐르는 물에 침종하고 젖은 거즈로 감싼 후 4°C에서 2주간 저온처리하였다. 그리고 파종 전 45℃ 항온수조(MSB-1511D, MonoTech Co. Ltd., Daegu, Korea)에서 15분간 온탕침지하여 종자를 소독하고 수돗물에 10분간 냉침하였다. 전처리 후 2024년 9월 6일에 원예용 상토(Plantworld, Nongwoobio Co. Ltd., Suwon, Korea)를 충진한 72구 트레이(35mL/cell, Bumnong Co. Ltd., Jeongeup, Korea)에 셀 당 1립씩 종자를 파종하였다.

2. CO₂ 농도 조절 및 육묘환경

실험은 CO₂ 처리구역을 구분하기 위해 3개의 PFAL (C1200H3, FC Poibe Co. Ltd., Seoul, Korea)에서 수행되었으며, 액화 탄산가스탱크를 연결하여 각 PFAL 내부 CO₂농도를 조절하였다. 각 PFAL의 CO₂ 농도는 3가지 처리로 무처리구(ambient)와 800μmol∙mol^-1 (high concentration, HC), 그리고 1,200μmol∙mol^-1 (very high concentration, VHC)을 목표로 하였다. 실험 중 CO₂ 로거(TR-76Ui, T&D Co. Ltd., Matsumoto, Japan)를 이용해 측정한 각 PFAL 내 평균 CO₂ 농도는 ambient (475 ± 40μmol∙mol^-1), HC (758 ± 29μmol∙mol^-1), 그리고 VHC (1,197 ± 37μmol∙mol^-1)였다(Fig. 1). PFAL 내부 환경은 기온 22/19°C(명기/암기), 상대습도 40%, 광주기 12/12시간, 광원 RGB LEDs (ES LEDs Co. Ltd., Seoul, Korea), 광질 red:green:blue = 7:1:2, 광도 250μmol∙m^-2∙s^-1로 설정하였다. 실험은 4반복 완전임의배치법으로 설계되었고 각 트레이를 하나의 플롯으로 설정하였다. 실험 중 관수는 다용도 액비[(CaNO₃)₂·4H₂O 472.0mg·L^-1, KNO₃ 202.0mg·L^-1, KH₂PO₄ 272.0mg·L^-1, NH₄NO₃ 80.0mg·L^-1, MgSO₄·7H₂O 246.0mg·L^-1, Fe-EDTA 15.0mg·L^-1, H₃BO₃ 1.4mg·L^-1, MnSO₄·4H₂O 2.1 mg·L^-1, ZnSO₄·7H₂O 0.8mg·L^-1, CuSO₄·5H₂O 0.2mg·L^-1, and Na₂MoO₄·2H₂O 0.1mg·L^-1]를 조제하여 저면관수하였다. 세부적으로는 파종 후 7일까지는 수돗물을 관수하였고, 이후 14일까지는 조제한 액비의 EC를 0.6dS·m^-1, 15－21일차에는 0.8dS·m^-1, 22－28일차에는 1.0dS·m^-1, 이후 1.2dS·m^-1로 단계적으로 조정하여 2일 간격으로 관수하였다.

Fig. 1.

Changes in the CO₂ concentration at 20 days post-sowing in the plant factory with artificial lighting systems. HC represents high concentration (800 μmol∙mol^-1) and VHC represents very high concentration (1,200 μmol∙mol^-1).

3. 형태학적 변화 측정

CO₂ 농도와 육묘기간에 따른 참당귀 묘의 형태학적 변화 및 동화산물 축적 수준을 파악하고자 파종 후 40, 50, 및 60일차에 엽병장, 엽수, 관부직경, 뿌리직경, 엽면적, 근단 수, 근권부 부피, 그리고 잎, 줄기, 뿌리의 개별 건물중을 측정하였다. 각 조사항목은 트레이 당 3개체씩 4반복으로 균일한 묘를 선발하여 측정하였다. 엽병장은 관부에서 잎자루 끝까지 길이를 측정하였고, 엽수는 자엽을 제외한 1cm 이상의 본엽 개수를 세었다. 관부와 뿌리직경은 버니어 캘리퍼스(CD-20CPX, Mitutoyo Co. Ltd., Kawasaki, Japan)를 사용해 가장 두꺼운 부분을 측정하였다. 엽면적은 엽면적 측정기(LI-3000, LI-COR Inc., Lincoln, NE, USA)로 측정하였다. 깨끗이 세척한 뿌리를 스캐너(Epson Expression 12000XL, EPSON Co. Ltd., Nagano, Japan)로 스캔한 뒤, 뿌리 이미지 분석 시스템(WinRhizo Pro 2020, Regent Instruments Inc., Sainte-Foy, QC, Canada)을 이용해 근단 수와 근권부 부피를 측정하였다. 건물중은 70°C 항온 건조기(Venticell-222, MMM Medcenter Einrichtungen GmbH, Munich, Germany)에서 72시간 동안 건조 후 전자저울(WBA-220, Witeg Labortechnik GmbH, Wertheim, Germany)로 무게를 측정하였다.

육묘기간에 따른 플러그 묘의 정식 편의성을 고려하기 위해 파종 후 40, 50, 및 60일차에 트레이에서 묘를 뽑아 묘의 뿌리돌림을 평가하였다. 각 플러그 묘의 뿌리돌림 수준은 3단계로 분류되었다(Fig. 2). 1단계: 뿌리 발달이 미비하여 뿌리돌림이 형성되지 않음. 2단계: 뿌리돌림이 약하게 형성됨, 3단계, 뿌리돌림이 완전히 형성되어 트레이에서 쉽게 뽑힘.

Fig. 2.

Classification of root ball formation stages in Korean angelica seedlings. (A) stage 1, the unformed due to a lack of root development; (B) stage 2, the weakly formed; and (C) 3, the fully formed and easily pulled out from the tray.

지상부의 생육 및 캐노피 양상을 확인하고자 엽면적 지수(leaf area index, LAI)와 비엽중(specific leaf weight, SLW)을 아래의 계산식을 통해 산출하였다(Beadle, 1993).

Leaf area index cm2·m-2= leaf area cm2 ground area m2

Specific leaf area mg·cm-2= leaf dry weight (mg) leaf area cm2

4. 광합성 색소 함량 측정

참당귀 묘의 형태에 따른 엽록소 함량 변화를 확인하고자 Sun 등(2021)의 방법을 수정하여 파종 후 40, 50, 및 60일차에 엽록소 a, b 및 총 엽록소 함량을 측정하였다. 잎 시료는 트레이 당 2개체씩 4반복으로 0.1g씩 채취하였다. 잎 시료는 7mL 80% 아세톤에서 색소를 추출하고 분광광도계(Libra-S22, Biochorm Co. London, UK)를 사용해 663nm와 645nm에서 흡광도를 측정하고 아래의 계산식으로 엽록소 함량을 계산하였다.

Chlorophylla mg·g-1FW=12.71A663-2.59A645V/W

Chlorophyllb(mg·g-1FW)=[(22.88A645-4.67A663)V]/W

Totalchlorophyll(mg·g-1FW)=[(20.29A645-8.04A663)V]/W

A_n: n파장에서 측정한 흡광도, FW: 잎의 생체중, V: 80% 아세톤으로 추출한 색소 추출물의 최종 부피, W: 잎의 생체중

5. 통계분석

통계분석은 SAS 프로그램(SAS 9.4, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)을 이용하였으며, 분산분석(ANOVA) 및 Tukey’s range test로 p ≤ 0.05수준에서 평균 간 유의적 차이를 검정하였다. 그리고 파종 후 50일차와 60일차 참당귀 묘의 비엽중 변화를 확인하기 위해 paired t-test로 통계적 유의성을 검정하였다. 본문 내 그래프는 SigmaPlot 12.5 (Systat Software Inc., San Jose, CA, USA)을 이용해 작성하였고 CO₂ 농도에 따른 파종 50일차와 60일차 간 참당귀 묘의 지상부 지표 간 연관관계를 시각적으로 명료하게 확인하고자 R (v. 4.2.2, R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria)을 이용해 heat map을 작성하였다.

결과 및 고찰

1. CO₂ 농도에 따른 참당귀 묘의 생육

참당귀 묘를 다양한 CO₂ 농도 환경에서 육묘한 결과, 높은 CO₂ 농도에서 생육이 활발하였다(Fig. 3). 파종 후 40일차 지상부 생육은 ambient와 처리구 간에 통계적으로 유의한 차이가 없었으나(Table 1), 50일차에는 HC와 VHC에서 ambient에 비해 관부직경이 각각 13.1%, 13.8% 두꺼웠고, 뿌리의 건물중은 44.2%, 49.0% 무거웠다(Table 2). 식물의 발달 지표인 엽수와 잎과 줄기의 건물중은 PFAL 내 CO₂ 농도가 상승함에 따라 증가하는 경향을 보였다. 60일차에는 ambient 대비 HC와 VHC의 엽병이 각각 26.8, 31.0% 길고 엽면적이 27.8, 34.5% 넓었으며, 관부직경은 CO₂ 농도가 증가함에 따라 점진적으로 두꺼워지는 경향을 보였다(Table 3). 잎과 뿌리의 건물중은 CO₂ 처리 시 유의적으로 무거운 경향을 보였으나 HC와 VHC 사이에는 유의한 차이가 없었다. 줄기 건물중의 경우 ambient 및 각 처리 간 통계적인 유의성을 확인하였고, HC와 VHC 간에도 21.8% 차이가 확인되었다.

Fig. 3.

Growth of Korean angelica seedlings as affected by different CO₂ concentration conditions 40, 50, and 60 days after sowing.

육묘기간에 따른 참당귀 묘의 뿌리돌림 단계의 평균값 비교 결과, 파종 후 40일차에는 처리 간 유의한 차이를 확인할 수 없었으며, 50일차에 ambient에 비해 HC와 VHC에서 플러그 트레이 내 뿌리 확장이 활발하여 뿌리돌림이 3단계로 관측되었다(Fig. 4A). 파종 후 60일차에는 처리 유무와 관계없이 뿌리가 충분히 발달하여 모든 개체의 뿌리돌림이 3단계로 동일하였다. 뿌리직경과 근권부 부피는 CO₂ 처리 시 유의적으로 향상되어 파종 후 50일차에 ambient 대비 각각 13.0%, 16.0% 증가하였고, 60일차에는 CO₂ 농도가 높아질수록 증가하는 경향이었다(Figs. 4B와 C). 근단 수는 ambient와 CO₂처리구 간 유의한 차이를 확인할 수 없었다(Fig. 4D). 또한 뿌리 발달 측면에서 HC와 VHC간에는 통계적으로 유의적인 차이가 없었다.

Fig. 4.

Root morphology characteristics of Korean angelica seedlings as affected by different CO₂ concentration conditions at 40, 50, and 60 days after sowing. Vertical bars represent standard errors (n = 4). Different lowercase letters indicate significant differences based on Tukey’s range test at p ≤ 0.05. HC represents high concentration (800 μmol·mol^-1) and VHC represents very high concentration (1,200 μmol·mol^-1).

광합성에 관여하는 환경적 요인은 광, 온도, CO₂, 수분 등이 존재하며, CO₂는 광과 서로 간에 최소율의 법칙이 적용되는 대표적인 요인이다(Kim과 Lee, 2001). 이는 둘 중 하나의 요인이 부족하면 다른 요인을 추가로 공급하더라도 부족한 요인의 한계치 이상으로 광합성 수준이 증가하지 않는다는 것을 의미한다. Park 등(2014)은 광도가 400 μmol∙m^-2∙s^-1일 때 참당귀의 CO₂ 포화점이 800－1,600μmol∙mol^-1사이에 존재하며, 포화점 주변 구간에서는 CO₂ 시비에 따른 광합성 증가 효율이 감소한다고 보고하였다. 이는 본 연구에서 파종 후 50일차까지 HC와 VHC 간에 건물중 지표에서 유의한 차이가 없던 결과와 유사하며, 파종 후 60일차에도 줄기 건물중을 제외한 지표에서는 CO₂ 처리구 간에 차이를 확인할 수 없었다. 식물의 관부는 생장점이 위치하여 동화산물이 집적되는 기관으로 관부의 두께와 건물중은 광합성 증진에 따른 동화산물이 축적되는 경향을 확인하기에 적합하다(Macías-Rodríguez 등, 2002). 따라서 파종 후 60일차에 확인된 CO₂ 농도 증가에 따른 관부직경과 줄기 건물중 변화 양상에서 800－1,200 μmol∙mol^-1의 CO₂ 농도가 참당귀 묘의 생육 촉진에 적합하다는 것을 유추할 수 있다. 그리고 파종 후 50일차에 HC와 VHC가 동일하게 뿌리돌림이 3단계로 뿌리가 충분히 발달한 묘를 확보한 것을 고려하였을 때 적정 CO₂ 농도는 800μmol∙mol^-1로 판단된다.

2. CO₂ 농도에 따른 참당귀 묘의 지상부 형태생리적 특성

지상부 형태적 측면에서는 파종 후 60일차에 CO₂ 농도가 높은 HC와 VHC에서 옆면적지수가 ambient에 비해 유의적으로 높아 단위면적 당 엽면적이 넓은 경향이었다(Fig. 5). 엽면적 확장에 따른 잎의 변화를 확인하고자 paired t-test를 통해 VHC에서 파종 후 50일과 60일 사이에 잎의 두께를 나타내는 지표인 비엽중이 감소한 것을 확인하였다(p ≤ 0.05, Fig. 6). 생리적 측면에서 잎의 광합성 색소인 엽록소 a, b와 총 엽록소 함량을 조사한 결과, 파종 후 40일과 50일차에는 처리 간에 유의한 차이가 없었으나 60일차에 VHC 참당귀 묘의 엽록소 a 및 총 엽록소 함량이 ambient와 HC에 비해 유의적으로 감소하였고, 엽록소 b의 경우 CO₂ 농도가 증가할수록 감소하는 경향이었다(Fig. 7). 파종 후 50－60일 사이에 관측된 캐노피 형성 및 생리적 변화를 시각적으로 명료하게 확인하고자 heat map을 작성하여 나타내었다(Fig. 8).

Fig. 5.

Leaf area index of Korean angelica seedlings as affected by different CO₂ concentration conditions at 40, 50, and 60 days after sowing. Vertical bars represent standard errors (n = 4). Different lowercase letters above the error bars represent significant differences based on Tukey’s range test at p ≤ 0.05. HC represents high concentration (800 μmol·mol^-1) and VHC represents very high concentration (1,200 μmol·mol^-1).

Fig. 6.

Changes in specific leaf weight of Korean angelica seedlings as affected by different CO₂ concentration conditions at 50 and 60 days after sowing. Vertical bars represent standard errors (n = 4). ns, *: Non-significant or significant at p ≤ 0.05, respectively, by paired t-test. HC represents high concentration (800 μmol·mol^-1) and VHC represents very high concentration (1,200 μmol·mol^-1).

식물의 광합성 수준은 대기 중의 CO₂ 농도와 밀접한 관계가 있으며, 고농도의 CO₂는 광합성 암반응 과정에서 Rubisco의 작용을 활발하게 하여 CO₂ 고정이 촉진되며, 이는 종합적인 광합성 속도 및 동화산물 축적을 증가시킨다(Kim과 Lee, 2001). 축적된 동화산물은 각 기관으로 전류되어 엽수 증가, 엽면적 확장을 비롯한 기관 발달을 촉진시켜 육묘기간과 수확까지 소요되는 재배기간을 단축시키고 품질을 향상시킬 수 있다(Ibrahim 등, 2010; Koo 등, 2024). 플러그 트레이 육묘는 단위면적 당 생산효율을 높이기 위해 좁은 공간에서 묘를 대량생산하는 기술로 트레이 내에서 장기간 육묘 시 개체 간 잎이 겹치어 밀식환경이 조성되기 쉽다(Shibuya 등, 2020). 밀식환경은 각 개체의 생육에 충분한 광자를 수용하기 어려운 약광 조건을 형성한다. 약광 조건에서 자란 묘는 도장하여 줄기가 가늘어지고 잎이 과도하게 확장되며, 병 저항성이 감소한 저품질 묘가 생산될 우려가 있다. 이러한 반응은 생장에 요구되는 충분한 광자를 확보하고자 하는 식물의 생존전략으로, 줄기신장과 엽면적 확장을 동반하여 낮은 광도에서 광수용 효율을 최적화하기 위한 적응 형태로 여겨진다(Franklin, 2008). 또한 가속화된 잎의 확장으로 인한 단위면적 당 엽록소 함량 감소 및 엽록소 생합성의 하향조절이 동반된다(Smith와 Whitelam, 1997). 본 연구에서 참당귀 묘는 파종 후 60일차에만 엽병장, 엽면적, 그리고 엽면적 지수에서 ambient와 CO₂ 처리구 간에 통계적으로 유의한 차이가 확인되었으며(Table 3와 Fig. 5), 엽면적 확장과 함께 CO₂ 농도가 가장 높았던 VHC에서 잎의 두께와 엽록소 함량 또한 유의적으로 감소되었다(Figs. 6과 7). 또한 HC에서도 ambient와 비교하였을 때 VHC의 결과와 유사하였다(Fig. 8). 이는 고농도 CO₂ 환경에서 장기간 육묘로 인해 형성된 밀식 조건에서 트레이 내 개체 간 경쟁이 심화된 결과로 판단된다. 따라서 참당귀 육묘 시 CO₂ 농도를 800μmol∙mol^-1이상으로 조성할 경우 적정 육묘기간은 50일로 사료된다.

Fig. 7.

Leaf chlorophyll contents of Korean angelica seedlings as affected by different CO₂ concentration conditions at 40, 50, and 60 days after sowing. Vertical bars represent standard errors (n = 4). Different lowercase letters above the error bars represent significant differences based on Tukey’s range test at p ≤ 0.05. HC represents high concentration (800 µmol·mol^-1) and VHC represents very high concentration (1,200 µmol·mol^-1).

Fig. 8.

Heatmap of shoot morphophysiological parameters of Korean angelica seedlings as affected by different CO₂ concentration conditions between 50 and 60 days after sowing. HC represents high concentration (800 μmol·mol^-1) and VHC represents very high concentration (1,200 μmol·mol^-1).

결 론

본 연구 결과를 종합하였을 때 PFAL을 이용한 참당귀 육묘 시 육묘기간을 단축시키기 위한 적정 CO₂ 농도는 약 800μmol∙mol^-1로 판단되며, 해당 조건에서 적정 육묘기간은 50일로 사료된다. 그러나 파종 후 40일차 시점에서 처리 간에 통계적으로 유의한 차이가 없었던 만큼 적정 CO₂ 공급 시기에 대한 추가 연구가 이뤄져야 할 것으로 판단된다.