서 론
최근 도시민들이 도시 유휴지나 근교텃밭에서 식물을 재배하여 신선한 먹을거리를 직접 생산하는 도시원예활 동이 증가되고 있다. 하지만 최근 이상기후나 황사 등의 문제로 인하여 외부 환경과 차단된 공간 내에서 식물을 재배하는 것이 요구되고 있다. 따라서 광, 온도, 습도 등 작물에 적합한 생육환경조건을 제공하여 계절에 관계없 이 재배하는 방법들이 도시농업에서 도입되고 있다 (Yang, 2015). 외부와 차단된 공간에서 식물생산에 가장 중요한 요인은 태양광 대체 역할을 하는 인공광이고 그 중에서 발광다이오드(LED, light-emitting diode)는 무수 은으로 안전하고 환경 친화적이며, 형광등에 비해 수명 이 길고, 전력소모가 적으며, 광질(파장) 선택 및 광량 제어가 다른 광원에 비해 용이하며, 광합성에 유리한 펄 스 조사가 가능한 장점을 지니고 있고(Hwang 등, 2004), 또한 열발생이 적어 식물체에 근접 조명이 가능 하다(Kozai, 2007). LED의 가장 큰 장점 중 하나는 특 정 파장영역만을 갖는 광질 선택이 가능하여 광합성 촉 진 및 개화조절 그리고 당도(Brix)와 사포닌 증가 등의 기능을 수행할 수 있다는 점이다(Heo 등, 2010; Lin 등, 2013). 식물공장형 재배방식에서 LED 광원에 따른 각종 고품질 채소재배 연구가 다양하게 이루어지고 있는데 각 광질의 효과는 작물종류와 품종 간 차이가 있는 것으로 발표되고 있다(Buso와 Bliss, 1988; Yoon 등, 2015).
꿀풀과의 2년생 초본식물인 곰보배추(Salvia plebeia) 의 식물명은 배암차즈기이며 약재명은 여지초로 그 잎과 뿌리를 기침, 천식, 염증 치료 등에 사용되어왔다. 주로 호주, 인도, 중국, 일본 및 한국을 비롯한 여러 나라에 야생으로 분포하고 있는 식용식물이나(Nugroho 등, 2012; Sales 등, 2010), 한국에서는 그 약효성분을 사용 하고자 경기도, 경상남북도, 전라남북도 지역과 제주지역 에서 등에서 상업적으로 재배 생산되고 있고, 또한 도시 민들에 의해 도시농업 약초체험 농장 등에서 재배되고 있다. 곰보배추는 키가 보통 20 ~ 80cm까지 자라고 잎 은 타원형이거나 피침 형이며 줄기는 사각기둥 모양이며 따뜻하고 낮은 지대 습한 곳에서 자란다. 5월~7월에 연 한 보라색 꽃이 피고 추대하기 전 연한 전초는 식용으 로 이용된다. 가을부터 봄 사이에 뿌리부터 잎까지 모두 약초로 사용되고 사포닌, 플라보노이드 및 정유성분 등 이 함유되어 있어 특유의 향기가 있으며 맵고 씁쓸한 맛이 난다. 곰보배추의 플라보노이드 성분은 hispidulin, homoplantaginin, nepetin, nepitrin, luteolin, luteoloside, 및 eupatorin 등으로 알려져 있다(Ai-li 등, 2006; Gu와 Weng, 2001; Kang 등, 2003). 본 연구에서는 항산화성 물질이 풍부하여 고부가가치 자원식물인 곰보배추를 계 절에 관계없이 가정이나 도시 내 건물 내에서 연중 생 산하기 위하여 인공광을 도입한 재배시스템에서 광질에 따른 생육, 엽형 및 항산화능을 비교하였다.
재료 및 방법
1. 재배 및 환경
곰보배추(Salvia plebeia) 모종은 텃밭상자(60(L)×40(W) ×35cm(H))(Chaesobat, Joygarden, Seoul, Korea)에 원예용 상토(Baroker, Seoul Bio Co., Chungbuk, Korea)를 30L씩 넣고 상자당 20cm×10cm 간격으로 9주 씩 10월 12일에 정식하였고 상자 아래에 물받이를 포개어 관수 후 배액이 되도록 하였다. 정식 후 56일 동안 형광등과 LED광이 설 치된 선반(145(L)×45(W)×91.5cm(H))에서 평균 명/암기 온도는 각각 23.5/15.5°C와 습도는 40/50%로 광도는 130μmol·m-2·s-1로 광주기는 12/12h로 설정하여 재배하였 다. 관수는 간이수분측정기(WT-1000NC, Inc. Mirae sensor, Seoul, Korea)를 사용하여 55±5%가 유지되도록 관수하 였다. 전 재배기간 동안 광도와 온습도 환경은 30분 간격 으로 Watchdog 데이터 로거(Watchdog 2450, Technologies Inc., USA)에 계측 및 저장되었다.
2. 실험처리
실험처리는 LED광(ZVAS-02-0300, Sunghyun Hightech Co Ltd, Korea)은 적색(R), 청색(B), 적색과 청색의 혼합 광(2:1비율)(RB2:1), 백색(W)광으로 처리하였고 대조구 로 형광등(FL)을 처리하였다. 광강도는 LED조명의 전원공 급 장치를 이용하여 광원으로부터 25cm 떨어진 식물체 상 부 잎 표면에서의 평균 광합성유효광양자속(photosynthetic photon flux density, PPFD)이 130μmol·m-2·s-1으로 되도 록 고정하여 전 재배기간 동안 동일한 광도를 조사하였 다. 정식 후 7일 간격으로 25일 동안 엽장, 엽폭, 엽병, 엽수, 광합성율을 측정하였고, 수하지수(leaf epinasty index, LEI)는 잎이 최대로 전개된 후에 측정하였다. 정 식 후 25일째와 56일째에는 엽면적, 뿌리길이, 지상부 및 지하부의 생체중, 건물중을 조사하였다.
3. 측정항목 및 측정방법
정식 후 곰보배추의 생육을 비교하기 위하여 정식 후 일주 간격으로 엽장, 엽폭, 엽수(엽장이 1.0cm 이상 전 개된 잎) 및 엽록소 함량(SPAD-501, MINOLTA, Japan) 을 측정하였다.
재배 중 수하현상을 보인 적색광(R)과 혼합광(RB) 처 리구에서 정식 4주째 부터 LW(엽폭)과 LD(수하된 잎 양쪽 선단사이 거리)를 측정하여 수하수치를 측정하였다 (leaf epinasty index = 1-0.5 × (LD/LW))(Fukuda, 2008). 정식 후 18, 27, 51 및 56일째에 광합성 측정기(Model 6400, Li-COR, Lincoln, NE, USA)로 1500μmol·m-2·s-1 광합성유효광과 CO2 400 ppm 조건에서 수분이용효율 (Water Use Efficiency, WUE(= μmol CO2 / mmol H2O = net photosynthesis rate (Pn) / transpiration rate (E)), 기공전도도도 (Stomata conductivity, Cond), 세포내 이 산화탄소농도 (Intercellular carbon dioxide concentration, Ci), 증산률 (Transpiration rate, Trmmol), 엽과 대기의 수증기압차 (Leaf to air vapor pressure deficit, VpdL)를 측정하였다. 정식 후 28일과 56일에 엽면적은 엽면적기 (GA-5, KIYA, Japan)를 이용하여 측정하였고, 건물중은 건조기(HB-504F-0, Inc. Hanbaek science, Korea)를 이 용하여 65°C에서 72시간 건조 후 전자저울(HS-4104, Inc. Hansung machine, China)로 측정하였다. 비엽중 (specific leaf weight: SLW)은 엽면적당 건물중(mg)으로 표현하였다. 엽형태는 엽장과 엽폭을 측정한 후 엽형지 수(엽장/엽폭)로 표현하였다. 상대생장율(RGR: relative growth rate)은 (RGR = (In W2 – In W1)/(t2-t1)로 계산 하였다.
수확 후에는 항산화 성분(DPPH분석)함량 등을 측정하 기 위하여 지상 부 식물체를 처리 구 당 4반복 씩 -80°C 냉동고(DF8524, Ilshin, Korea)에 냉동 후 순차적으로 동 결 건조기(FREEZE DRYER, ILSIN Lab, Korea)에 건 조하여 분쇄기(HR2860, Philips, Germany)를 이용하여 분쇄한 후 임시 데시케이터에 저장하여 DPPH radical (2,2-Di(4-tert-octylphenyl)-1-picrylhydrazyl) 소거 활성 측정 법으로 항산화능을 측정하였다. 에탄올(EtOH) 10mL에 시 료 0.1g를 녹여 50°C 60분간 Sonication한 후, 4000rpm에 서 20분간 원심 분리한 후 상층 액만 사용하였다. 에탄 올에 적절한 농도(1%, 0.5%, 0.25%, 0.125%, 0.0625%, 0.03125%, 0%)로 희석한 시험물질 500μL에 0.2mM DPPH 2500μL, 에탄올 2000μL을 가해 혼합한 후 4°C 30분간 반응한 후 517nm에서 측정한 반응 액의 흡광도 와 무 첨가 군의 흡광도를 비교하여 시료 농도별 DPPH radical 소거능(항산화 활성)을 구하고 IC50값을 구해 항 산화 능을 평가하였다. 양성 대조군으로 Ascorbic Acid 를 이용하여 동일한 방법으로 IC50값을 구해 실험방법의 유효성을 확인 하였다.
5. 통계처리
생육 분석은 엽장, 엽폭, 엽수는 정식 후부터 28일까 지 총 4회에 걸쳐 각 회마다 처리별 9개 식물체, 정식 후 29일부터 56일까지는 총 4회에 걸쳐 각 회마다 처리 별 6개 식물체에 대해 측정하였다. 엽록소 함량은 정식 후부터 28일까지 총 4회에 걸쳐 각 회마다 처리별 2개 식물체에 각 3반복으로, 35일에서 56일까지는 총 3회에 걸쳐 각 회마다 처리별 3개 식물체에 각 3반복으로 측 정하였다. 엽면적은 정식 후 28일에 3개 식물체를 3반복 으로 정식 후 56일에 2개 식물체를 2반복으로 측정하였 다, 뿌리길이는 정식 후 28일에 3개 식물체를 3반복으로 정식 후 56일에 6개 식물체를 6반복으로 측정하였다. 지 상부 및 지하부 생체중은 정식 후 56일에 수확된 6개 식물체를 6반복으로, 지상부 및 지하부 건물중은 정식 후 28일에 수확된 3개 식물체를 3반복으로 정식 후 56 일에 수확된 6개 식물체를 6반복으로 측정하였다. 수하 현상은 정식 후 28일에 9개 식물체를 9반복으로 정식 후 29일부터 56일까지 총 4회에 걸쳐 각 회마다 6개 식 물체를 6반복으로 측정하였다. 통계분석은 SAS 프로그 램(SAS, SAS Institute Inc., USA)으로 하였으며 평균 간 비교는 DUNCAN의 다중범위 검정을 이용하였다.
결과 및 고찰
정식 후 56일째에 측정된 엽장, 엽폭 및 엽수는 적색 LED(R)와 대조구인 형광등(FL) 처리구에서 유의적으로 높았고 혼합광(RB2:1)과 백색 LED(W) 처리구에서 낮았 다(Table 1). 엽형지수(엽장/엽폭)도 적색 LED(R)와 대조 구인 형광등(FL) 처리구에서 유의적으로 높았고 혼합광 (RB2:1)과 백색 LED(W) 처리구에서 낮았다(Fig. 1). 이 전 발표된 연구결과에서 적색 LED가 엽장을 길게 유도 한다고 하였는데(Lee 등, 2010; Son 등, 2012), 곰보배 추의 경우 적색 LED(R)와 형광등(FL) 처리가 엽장 뿐 아니라 엽폭도 넓게 유도하였고 혼합광(RB2:1)과 백색 LED(W) 처리는 엽장뿐만 아니라 엽폭도 유의적으로 낮 았다. 따라서 각 식물에 따라 LED 광질에 대한 반응이 다른 것을 알 수 있다(Kim 등, 2013). 뿌리길이는 광질 에 따른 유의차가 없었다(Table 1). 지상부 생체중, 건물 중 및 엽면적 모두 적색 LED(R) 처리구에서 가장 높았 고 형광등(FL)과 청색 LED(B) 처리구가 그 다음으로 높게 나타났으며 혼합광(RB2:1)과 백색 LED(W) 처리구 에서 낮았다(Table 2). 잎의 가장자리가 아래로 늘어지는 수하현상(epinasty)은 정식 21일 이후부터 적색 LED(R) 와 혼합광(RB2:1) 처리구에서만 발생하였고 수하 정도는 적색 LED(R) 처리구에서 더 심하게 나타나 적색 LED(R) 광이 수하현상과 밀접한 관련이 있는 것으로 보 인다. 이 결과는 적색 LED 광이 제라늄 식물의 수하현 상을 유도하였고 청색 LED가 그 수하현상을 상쇄시켜 정상적인 잎 생장을 유도한다는 연구결과와 일치된다 (Fukuda, 2008). 정식 후 18, 27, 51 및 56일에 광합성 율을 측정한 광합성률 결과 중 27일 이후의 결과가 유 사하여 정식 후 18, 27일에 측정된 결과만 제시하였다. 광합성률이 18일에 측정되었을 때는 처리 별 유의차가 없었으나 27일에 측정되었을 때 적색 LED(R) 처리에서 유의적으로 가장 낮았다(Table 3). 이 결과는 정식 후 14일 이후 적색 LED(R) 처리구에서 수하현상이 진행된 것(자료 미제출)과 관련이 있는 것으로 보인다. 본 실험 이 후 반복적 재배를 수행한 결과 수하현상이 나타나기 전후의 광합성율이 다른 것을 알 수 있었다(자료 미제출). 적색 LED(R) 처리구에서 최종 건물중은 가장 높았지만 정식 29일과 56일 사이 상대생장율(RGR)이 청색광 보다 낮은 것으로 보아 적색 LED(R) 처리구에서 정식 21일 전까지 빠른 생육이 진행되었음을 알 수 있다(Fig. 2). 엽 록소 함량은 적색 LED(R) 처리구에서 가장 낮았고 다 른 처리구에서는 재배 후기로 갈수록 점차 증가되었다 (Fig. 3). 이는 적색 LED(R)를 제외한 다른 처리구는 모 두 청색광을 가지고 있어서 청색광이 잎에서 엽록소 축 적과 관련이 있음을 알 수 있었다(Hogewoning 등, 2010; Johkan 등, 2010). 수분이용효율은 기공전도도와 증산률이 유의적으로 낮았던 백색 LED(W)처리구와 청 색 LED(B)에서 높게 나타났다. 엽면적당 건물중(mg)을 나타내는 비엽중은 청색 LED(B) 처리구에서 가장 높았 고 형광등(FL) 처리구에서 가장 낮았으며 그 외 다른 처리구(W, RB, R)간에는 유의차가 없었다. 청색 LED(B) 처리구의 비엽중은 형광등(FL) 처리구 보다 약 2.4배 높은 값을 보였는데 이는 청색 LED처리구의 곰보 배추 잎의 두께가 형광등(FL) 처리구에서 재배된 것보다 증가된 것을 의미하고 청색광이 잎의 엽육조직 형성을 유도한다는 결과를 뒷받침 한다(Xiaoying 등, 2011).
Table 1. Leaf length, width and number, root length and leaf chlorophyll content (SPAD meter value) of Salvia plebeia grown for 56 days after transplanting (DAT) under the fluorescent light (FL) and LEDs (White, Red and Blue (R+B, ratio 2:1), Blue, Red LED).
| Light Source | Leaf length | Leaf width | Leaf number | Root length |
|---|---|---|---|---|
| FL | 15.05az | 6.88a | 103b | 27.95a |
| White | 12.05bc | 6.23ab | 66.33c | 31.42a |
| R+B | 10.88c | 5.95b | 79.67bc | 30.33a |
| Blue | 13.63ab | 6.35ab | 80.67bc | 32.88a |
| Red | 14.48a | 6.73a | 135a | 30.15a |
Table 2. Fresh and dry weights(wt.) of shoot and root, leaf area, specific leaf weight and leaf epinasty index of Salvia plebeia grown for 56 days after transplanting (DAT) under the fluorescent light (FL) and LEDs (White, Red and Blue (R+B, ratio 2:1), Blue, and Red LED).
| Light Source | Fresh weight(g/plant) | Dry weight(g/plant) | Leaf area (cm2) | Specific leaf weight (mg/cm2) | LDy (cm) | LWx (cm) | Leaf epinasty indexw | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Shoot | Root | Shoot | Root | ||||||
| FL | 42.77az | 10.56b | 4.46ab | 0.77bc | 1378a | 3.53c | - | - | - |
| White | 23.09b | 10.14b | 2.62c | 0.61c | 723b | 5.25b | - | - | - |
| R+B | 26.83b | 14.26a | 3.18bc | 0.84bc | 711b | 5.94b | 10.10 | 10.90 | 0.537 |
| Blue | 35.38ab | 12.03ab | 4.22ab | 0.97b | 826ab | 8.34a | - | - | - |
| Red | 44.24a | 14.29a | 5.53a | 1.31a | 948ab | 5.53b | 12.80 | 14.50 | 0.559 |
Table 3. Photosynthetic characteristics of leaves of Salvia plebeia grown for 18 and 27 days after transplanting (DAT) under the fluorescent light (FL) and LEDs (White, Red and Blue (R+B, ratio 2:1), Blue, and Red LED).
| Light Source | Water use efficiency | Photosynthesis (μmol CO2·m-2·s-1) | Stomatal conductance (mol·H2O·m-2·s-1) | Internal CO2 (μmol·CO2·mol-1·air) | Transpiration rate (mol·H2O·m-2·s-1) | Leaf to air vapor pressure deficit (mol·H2O·m-2·s-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 18 days after transplanting | ||||||
| FL | 0.166bcz | 5.217a | 0.216b | 339ab | 3.16b | 1.58a |
| White | 0.244a | 5.380a | 0.135b | 314c | 2.23b | 1.74a |
| R+B | 0.122c | 5.943a | 0.470a | 358a | 4.86a | 1.21b |
| Blue | 0.211ab | 5.590a | 0.188b | 327bc | 2.73b | 1.59a |
| Red | 0.181b | 5.143a | 0.191b | 332bc | 2.84b | 1.64a |
| 27 days after transplanting | ||||||
| FL | 0.156b | 6.100a | 0.599a | 366a | 3.98a | 0.831b |
| White | 0.209a | 5.167b | 0.261b | 352b | 2.48b | 1.047a |
| R+B | 0.144b | 5.76ab | 0.616a | 368a | 4.02a | 0.825b |
| Blue | 0.262a | 6.197a | 0.253b | 341b | 2.43b | 1.067a |
| Red | 0.131b | 4.160c | 0.398ab | 368a | 3.25ab | 0.956ab |
적색광은 광합성 유효광으로 작물의 생체중과 엽면적 증가 효과에 대한 연구 결과들이 많이 발표되어 왔고 (Johkan 등, 2010; Son 등, 2012), 본 연구에서도 곰보배 추의 생육이 적색 LED(R)와 형광등(FL) 처리구에서 월 등하게 높았다. 하지만 적색 LED(R) 처리구에서 정식 후 21일 이후부터 수하현상이 일어나 상품성을 떨어뜨 리는 결과를 도출하였다. 가시광선 파장대에 속한 청색 광과 적색광은 엽록소에 의해 효과적으로 흡수되어 광합 성에 유용하게 이용되므로(Carvalho 등, 2011) 광합성 효 율을 높이기 위한 광원으로 적색광 활용이 많다. 하지만 식물들은 광형태형성 반응(photomorphogenic responses) 을 조절하는데 다양한 파장대(wide-spectrum)의 광을 사 용하는데 적응되어 있다(Kendrick과 Kronenberg, 1994). 적색광은 피토크롬(phytochrome), 청색광은 청/UV 광수 용기(blue/UV light photoreceptor)에 의해 흡수되면서 모 두 광형태형성 반응을 유도하는데 효과적이다(Barnes and Bugbee, 1991). 따라서 특정한 파장대의 광조건에서 식물 발육의 특징과 그 이해가 필요하다고 하였다(Goins 등, 1997).
DPPH free radical 소거활성은 곰보배추 건조물량 0.03125%에서 1%로 증가시키며 관찰하였을 때 모든 처 리구에서 농도 의존적으로 증가되었으며 항산화 효과를 가지는 것으로 나타났다. 하지만 그 효과는 처리 간 유 의차가 없었다(Table 4). 평균 IC50(the half maximal inhibitory concentration)은 혼합 LED(RB2:1) 0.39%, 청 색 LED(B) 0.37%, 형광등(FL) & 적색 LED(R) 0.36%, 백색광 0.34%로 처리 간 유의차는 없었다. Lim 등 (2007)은 곰보배추의 항산화능에 대한 연구결과에서 배 암차즈기의 메탄올 추출액의 DPPH radical 소거능이 농 도 의존적으로 증가되었다고 보고하여 본 연구결과와 같 았으며 RC50 값이 51.1μg/mL으로 나타내어 높은 항산 화능을 보인다고 보고한 바 있다.
Table 4. The DPPH radical scavenging activity(%) and half maximal inhibitory concentration (IC50) with different extractant concentrations from Salvia plebeia grown for 56 days after transplanting (DAT) under the fluorescent light (FL) and LEDs (White, Red and Blue (R+B, ratio 2:1), Blue, and Red LED).
| Light Source | 1% | 0.5% | 0.25% | 0.125% | 0.0625% | 0.03125% | IC50 (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| FL | 97.46az | 76.19a | 47.35a | 26.42a | 17.20a | 6.01a | 0.36a |
| White | 94.85a | 80.53a | 51.24a | 20.53a | 10.02b | 4.06a | 0.34a |
| R+B | 92.22a | 86.01a | 48.50a | 32.74a | 8.30b | 4.85a | 0.39a |
| Blue | 94.41a | 76.05a | 39.00a | 28.58a | 10.89b | 6.92a | 0.37a |
| Red | 94.43a | 77.28a | 49.15a | 27.84a | 8.12b | 4.69a | 0.36a |
위의 결과들을 종합하여 볼 때 곰보배추의 생육은 형 광등(FL)와 적색광 LED(R)에서 다른 처리구에 비하여 유의적으로 높았으나 적색 LED(R) 에서는 수하현상으 로 인한 상품성 저하가 일어났고 항산화능은 광질에 따 른 큰 차이가 나타나지 않아 형광등이 곰보배추를 실내 에서 인공으로 재배 시 적합한 광원으로 판단된다. 앞으 로 광질에 따른 곰보배추의 항산화능 뿐 아니라 항균작 용에 관여하는 물질의 변화에 대한 추가적인 연구가 필 요할 것으로 생각된다.
