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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.53 No.6 pp.13-21
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2019.53.6.13

Effect of Light-emitting Diodes on Photosynthesis and Growth of in vitro Propagation in Tea Tree (Camellia sinensis L.)

Hyeon-Jeong Im1, Chae-Sun Na1, Chi-Hyeon Song1, Chang-O Won, Ki-Seon Song1, Jung-Gyu Hwang2, Do-Hyun Kim1, Sang-Geun Kim1, Hyun-Chul Kim1*
1National Arboretum Baekdudaegan, Bongwha-gun, Gyeongsangbuk-do, 36209, Republic of Korea
2Institute of Hadong Green Tea, Hadong-gun, Gyeongsangnam-do, 52304, Republic of Korea
Corresponding author: Hyun-Chul Kim Tel: +82-54-679-2727 Fax: +82-54-679-0692 E-mail: hckim97@bdna.or.kr
November 24, 2019 ; December 4, 2019 ; December 5, 2019

Abstract


The influences of light generated by LEDs on shoot growth and photosynthesis of Tea plant(Camellia sinensis L.) were evaluated. The growth characteristics were investigated after 45 days of culture under four different light qualities: fluorescent lamp, red LED, blue LED, red+blue+white LED. Shoot growth was promoted by red light, especially root length and area were further promoted under the red+blue+white LED. Also, T/R ratio and Chlorophyll content were highest in red+blue+white. Fluor Cam was used to measure the fluorescence images of the plants, inhibition of photochemical efficiency(Fv/Fm) were not changed in all treatment. However, non-photochemical quenching(NPQ) were found rapidly increasing in blue LED, these results were that blue LED were inhibit photosynthetic efficiency and must be considered for efficiently in vitro cultivation of the tea plant. The above results suggest that light qualities could be an important factor to foster in vitro growth of the species. Also, In order to produce healthy plants, it is effective to using light qualities of red+blue+white LED on in vitro culture of the tea plant. These results could be used to mass propagating shoot and produce of healthy seedling.



LED 광질이 차나무 기내배양묘의 생육 및 광합성에 미치는 영향

임 현정1, 나 채선1, 송 치현1, 원 창오, 송 기선1, 황 정규2, 김 도현1, 김 상근1, 김 현철1*
1국립백두대간수목원
2(재)하동녹차연구소

초록


차나무의 기내배양 과정 중 증식배양 단계에서 LED 광질 조건에 따른 기내배양묘의 생육 특성과 광 합성에 미치는 영향을 조사하였다. 광질은 적색광(R), 청색광(B), 혼합광(R+B+W)을 사용하여 처리하였 고, 형광등(F)을 대조구로 하였다. 초장 생육은 적색광에서 가장 좋았으며, 특히 뿌리 생육에 있어서 혼 합광은 길이와 표면적 증대에 효과적인 것으로 나타났다. 또한 T/R율, 엽록소 함량은 혼합광 처리에서 증가하는 것으로 나타났다. 엽록소 형광반응 이미지 촬영 결과 모든 처리구에서 광질에 따른 Fv/Fm의 값은 현저한 차이가 없었다. 그러나 배양묘의 NPQ는 청색광 처리에서 가장 많이 증가하여, 다른 광질 과 유의적인 차이를 보였으며, 광합성 효율을 억제시키는 것으로 나타났다. 이상의 결과로 차나무 기내 배양은 배양목적에 따라 광질을 선택하는 것은 매우 중요하며, 차나무 기내배양 시 건실한 식물 생산을 위해서는 혼합광 처리가 유리할 것으로 판단된다. 본 연구결과는 차나무 대량증식 및 우량묘 생산 등에 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.



    서론

    차나무(Camellia sinensis (L) O. Kuntze)는 동 백나무과에 속하는 아열대성 상록의 다년생 종자식 물로 열대지방에서 온대지방에 이르기까지 광범위 하게 분포재배 생산되고 있다(Lim, 2007). 차나무 는 잎을 이용하여 다양한 형태의 차를 만들어 음용 하는 기호 음료류의 식물로 약 3,000여 년 전 부 터 우리생활에 함께 해온 것으로 본다(Lim, 2007;Hwang et al.,2018). 최근에는 건강에 대한 국민 적인 관심 그리고 건강기능성에 대한 차 효능의 증 명, 전통 다도의 재등장으로 차의 수요가 많아질 것으로 예상됨에 따라 차나무 재배가 가능한 지역 에서는 경쟁적으로 차 재배면적을 확대하고 있다 (Chung, 2004;Kim et al., 2004;Lee et al., 2005;Park & Lim, 2002).

    차나무는 영양번식과 실생번식을 하는 타가수정 식물로, 국내 다원의 일부 기업적 재배지를 제외하 고는 대부분이 주로 실생번식 하는 실정이다(Kim, 2012). 식물 조직배양기술은 식물체의 무병주의 생 산, 반수체 및 순계육성, 유전자 보존 등에 기여하 고 있으며, 특히 단기간 내 대량증식을 위한 기내 미세증식법(micropropagation)이 가장 많이 연구 되고 있다(Son, 2007). 지금까지 차나무의 기내배 양묘 생산과 관련된 국내 연구는 주로 대량증식을 위한 생장호르몬제 처리, 적정배지 선발 위주로 이 루어 졌으며(Jeong & Lee, 2000;Kim et al., 2011), 차의 음용, 섭취, 효능 등에 대한 연구에 비 해 미진한 상태이다.

    최근에는 차세대 인공광원으로 각광받고 있는 Light-emitting Diodes (LEDs)의 광질이 식물체 에 미치는 효과에 대한 연구가 지속적을 진행되고 있으나(Morrow, 2008;Okamoto et al., 1996;Okamoto & Yanagi, 1994;Tanaka, 1999), 대상 식물종의 최적 LED 광질 및 광량에 대한 정보와 생 육단계별 필요한 광량에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 특히, 광질은 식물의 생장, 형태, 형성, 색소형성 등에 대한 에너지원 뿐만 아니라 조절인자로 작용하며(Fankhause & Chory, 1997), Phytochrome 이나 Cryptochrome과 같은 광수용체의 작용과 관 련되어 주로 줄기 신장이나 측지 발생, 엽면적 확 대, 화경신장 및 색소 형성 등 기내 및 기외식물체 의 광합성, 생장 및 형태형성에 영향을 미치는 것으 로 알려져 있다(Heo et al., 2002;Heo et al., 2003;Kim et al., 2004;Shin et al., 2003).

    본 연구는 우리나라 재래종 차나무의 기내배양 과정 중 증식배양 단계에서 LED 광질 조건에 따른 기내배양묘의 생육 특성과 광합성에 미치는 영향을 조사하고자 진행하였다.

    재료 및 방법

    1 배양재료

    본 실험에 사용한 종자는 (재)하동녹차연구소에서 분양받은 하동지역 재래종 차나무 종자를 사용하였 다. 차나무 기내 무균 식물체 유도를 위하여 종자의 종피를 제거한 후 70%(v/v) ethanol에 1분간 침지 하여 표면살균하였다. 그 후 Tween 20 (Sigma, USA)을 첨가하여 수돗물로 거품을 내어 씻어낸 다음 무균상에서 NaClO (Sodium hypochlorite) (Sigma, USA) 수용액에 3분씩 3회 총 9분간 살균하고 멸균 증류수로 5회 이상 충분히 세척 한 후 필터페이퍼 (Advantec, japan) 위에서 건조한 성숙종자에서 유 근을 적출하여 20ml의 MS (Murashige & Skoog medium, Duchefa, Netherlands) 고체 배지에 치 상하였다. 기내에서 발아한 종자는 3%(w/v) 자당 과(Duchefa, Netherlands) 0.4%(w/v) 겔라이트 (Sigma aldrich, USA)가 첨가된 MS 배지를 사용 하였으며 pH는 5.6~5.8로 조정한 후 121℃에서 15분간 고압멸균하여 사용하였다. 배양은 내부온도 25±1℃, 광도 5,000 lux의 16/8h (light/dark) 조 건의 배양기(Corea science, Korea) 내에서 이루어 졌으며 종자에서 발아된 식물체는 상기 배지와 동일 조건의 새로운 배지로 계대배양 하여 2주간 배양 한 다음 모든 실험에 사용하였다.

    2 광환경

    LEDs은 적생광(Red LED, 630nm), 청색광(Blue LED, 460nm), 혼합광(Red+Blue+White LED)의 LED[W1400×D600×H595, 220V/40W, 고려과학]를 사용하여 처리하였고, 형광등(Fluorescent Lamp)을 대조구로 하였다. 배양은 내부온도 25±1℃, 광도 5,000 lux의 16/8h (light/dark) 조건의 배양실 내에서 이루어 졌으며, 외부광원은 검은 천을 이용 하여 차단하였다.

    3 생육인자 측정

    LEDs 처리에 따른 차나무의 생육특성을 조사하고 자 식물의 생육발달 지표가 되는 초장길이(mm), 엽 수(No.), 뿌리수(No.), 뿌리길이(mm), 뿌리단면적 (mm2), 뿌리직경(mm), 생채중(g), T/R율, 엽록소함 량(SPAD value)을 조사하였다. 초장 길이는 베니어 캘리퍼스(Absolute IP67, Mitutoyo Co., Japan) 를 이용하여 배양배지 지면에서 정단까지의 길이 를 측정하였다. 엽록소함량 분석은 엽록소 측정기 (SPAD-502 Minolta, Japan)를 이용하여 정단으 로부터 2-3번째 엽을 대상으로 측정 하였고, 뿌리 형태 분석은 WinRHIZO 프로그램(WinRHIZO Reg 2008a, Regent Instrument Inc., Canada)을 이용 하여 조사하였다. 생체중 및 T/R율 측정은 모든 실 험이 끝난 45일 후 차나무 식물체를 기외로 꺼내 뿌 리에 묻은 배지를 완전하게 씻어 낸 후, 식물체의 지상부와 지하부 생체중을 전자저울(EX224G, Ohaus, USA)로 칭량하여 조사하였다. 모든 조사는 5일마다 실시하였으며, 각 처리 당 10본 이상 반복 조사하였다.

    4 광합성 반응 측정

    4.1 형광이미지 측정

    엽 형광이미지는 Portable Handy Cam (FluorCam 1000-H, Photon System Instruments Ltd, Czech Republic)을 이용하여 이미지화하였으며, 모든 식물 은 30분간 암적응 후 렌즈와 사이의 거리는 10cm로 동일하게 유지하여 카우츠키유도 방법으로 측정하였 다(Kautsky & Hirsch, 1931). 엽록소 형광반응 유 도를 위해 낮은 광에서 최초 측정되는 최소 형광값 (F0), 그 후 지속적인 포화광을 비추어 최고 형광값 (Fm)을 측정하고, 광합성이 진행되는 동안 포화광을 비추어 Fm’을 측정하였다. F0은 광계Ⅱ에 있는 엽 록소a 분자가 들뜬 후 에너지가 반응중심으로 이동 하기 이전에 나오는 형광을 말하며, 최대 형광값 Fm에서 최소 형광값 F0을 빼준 값을 Fv(=Fm-F0)라 고 한다. 또한 엽록소 형광의 비광화학 소멸(nonphotochemical quenching, NPQ)은 아래의 식을 이용하여 산출하였다.

    F v /F m  = F m  - F o /F m
    식 (1)

    NPQ = F m  = F m /F m
    식 (2)

    5 통계분석

    실험결과는 SPSS Version 24 (IBA, USA) 프로 그램을 사용하여 Duncan’s multiple range test 사후검정을 실시하여 평균값 간의 유의차를 비교하 였다.

    결과 및 고찰

    1 생육인자 측정

    기내배양에서 배지의 성분과 광, 온도 등을 포함 하는 물리 화학적인 변화는 식물의 생장뿐 아니라 2차 대사산물의 생합성에 영향을 주기 때문에 배 양조건의 확립은 매우 중요하다(Sakurai et al., 1997). 광질에 따른 차나무 기내배양묘 생장양상은 차이를 보였는데(Fig 1), 초장생육은 적색(Red), 청색(Blue), 혼합광(Red+Blue+White)에서 대조구 (Fluorescent)에 비해 모두 길게 자랐다(Fig 2). 특 히, 적색(11.77mm)은 대조구인 형광등(6.21mm)에 비해 약 2배 길게 자라는 특징을 보였기 때문에 차 나무 기내배양묘 초장생육에 있어 가장 효과적인 광 질인 것으로 판단된다. Moon et al.(2008)은 덩굴 용담 기내생장에 있어 식물의 묘고 생장은 적색광에 서 가장 양호하였다고 하였으며, 포도나무의 줄기생 장은 적색광 처리 시 촉진된다고(Poudel et al., 2008) 발표한 바 있는데, 본 실험에서도 일치하는 결과를 나타내었다.

    엽수에 있어서는 청색광(2.93개)에서 대조구(1.96개) 에 비해 많이 발생하여 엽생장에 효과적인 것으로 나타났다(Table 1). Kwon et al. (2012)은 거베라 기내 배양시 혼합광 처리에서 주당 엽수가 가장 많 았다 보고하였으며, Kim et al. (2004)은 배양소식 물체의 건물중, 엽면적 증대나 엽수 증가와 같은 영 양생장을 촉진하기 위해서는 적색과 청색의 혼합광 질이 효과적이라 하였다. 본 연구에서는 모든 처리 구의 엽개수는 통계적 유의성이 낮았기 때문에 처리 기간에 따른 엽생장 비교 등 이에 대한 추가적인 연 구가 필요할 것으로 판단된다.

    기내 발근에 있어서 혼합광 처리는 뿌리 수(2.44개), 길이(9.66mm), 단면적(1.63mm2)이 모두 높게 나타 나 발근에 효과적인 것을 알 수 있었다. 반면 청색 광 처리구는 뿌리수(1.40개), 길이(4.89mm), 단면적 (0.99mm2)에 있어 대조구보다 저조한 것으로 나타 났다. 정 등(2009)은 가시오갈피 배양에서 적색, 청 색 LED 및 형광등 하에서 발근율이 90% 이상으로 높고, 특히 청색광에서는 뿌리가 굵고 솜털같은 세 근이 발달되었으나, 원적색광(far-red LED)에서는 뿌리의 생육이 저조하다고 했다. 이 등(2014)은 미선 나무 배양에서 단일 청색광 LED, 청색 및 적색 혼 합광 LED에서 증식에 효과적이며, 형광등 및 청색 광 LED에서 발근이 효과적임을 보고한 바 있다. 일 반적으로 청색광은 식물의 건물중, 뿌리형성과 같은 영양생장 억제 및 줄기의 신장생장 억제효과가 있다 는 보고가 있는데(Kurilcik et al., 2008), 본 실험 에서도 차나무 기내발근에 있어서 혼합광 처리가 가 장 효과적이었으며, 청색광 처리는 뿌리형성에 저해 효과가 있음을 알 수 있었다.

    T/R율은 식물의 수분흡수를 담당하는 뿌리 무게 에 대한 증산을 담당하는 지상부 무게로, 지상부와 지하부의 균형을 측정하는 방법이다(Haase, 2007). T/R율은 혼합광 처리에서 가장 높은 값(1.21)을 나 타냈으며, 대조구에서 가장 낮은 값(0.74)을 나타냈 다. T/R율은 작물의 종류, 투입요소, 그리고 실험요 인에 따라 차이가 있는데(Rogers et al., 1996), 본 실험에서는 혼합광 처리가 차나무 기내배양묘 T/R 율 증대에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

    식물 잎의 엽록소 함량은 묘목의 생리적 상태, 식 물체에 흡수된 질소량, 광조건 등에 따라 다양하게 나타난다(Kwon et al., 1996). 엽록소 함량은 혼합 광 처리에서 가장 높은 값(36.07)이 나타난 반면 대 조구에서 가장 낮은값(23.19)으로 나타났다(Fig 3). 즉, 차나무 기내배양 시 혼합광 처리는 엽록소 합성 촉진에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 모든 광 질은 식물의 색소형성에 관여하는데(Debergh et al., 1992), Moreira da Silva et al.(1997)은 청색 광이 식물의 엽록소 합성에 중요한 요인이라 보고한 바 있다. 또한 Shin et al.(2008)은 청색광에서 자 란 식물에서 엽록소 함량이 높게 나타난다고 보고한 바 있는데, 본 실험에서는 혼합광 처리에서 엽록소 함량이 높아지는 결과를 보였다.

    2 광합성 반응 분석

    형광반응 이미지는 전체 엽면적을 대상으로 형광 방출을 측정할 수 있으며, 식물의 피해가 엽의 어느 부분에서 진행되며 어떻게 진행되는지를 비파괴적으 로 보다 쉽게 알 수 있는 장점이 있다(Sung et al., 2010).

    엽록소 형광이미지(CFI)는 형광강도에 의한 색의 변화를 근거로 하여 분석하였고(Fig 4), 각 처리 간 형광강도 범위 내 파란색은 형광강도가 낮고, 붉은 색은 형광강도가 가장 높음을 나타낸다. Fig 4의 형 광이미지 결과를 통해 혼합광 처리에서 높은 형광값 인 붉은색을 진하게 띄는 것을 확인할 수 있었고, 청색광 처리에서 낮은 형광값인 푸른색이 진하게 띄 는 것을 알 수 있었는데, 이러한 결과는 차나무 기 내배양 시 혼합광 처리는 청색, 적색, 대조구보다 광합성 효율이 높을 수 있음을 시사한다.

    Fv/Fm은 광계Ⅱ의 활성을 나타내주는 지표이며, 들뜬 에너지 포획능력을 나타낸다(Sung et al., 2010). 광질에 따른 차나무 기내배양묘의 Fv/Fm의 값은 복합광(0.77)>청색광(0.76)>적색광(0.74)>무 처리(0.73) 순으로 나타났으며, 각 처리구간 값의 차 이가 거의 없었다. 광계Ⅱ의 활성을 나타내는 Fv/Fm 은 비생물학적 스트레스에 대한 중요한 지표로 활 용되고 있으며, 일반적으로 건전한 식물의 최대양 자수득률은 0.8 내외로 알려져 있다(Demmig & Bjorkman, 1987;Lurie et al., 1994;Yoo et al., 2012). Fig 5

    한편 비광학적 소실을 의미하는 NPQ (nonphotochemical quenching)의 증가는 일반적으로 내생적, 외생적 스트레스에 대한 반응으로 알려져 있는데, NPQ의 증대는 민감한 수종들에서 나타나 며, 내성이 있는 식물에서는 NPQ가 증가하지 않는 다(James et al., 2002;Masojidek et al., 2000). 차나무 기내배양묘의 NPQ 값은 청색광에서 가장 높 은 값(0.92)을 나타냈으며, 반면 무치리에서 낮은 값(0.30)을 나타냈다. 이러한 결과는 청색광 하에서 엽록소 함량이 낮았던 것에 그 원인이 있는 것으로 보이며, 차나무 기내배양 시 청색광 처리는 배양묘 광합성 효율 억제에 기인하는 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 산림청(한국임업진흥원) 산림과학기술 연구개발사업(2018121A00-1920-AB01)의 지원에 의하여 이루어진 것입니다.

    Figures

    JALS-53-6-13_F1.gif

    Appearance of C. sinensis L. under various LEDs.

    A: Control(Fluorescent), B: Red, C: Blue, D: Red+Blue+White.

    JALS-53-6-13_F2.gif

    Growth index of in vitro cultured C. sinensis L.

    JALS-53-6-13_F3.gif

    Chlorophyll content(SPAD value) of in vitro cultured C. sinensis L.

    JALS-53-6-13_F4.gif

    The fluorescence image(Fm-Fo) of C. sinensis L under various LEDs.

    A: Control (Fluorescent), B: Red, C: Blue, D: Red+Blue+White.

    JALS-53-6-13_F5.gif

    Fluorescence parameters(Fv/Fm and NPQ value) of the C. sinensis L under various LEDs.

    Tables

    Growth characteristics of C. sinensis L under various LEDs

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