서 론
식물공장이란 광을 비롯한 작물 재배환경을 인공적으 로 제어하여 최적조건을 조성함으로서 계절이나 장소에 관계없이 연중 균일한 품질의 식물을 생산할 수 있는 시스템이다(Takatsuji, 2008; Kozai, 2007). 이러한 식물 공장의 특성을 이용하여 당귀, 방풍나물, 씀바귀 등의 토종 약용식물과 고추냉이, 아이스플랜트 등의 기능성 식물에 대한 재배연구가 수행되었다(Kim과 You, 2013; Kim 등, 2016; Lee 등, 2016a; Lee 등 2016b).
흰민들레(Taraxacum coreanum Nakai)는 국화과에 속 하는 다년생 초본으로 우리나라 각처에 널리 분포하고 있다. 보통의 노랑민들레와 달리 꽃이 흰색인 것이 특징 이며 뿌리, 잎, 꽃, 줄기 등 식물 전체를 약용으로 사용 하고 있다. 지상부 말린 것을 포공영(浦公英), 뿌리 부위 말린 것을 포공영근(浦公英根)이라 하여 한약재로 사용 되고 있으며(Lee 등, 2007), 주요 기능성 성분인 리놀산 과 콜린 성분을 많이 함유하고 있어 고혈압, 심장병, 간 질환 등의 성인병과 담즙분비 촉진, 항류마티스 등에도 효과가 뛰어난 것으로 알려져 있다(Cho 등, 2002; Yun 등, 2002). 최근 흰민들레의 약리작용에 대한 연구와 함 께 항산화활성(Han, 2011; Min과 Jhoo, 2013), 항암효과 (Takasaki 등, 1999; Yoon 등, 2014)에 관한 연구도 활 발히 진행 중이어서 금후 항노화 힐링 식물로서 개발 가능성이 크다.
그동안의 민들레에 관한 연구는 전술한 바와 같이 약 리성분과 효능에 대한 것이 대부분으로 번식방법, 유용 유전자 형질전환 등에 관한 일부 연구(Jeon 등, 2010; Kim 등, 2004; Park 등, 2011)가 이루어지기는 했으나 수량이나 품질향상을 위한 연구나 특히 식물공장에서 연 중 생산기술에 대한 연구는 전무하였다.
한편 흰민들레의 여러가지 유용 성분들은 생즙으로 섭 취하는 것이 가장 효과적이나 화경 출현으로 5월에서 6 월까지 2개월 정도만 잎 수확이 가능하고 고온기에는 잎이 억세고 쓴맛이 강하여 식용에 적당치 않기 때문에 일년 중 식용할 수 있는 기간이 제한되어 있다. 따라서 본 연구는 흰민들레의 녹즙, 생채, 쌈 등에 대한 수요확 대에 대비 식물공장에 의한 연중 수확기술을 개발하고자 LED 광주기와 광도가 흰민들레의 생육과 수량에 미치는 영향을 구명하였다.
재료 및 방법
1. 실험 재료
완전 인공광형 식물공장 내 광조사 시간과 광도에 따 른 흰민들레의 생육조건을 구명하기 위하여 충남 서천지 역에서 자생하는 흰민들레 종자를 채취하여 사용하였다. 흰민들레 종자를 수경육묘용 원형 우레탄 스펀지에 파종 하여 22°C 육묘실에서 발아시킨 후 약 30일간 밀폐형 식물생산시스템의 형광등(Osram Co. Ltd., Korea)하에서 육묘하여 본엽이 3매가 될 때 정식을 하였다. 실험에 이 용한 흰민들레묘의 평균 초장은 광조사 실험의 경우 3.95cm, 광도 실험의 경우 3.0cm의 균일한 묘를 선발하 여 정식하였다. 완전 인공광형 식물공장내 재배시스템 (Gaoozebiotech Co. Ltd., Korea)은 광주기, 광도, 온도, 습도, CO2 등의 자동제어가 가능한 시스템으로 광주기 실험은 박막수경(NFT)이었고 광도실험은 분무수경 방식 이었다.
2. 광주기 실험
본엽 3매 정도인 흰민들레 묘를 박막수경(NFT) 방식 재 배베드(Gaoozebiotech Co. Ltd., Korea)에 15cm × 15cm 간 격으로 정식하였다. 선행한 실험에서 여러 작물의 적정 광주기를 18/6h라고 한 보고(Austin 등, 2016; Kim 등, 2016; Park 등, 2013)와 같이 LED (Red 2 : Blue 1 : White 1) 광주기를 명기 최대치를 18시간으로 하여 명 기/암기 16/8, 12/12, 8/16시간으로 달리하였으며, 광도 (150μmol·m-2·s-1), 온도(25°C), 습도(60%), CO2(600ppm) 는 동일하게 설정 관리하였다. 양액은 N-P-K-Ca-Mg = 18-6-9-10-3me·L-1 비율로 조성하여 EC 1.5dS·m-1, pH 6.0~6.5 범위로 관리하였으며, 양액공급은 명기에는 15분 간격으로 10분씩, 암기에는 60분 간격으로 10분씩 공급 하였다.
3. 광도 실험
본엽 3매 정도인 흰민들레 묘를 분무수경 방식 재배베 드(Gaoozebiotech Co. Ltd., Korea)에 15cm × 15cm 간 격으로 정식하였다. 식물체 군락 위 표면에서 측정하였을 때의 LED(Red 2 : Blue 1 : White 1)광도를 50, 100, 150, 200μmol·m-1·s-1로 달리하였으며, 광주기(16/8시간, 명 기/암기), 온도(25°C), 습도(60%), CO2(600ppm)는 동일하 게 설정 관리하였다. 양액은 N-P-K-Ca-Mg = 18.0-6.0- 9.0-10.0-3.0me·L-1 비율로 조성하여 EC 1.5dS·m-1, pH 6.0~6.5 범위로 관리하였으며, 양액분사는 명기는 10분 간격에 1분, 암기는 30분 간격에 1분으로 공급하였다.
4. 생육조사
광주기 실험은 2014년 7월 29일 정식하여 2015년 4 월 28일까지 총 270일간 재배하였으며 정식 후 60일부 터 270일까지 30일 간격으로 총 8회 수확 조사하였다. 광도 실험의 경우 2014년 10월 21일 정식하여 2015년 2월 23일까지 총 120일간 재배하였으며 정식 후 30부터 120일까지 30일 간격으로 총 4회 수확 조사하였다. 흰민 들레의 생육은 각 수확시마다 초폭, 엽장, 엽폭, 엽수, 엽면적(LI-3100, LI-COR Inc., USA), Chlorophyll value (SPAD 502, Minolta, Japan), 엽생체중과 건물중(80°C, 48시간 건조)을 조사하였고 최종 수확시에는 뿌리의 생 체중과 건물중을 조사하였다. 엽장과 엽폭은 식물체의 가장 큰 잎을 기준으로 동일한 위치에서 측정하였다.
결과 및 고찰
1. 광주기 실험
광주기별 생육 특성은 Table 1에서 보는 바와 같다. 초폭은 16/8h 처리구에서 28.7cm로 가장 길었고, 다음으 로 12/12h 처리구의 26.7cm이었으며, 8/16h 처리구에서 24.8cm로 가장 짧았다. 엽장과 엽폭 역시 16/8h 처리구 에서 각각 17.3cm와 5.3cm로 가장 길었고 다음으로 12/ 12h 처리구의 16.2cm와 4.6cm이었으며, 8/16h 처리구에 서 각각 14.6cm와 4.1cm로 가장 짧았다. Erwin과 Heins등(1991)은 초장은 온도와 무관하게 명기의 길이가 길수 록 길어진다고 하였고, 씀바귀의 엽장, 엽폭, 엽면적, 그 리고 엽수는 명기가 길수록 높게 나타났다고 하였는데 (Kim 등, 2016) 본 연구 결과도 대체로 이와 일치하였 다. 전 재배기간 동안 8회 수확한 1주당 수확 총엽수는 16/8시간 처리구에서 주당 224매로 12/12시간 처리구의 220매와 비슷하게 많았고 8/16시간 처리구에서 151매로 가장 적어 대체로 명기가 길수록 수확엽수도 많아지는 경향이었다. 총엽면적은 16/8h 처리구에서 3,847cm2로 가장 넓었고 다음으로 12/12h 처리구 3,046cm2, 8/16h 처리구 1,874cm2순이었다. 1주당 지상부 총생체중과 건 물중은 16/8h 처리구에서 각각 125g과 10.4g으로 가장 무거웠는데 이는 8/16h 처리구의 56g과 4.4g보다 생체 중은 2.2배, 건물중은 2.4배 높은 수준이었다. 지하부의 경우 최종 수확시 1회에 한하여 조사하였는데 지상부와 같은 경향을 보였다. 이상의 결과 대체적으로 명기가 6 시간에서 18시간까지 길수록 엽 크기가 크고 엽수도 많 았고 생엽중과 건물중, 그리고 뿌리의 생육도 모두 높은 경향을 보였다.
Table 1.
Effect of photoperiod on growth of Taraxacum coreanum Nakai grown in a plant factory.
| Photoperiod (light/dark) z | Plant width (cm) | Leaf length (cm) | Leaf width (cm) | No. of leaves | Leaf area (cm2/plant) | Fresh weight (g/Plant) | Dry weight (g/Plant) | % of dry matter | Chlorophyll content (SPAD) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Leaves | Roots | Leaves | Roots | ||||||||
| 16/8h | 28.7 ay | 17.3 a | 5.3 a | 224 a | 3,847 a | 125 a | 14.5 a | 10.4 a | 1.8 a | 8.3 a | 36.5 a |
| 12/12h | 26.7 ab | 16.2 ab | 4.6 b | 220 a | 3,046 b | 91 b | 12.5 b | 7.5 b | 1.3 b | 8.2 a | 33.7 ab |
| 8/16h | 24.8 b | 14.6 b | 4.1 c | 151 b | 1,874 c | 56 c | 4.4 c | 4.4 c | 0.7 c | 7.9 b | 30.9 b |
선행의 연구에서 여러종류의 상추에 대하여 광주기를 길게 하면 생체중과 건물중을 증가시킨다는 보고(Ikeda 등, 1988; Koontz와 Prince, 1986; Park 등, 2012)와, 백 색 LED 광원을 이용한 식물공장에서 상추의 생산에 적 정한 광주기는 12/12 또는 18/6(명기/암기) 이라는 보고 (Park 등, 2013)는, 작물은 다르지만 본 연구 결과를 뒷 받침할 수 있다고 판단된다. 또 다른 연구에서 Kim 등 (2016)에 의하면 씀바귀의 생체중과 건물중은 명기가 길 어짐에 따라 증가하는 정의 상관관계를 보였고 8/16(명 기/암기)과 4/20(명기/암기) 처리에서 가장 낮은 값을 보 였으며, 명기가 길수록 뿌리 생장량도 많다고 하여 본 연구결과와 일치하였다.
한편 상추나 씀바귀의 식물공장 재배시 잎끝이 마르는 팁번(tip burn)증상은 명기가 길어질수록 증가하는 경향 을 보였다고 보고되어 있는데(Kim 등, 2016), 흰민들레 의 경우 모든 처리구에서 팁번 증상이 관찰되지 않았다. 일반적으로 팁번은 식물의 팽압이 빠르게 증가하는 조건 에서 칼슘의 흡수가 원활하지 않을때 세포벽의 약화로 생기는 증상으로(Goto와 Takakura, 2003) 흰민들레에서 팁번이 관찰되지 않은 원인에 대해서는 추후 관련 연구 가 진행되어야 할 것으로 판단된다. 건물률과 엽록소 함 량을 나타내는 SPAD값은 흰민들레 생육이 높은 16/8h 처리구에서 가장 높았고 8/16h 처리구에서 가장 낮았다. 이는 씀바귀 재배시 엽록소 값을 증가시키기 위해서는 16/8(명기/암기) 광주기가 적절하며 8시간 이하의 명기에 서는 엽록소 값이 현저히 떨어졌다는 Kim 등(2016)의 보고와 같은 경향이었다.
이상의 결과 생육과 경제성을 감안한 흰민들레의 적정 광주기는 16/8h(명기/암기)이었으며 이는 식물공장 인공 광을 활용한 상추, 씀바귀, 기능성 곡물인 퀴노아 등을 재배하는 실험에서 적정 광주기를 18/6h라고 한 보고 (Austin 등, 2016; Kim 등, 2016; Park 등, 2013)들과도 일치하는 결과였다.
광주기별 SPAD값, 수확엽수, 수확엽면적, 수확 엽생체 중의 경시적 변화는 Fig. 1에 나타내었다. 엽록소 함량 을 나타내는 SPAD값은 대체로 정식 후 150일째까지는 16/8h 처리구와 12/12h 처리구에서 높고 8/16h 처리구에 서 낮았으나 180일째부터는 처리간 차이가 크지 않았고 특히 240일째부터는 16/8h 처리구와 12/12h 처리구보다 8/16h 처리구에서 높게 나타났다. Kim 등(2016)은 씀바 귀의 엽록소 값은 광주기에 관계없이 생육 후반으로 갈 수록 증가하였다고 보고하였는데, 이는 정식 후 25일 정 도의 생육을 관찰한 결과였다. 본 연구에서는 정식 후 270일까지 SPAD값을 측정하였기 때문에 정식 후 150일 째 까지는 Kim 등(2016)의 연구결과와 비슷한 경향으로 SPAD값이 높거나 약간씩 증가하였으나 정식 후 180일 째부터는 8/16h 처리를 제외한 16/8h 처리구와 12/12h 처리구에서는 오히려 감소하였다. 이는 생육기간이 길어 지면서 식물체가 스트레스에 노출되었거나 노화가 진전 되어 일어나는 현상으로 판단되었다. 수확엽수의 경우 수확시기에 따라 약간의 차이는 있었으나 대체로 16/8h 처리구와 12/12h 처리구에서는 비슷하여 정식 후 180일 째까지는 각각 15.3~35.5매와 13.1~36.1매로 계속해서 증가하다가 210일째부터 감소하여 최종 수확일인 270일 째에는 각각 24.8매와 23.5매로 감소하였다. 8/16h 처리 구에서는 역시 정식 후 180일째까지 5.6~23.9매로 계속 증가하였고 210일째에 19.7매로 감소하였으나 이후 다시 증가하여 최종 수확일에는 23.4매로 16/8h, 12/12h 처리 구와 비슷하게 나타났다. 수확 엽면적과 생엽중은 수확 엽수와는 다른 경향을 보였는데 대체로 정식 후 180일 째 수확까지는 16/8h 처리구에서 가장 높았고 다음으로 12/12h, 8/16h 처리 순이었며 210일째 수확 이후부터는 16/8h 처리구와 12/12h 처리구는 비슷하였고 8/16h 처리 구에서 가장 낮았다. Fig. 2.
2. 광도별 생육 특성
광도별 생육특성은 Table 2에서 보는 바와 같다. 초폭, 엽장, 엽폭 등은 100μmol·m-2·s-1과 150μmol·m-2·s-1에서 50μmol·m-2·s-1과 200μmol·m-2·s-1에서 보다 큰 경향을 보였 으나 유의적인 차이가 없었다. 전 재배기간 동안 총 4회 수확한 엽수는 150μmol·m-2·s-1 처리구에서 123매로 가장 많았으며 다음으로 107매인 200μmol·m-2·s-1 처리구와 95매 인 100μmol·m-2·s-1 처리구이었고, 50μmol·m-2·s-1 처리구에서 56매로 가장 적었다. 엽면적은 150μmol·m-2·s-1 처리구에서 1,379cm2로 가장 넓었고 다음으로 100μmol·m-2·s-1 처리구 1,211cm2, 200μmol·m-2·s-1 처리구 989cm2, 50μmol·m-2·s-1 처리구 683cm2 순이었으나 100μmol·m-1·s-1 처리구와 200μmol·m-1·s-1 처리구간에는 통계적 유의성이 인정되지 않았다. 1주당 지상부 총 생체중은 150μmol·m-1·s-1 처리 구에서 43.6g으로 가장 높았고 다음으로 100μmol·m-2·s-1 과 200μmol·m-2·s-1 처리구로서 각각 34.6g과 32.2g이었으 며 50μmol·m-2·s-1 처리구에서 18.2g으로 가장 낮았다. 지 상부 건물중은 100, 150, 200μmol·m-2·s-1 처리구간에는 유의적인 차이가 인정되지 않았으며 역시 50μmol·m-2·s-1 처리구에서 가장 낮았다. 최종 수확시 1회에 한하여 조사 한 지하부 생체중과 건물중의 경우 지상부와는 약간 다 른 경향을 보였는데 광도가 높을수록 생체중과 건물중 모두 높아지는 경향이었으며, 다만 150μmol·m-2·s-1과 200μmol·m-2·s-1 처리구간에는 유의적인 차이는 아니었다. 지상부 건물률은 생체중보다는 건물중과 비슷한 경향을 보여 200, 150, 100, 50μmol·m-2·s-1 순으로 높았으나 200, 150, 100μmol·m-2·s-1 처리구간에는 유의성이 없었 다. 대체적으로 광도 150μmol·m-2·s-1 처리구까지는 광도 가 높을수록 엽생육과 수확량 등이 증가하는 경향이었으 나 200μmol·m-2·s-1 처리구에서는 더 이상 증가하지 않았 으며, 특히 엽 수확량의 경우 오히려 감소하였다. Yoon 과 Choi(2011)에 의하면 식물공장에서 일정 수준까지는 광도를 높일수록 작물의 생산량도 증가하는데, 엽채류의 경우 적정 광도는 200~300μmol·m-2·s-1라고 하였다. 또한 삼파장 형광등을 사용한 식물공장에서 재배되는 적축면 상추의 생육적인 측면에서 양액농도 3.0dS·m-1까지는 광 량이 120에서 180μmol·m-2·s-1까지 높아질수록 생체중과 생산 효율성이 높아졌다(Cha 등, 2012). 메탈헬라이드램 프와 고압 나트륨등을 이용하여 식물공장에서 잎상추를 재배할 경우에도 100에서 200μmol·m-2·s-1까지 광도가 높아질수록 생체중이 증가하였으나 300μmol·m-2·s-1에서 는 오히려 감소하였다(Park과 Lee, 1999). 이와같이 선 행의 연구결과에서 대체적으로 200μmol·m-2·s-1까지는 광 도가 높을수록 생체중도 증가하는 경향을 보여 150μmol·m-2·s-1에서 최대 생장량을 보인 본 연구결과와 는 약간의 차이가 있었다. 일반적으로 적색광은 식물체 의 광합성에 관여하여 식물체의 생장을 촉진시키며 청색 광은 생체중을 감소시킨다(Lee와 Kim, 2014; Kim 등, 2016; Okamoto, 1996). 본 실험에서 사용한 광질은 RBW(2:1:1)로 적색광에 비해 청색광과 백색광의 비율이 50%에 달한다. 따라서 높은 청색광과 백색광의 비율이 200μmol·m-2·s-1이상에서는 생육 억제요인이 되었을 것으 로 사료되며 추후 광질에 따른 흰민들레 생육 특성을 구명할 필요가 있을 것으로 판단된다. 엽록소 함량을 나 타내는 SPAD값은 200μmol·m-2·s-1 처리구에서 가장 높 았고 다음으로 150, 100, 50μmol·m-2·s-1 순으로 광도가 높을수록 높아지는 경향이었다. 일반적으로 식물의 엽록 소 함량은 광원, 광도, 배양액 농도 등과 밀접한 관련이 있는데, 광도보다는 배양액 농도와 밀접한 관련이 있다 는 보고(Cha 등, 2012)도 있었으나, 국화와 상추의 경우 강광도 조건에서 증가하였다는 보고(Lee 등, 2001; Park 등, 2013; Park과 Lee, 1999)들이 더 많았으며 본 연구 에서는 광도와 연관성이 높게 나타났다. 한편 메탈헬라 이드램프와 고압 나트륨등을 이용한 식물공장에서 잎상 추를 재배할 경우 100에서 300μmol·m-2·s-1까지 광도가 높아질수록 엽록소 함량도 높아졌다(Park과 Lee, 1999) 고 하여 본 연구와 같은 경향이었다.
Table 2.
Effect of light intensity on growth of Taraxacum coreanum Nakai grown in a plant factory.
| Light intensity (µmol•m-2•s-1) z | Plant width (cm) | Leaf length (cm) | Leaf width (cm) | No. of leaves | Leaf area (cm2/plant) | Fresh weight (g/Plant) | Dry weight (g/Plant) | % of dry matter | Chlorophyll content (SPAD) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Leaves | Roots | Leaves | Roots | ||||||||
| 50 | 20.3 ay | 11.6 a | 3.8 a | 56 b | 683 b | 18.1 b | 5.9 c | 1.5 b | 0.6 c | 8.2 b | 38.7 c |
| 100 | 23.3 a | 12.5 a | 4.3 a | 95 a | 1,211 ab | 34.6 ab | 14.6 b | 3.8 a | 1.9 b | 11.0 a | 44.3 b |
| 150 | 23.4 a | 12.6 a | 4.2 a | 123 a | 1,379 a | 43.5 a | 23.7 a | 5.0 a | 3.5 a | 11.5 a | 45.3 b |
| 200 | 20.2 a | 11.0 a | 3.8 a | 107 a | 989 ab | 32.1 ab | 25.6 a | 4.0 a | 4.0 a | 12.4 a | 50.4 a |
광도별 SPAD값, 수확엽수, 수확엽면적, 수확생엽중의 경시적 변화는 Fig. 3에 나타내었다. 엽록소 함량을 나타 내는 SPAD값은 대체로 광도에 관계없이 정식 후 90일째 수확까지는 높아지다가 120일째 수확에서는 낮아지는 경 향이었다. 200μmol·m-2·s-1 처리구의 경우 전 수확시기에 서 SPAD값이 가장 높았고 다음으로 150μmol·m-2·s-1과 100μmol·m-2·s-1의 두 처리구는 비슷하였으며 50μmol·m-2·s-1 처리구에서 가장 낮았다. 광도에 관계없이 120일째 수확 에서 SPAD값이 낮아진 원인은 전술한 광주기 시험에서 와 같이 생육 후기 식물체 스트레스와 노화 진전에 의 하여 일어나는 현상으로 판단되었다. 수확시기별 1주당 수확엽수는 4처리 모두 4차 수확시에 가장 많았고 다음 으로 2차 수확, 3차 수확, 1차 수확 순이었다. 대체로 4 시기 모두 150μmol·m-2·s-1 처리구에서 가장 많았고 다음 으로 200μmol·m-2·s-1, 100μmol·m-2·s-1 처리구 순이었으 며 50μmol·m-2·s-1 처리구에서 가장 적었다. 수확 엽면적 과 생엽중도 수확엽수와 크게 다르지 않았으나 2차 수 확시기의 생엽중이 100μmol·m-2·s-1 처리구에서 15.3g으 로 150μmol·m-2·s-1 처리구의 15.2g과 비슷하게 높았고 200μmol·m-2·s-1과 50μmol·m-2·s-1 처리구는 각각 10.0g과 9.4g으로 낮았다. 수확간격이 30일로 일정하게 유지했는 데도 각 수확시기별 생육량 차이가 발생하고 광량에 관 계없이 모든 처리구에서 1, 3차 수확은 수량이 작고 2, 4차 수확에서 수량이 많았다는 것은 노지나 온실재배에 서 나타나는 일반적인 현상과 동일하다. 식물공장의 경 우 연중 계획생산이 상업화의 중요한 요인인기 때문에 금후 일정생육을 이어가는 부분에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 식물공장에서 광도와 상추 생육 의 연관성에 관한 선행의 연구에서 대부분 적정 광도를 200μmol·m-2·s-1 이상으로 제시하고 있으나(Cha 등, 2012; Park 등, 2013; Park과 Lee, 1999; Yoon과 Choi, 2011) 이는 수량과 함께 유통상의 문제 해결을 위한 엽육두께 도 감안한 것으로, 흰민들레의 경우 부드러운 잎이 소비 측면에서는 오히려 장점이 될 수 있기 때문에 수량성 가 장 높은 150μmol·m-2·s-1이 적정하다고 판단된다. Fig. 4.
