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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.54 No.2 pp.9-13
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2020.54.2.9

Effect of Storage Temperature on Pollen Germination and Viability of Bitter Gourd(Momordica charantia L.)

Sun-Young Lee, Ju-Youl Oh, Kyeong-Hee Jung, Jae-Uk An, Bo-Kyung Park, Hee-Dae Kim, Chul-Geon An*
Gyeongnam Agricultural Research & Extension Services, Jinju 52733, Korea

These authors contributed equally to this work.


*Corresponding author: Chul-Geon An Tel: +82-55-254-1412 Fax: +82-55-254-1419 E-mail: ancg@korea.kr
October 11, 2019 March 3, 2020 March 5, 2020

Abstract


Bitter gourd(Momordica charantia L.) was mainly cultivated in tropical and subtropical regions and used as traditional medicines for blood sugar reduction. Because of these medical activities, cultivation area increased, but fruit production was not uniform due to flowering habits sensitive to temperature and photoperiod. Bitter gourd is monoecious and artificially pollinated by bees or hands. The average ratio of male to female flowers is about 25:1 and the ratio is affected by photoperiod. The female flowers bloom up under short photoperiod of early development stage and pollen deposits are important for fruit production. This study was carried out to evaluate the effect of temperature on pollen longevity. The longevity of pollen was tested for 180 days at different storage temperature, i. e., room temperature, 4°C, -20°C and -70°C. Their viability lost relatively rapidly at room temperature and the rate of germination was 30% at -70°C storage pollen. The viability of pollen was also examined at four pollen storage temperature conditions, 25°C, 4°C, -20°C and -70°C. When pollen was stored at –70°C, viability and pollination rate was maintained similar level as fresh pollen. The result indicated that the temperature affected pollen viability and fertilization significantly and apply to effective pollen supply system for Bitter gourd production.



저장온도가 여주의 화분 발아와 활력에 미치는 영향

이 선영, 오 주열, 정 경희, 안 재욱, 박 보경, 김 희대, 안 철근*
경상남도 농업기술원, 원예연구과

초록


여주는 열대와 아열대 지역에서 재배되는 1년생 박과 채소로 혈당조절 등의 기능성이 알려지면서 재배면적이 증가하고 있다. 그러나 여주는 자웅동주이화 식물로 인공수분이 필요하고 온도나 일장에 민감하게 반응하는 개화특성 때문에 안정적인 수량 확보가 어려운 경향이 있다. 평균적으로 암꽃과 수꽃의 착생 비율은 1:25 정도이나 생육 초기 단일조건에서는 암꽃 발생이 많아 인공수분이 어렵다. 이 연구는 암꽃 비율이 높아지는 시기에 환경 조건과 관계없이 화분을 안정적으로 공급하고자 화분 활력 및 저장성 검정에 관한 연구를 수행하였다. 화분을 채취하여 상온(25°C), 냉장(4°C), 냉동(-20°C), 초저온냉동(-70°C)조건에서 180일간 저장하여 발아율을 조사한 결과, 상온에서는 저장 3일 경과 후 급격히 감소하였고 초저온냉동저장(-70°C)에서 발아율이 30%로 가장 높게 나타났다. 또한, 화분의 활력도 발아율과 같이 저장온도가 낮을수록 높은 경향을 보였으며, 초저온냉동저장(-70°C) 화분은 69%로 개화당일 화분의 74%와 유사한 수준이었다. 저장온도를 달리하여 저장한 화분으로 인공수분한 결과 결실률도 저장온도가 낮을수록 높게 나타났고, 상품과 평균과중은 처리 간에 큰 차이는 없었다. 이는 저장온도가 화분의 생존율과 결실률에 영향을 미치는 것으로 판단되어 여주의 안정적인 수량 확보를 위해서는 효과적인 화분 공급 체계가 필요할 것으로 생각된다.



    Rural Development Administration
    PJ013622

    서론

    여주(Momordica charantia L.)는 아시아, 아프리카 등 아열대 지역에서 자라는 1년생 박과 채소로 카라틴(charantin)이라는 성분 이 풍부하여 혈당 강하에 효과가 있다(Yadav et al., 2014;Lee et al., 2016). 여주는 자웅동주이화 작물로 암꽃은 개화 후 1일 정도 활력을 유지하지만, 수꽃은 아침부터 약이 터지면서 활력은 상대적으로 빨리 사라진다. 이러한 여주 생산을 위해서는 인공수분 과정이 필요한데, 이를 위해서는 화분이 발아력을 상실하지 않고 암술머리에 도달할 수 있어야 한다(Yadav et al., 2014).

    인공수분에서 수꽃의 발현은 중요하며 성표현은 유전적인 요소 와 환경적인 요소에 영향을 받는다. 여주의 꽃눈분화는 일반적으로 수꽃이 암꽃보다 50배 많이 피었다가 단일조건이 되면 암꽃의 비 율이 높아진다(Tusark et al., 2010). 화분은 온도, 일조, 강우, 습도 등 환경에 민감하게 반응하여 화분이 생성되지 않아 착과에 문제가 발생하기도 하고 보관 과정에서 꽃의 생육단계, 저장온도, 습도의 영향으로 화분의 활력 유지가 어려워지기도 한다(Akihama et al., 1979, Kaur & Dhatt, 2019). 그중 온도가 수분과 수정에 영향을 미치는 가장 중요한 요인으로 작용하여 저온 건조에서는 화분의 활 력이 유지되지만 수분 당일 저온은 화분관 신장이 억제되고 고온에 서는 주두의 활력이 감소하며 수정이 불량해진다(Jo et al., 2007).

    여주 화분을 효과적으로 저장하는 방법에 관한 연구가 지속되고 있는데, 화분의 장기간 저장을 위해서는 LN2 나 –80℃의 저온이 효과적이라고 보고하고 있다(Geng et al., 2013). 여주는 호박과 같은 박과 작물과는 다르게 착과 유도제를 이용한 단위결실 유도가 어려워 벌이나 손으로 인공수분하여 결실을 유도한다. 파종 후 35~55일이 경과되면 개화가 이루어지나 암꽃 발생이 많은 생육 초기에는 수꽃이 부족하여 인공수분이 어려워진다. 이러한 제한요 소는 착과율을 떨어뜨려 생산량 감소로 이어진다. 여주는 열대지역 에서 재배되기 때문에 방사곤충 활용방법이나 수분·수정 특성에 대한 연구가 대부분이고 화분저장에 대한 연구는 많지 않다. 본 연구는 과수와 같은 꽃가루 공급체계 구축을 위해 저장온도가 화분 의 활력에 미치는 영향을 분석하고 장기적으로 화분을 저장할 수 있는 최적의 조건을 구명하고자 한다.

    재료 및 방법

    1. 식물 재료와 화분의 수집

    여주 ‘드레곤’ 품종을 이용하여 2018년 4월부터 10월까지 플라 스틱 온실에서 재배하였다. 화분 수집은 5월부터 개화된 수꽃 150 화씩 수술만 채취하여 상온에서 4~6시간 건조한 후 106㎛ 체에 걸러내어 150mg 정도의 화분을 얻었다. 화분은 상대습도가 30% 이하로 유지되도록 실리카 겔을 동봉하였고, 저장온도(25℃, 4℃, -20℃, -70℃)를 달리하여 각각 보관하였다.

    2. 화분의 특성 관찰

    여주의 화분이 장기 저장하는 동안 저장 스트레스에 의해 외형 적인 차이가 발생하는지 확인하기 위하여 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)으로 관찰하였다. 각각의 온도에 저장된 화분은 1~2% potassium permanganate를 이용하여 고정 하고 에탄올에 탈수시킨 후 시료는 critical point dryer (E3100, UK)로 1시간 동안 건조시킨 다음 sputter coater (Polaron, UK)로 코팅한 후 주사전자현미경(LEO 1420VP, UK)으로 관찰하였다.

    3. 화분 발아시험 및 활력 검증

    여주의 화분 발아시험에는 BK배지(Brewbaker & kwack, 1964) (10% sucrose, 100mg·ℓ-1 boric acid, 300mg·ℓ-1 calcium nitrate, 200mg·ℓ-1 magnesium sulfate, 100mg·ℓ-1 potassium nitrate)에 1% agarose를 첨가하여 사용하였다. 조제된 배지는 페트리디쉬 (직경 35mm)에 분주하고 처리별로 3회 반복하여 화분을 치상하였 다. 28℃ 항온기에서 3시간 단위로 발아율을 조사하고 24시간 후 최종적으로 발아된 화분의 수를 측정하였다. 시료는 온도조건(2 5℃, 4℃, -20℃, -70℃)을 달리하여 6개월간 저장하였으며 저장기 간에 따라 화분의 발아율을 조사하였다.

    화분의 활력을 검증하기 위해 Lugol solution 염색법을 사용하 였다(Rathod et al., 2018). 슬라이드 글라스에 다른 온도조건(2 5℃, 4℃, -20℃, -70℃)에서 30일간 저장된 화분을 치상하고 lugol solution(Sigma, St. Louis, MO)을 1~2방울 떨어뜨린 후 커버글 라스로 덮고 염색이 될 때까지 5~10분간 암실에 놓아두었다. 광학 현미경(NiKon Eclipse Ci-L, Japan)으로 관찰할 때, 어두운 갈색 으로 염색된 화분은 살아있고 염색되지 않은 화분은 활력을 잃은 것으로 판단하여 숫자를 세어 분석하였다.

    4. 인공수분과 결실률 조사

    30일 저장된 화분은 발아력을 상실한 상온 저장조건을 제외하 고 결실률에 큰 차이가 없어서 당일 채취한 수꽃과 각기 다른 온도 (4℃, -20℃, -70℃)에서 60일간 저장된 화분을 사용하였다. 처리 별로 24개체씩 아침에 개화된 암꽃 주두에 묻혀 인공수분을 시행 하였다. 수분 5일 후부터 결실률을 조사하였고 수확 시 과실의 과 중, 과장을 조사하였다.

    5. 데이터 분석

    화분의 저장온도에 따른 인공수분 비율은 SPSS(ver.18.0) 통계 프로그램을 이용하여 Duncan multiple range test(P = 0.05)로 분석하였다.

    결과 및 고찰

    1. 화분의 형태적 특성

    여주의 수꽃은 5개의 수술을 가지고 있으며 약은 노란색의 화분 으로 덮여있다. 화분의 형태는 원형으로 직경이 60㎛이고, 표면은 네트형태로 3개의 발아공을 가지고 있다. 수꽃은 이른 아침에 개화 하여 당일 수정되지 않으면 낙화하기 때문에 극히 생명력이 짧은 편이다(Tharini, 2016). 이러한 단점을 보완하고자 화분을 채취하여 각기 다른 온도에서 저장하였고, 저장 중 온도나 습도변화에 따라 발생할 수 있는 외형적인 변화를 주사전자현미경으로 관찰하였다. 그 결과, 상온(25℃), 냉장(4℃), 냉동(-20℃), 초저온냉동(-70℃) 에서 1년간 저장된 여주의 화분은 형태적으로 큰 차이가 없었다 (Fig. 1). 이는 화기의 구조상 화분이 습한 편으로 저장 전 상온에서 충분히 건조한 후 저장하여 외관상의 변화는 확인할 수 없었던 것으 로 보인다.

    2. 화분의 발아율과 활력 변화

    저장온도(25℃, 4℃, -20℃, -70℃)를 달리한 화분의 발아율을 조사한 결과는 Fig. 2에 나타냈다. 그 결과 저장기간이 길어지면서 발아율은 감소하는 경향이었다. 화분은 상온에서 3일 이내에 발아 율이 30%로 떨어지고 저장 10일부터는 발아력을 상실하였다. 냉 장보관(4℃)된 화분은 저장 15일까지는 50%정도 활력을 유지하다 30일 경과부터는 15%로 급격히 감소하였다. 냉동(-20℃)과 초저 온냉동(-70℃)에 보관된 화분은 저장 30일까지 비슷한 수준으로 발아율이 감소하는 경향이었고, 180일경에는 초저온냉동 보관된 화분의 발아율이 30%로 가장 높게 나타났다(Fig. 2A). 이 결과는 아스파라거스나 작약의 화분을 낮은 온도(-70℃이하)로 저장할 경 우 활력이 감소하는 속도를 늦춰 발아력을 오래 유지할 수 있다는 연구보고와 동일하였다(Lora et al., 2006;Du et al., 2018).

    저장온도 조건을 달리하여 60일간 저장된 화분의 활력을 조사한 결과, 저장온도가 낮을수록 화분의 활력은 높은 경향이었다. 당일 채취한 수꽃은 74%이었고, 4℃로 냉장저장된 화분은 27%, 냉동저 장(-20℃)은 50%였으며 초저온냉동저장(-70℃) 화분은 69%로 개 화당일 화분의 활력과 유사한 수준이었다(Fig. 2B). 화분은 고온에 민감하여 결실률을 떨어뜨리는 주요인이고, 토마토, 딸기, 피망 등 에서도 고온이 화분 활력을 떨어뜨려 수량감소의 원인이 된다는 보고가 있다(Peet et al., 1998). 약의 융단조직(tapetum)은 화분 발달단계에서 영양공급이나 환경스트레스로부터 보호하는 기능이 있어 온도에 민감한 기관으로 알려져 있으며 특히, 고온 스트레스 는 화분의 탄수화물, 프롤린, 지방, 폴리아민, 호르몬 기능에 이상 을 일으켜서 화분의 활력에 영향을 미치는 것으로 보인다(Paupière et al., 2014).

    3. 화분 저장온도와 결실률

    결실률은 당일 개화한 수꽃으로 인공수분한 시험구가 90%로 가장 높았고, 초저온냉동저장(-70℃)과 냉동저장(-20℃) 화분이 각각 85%와 74%를 나타내었다. 상품과 평균과중은 냉동저장된 화분으 로 인공수분한 시험구가 206g로 가장 높았으나 통계적인 유의성이 인정되지 않았다. 저온에서 저장된 화분이 화분의 활력이 우수하 여 결실률이 높아지고, 수량이 증가할 가능성은 있으나 착과된 과 실의 품질적인 차이는 없는 것으로 판단되었다(Table 1, Fig. 3.). 초저온냉동(-70℃)보관 된 화분의 발아율이 180일까지 30%로 유 지되고, 결실률도 80%이상 유지되는 것으로 보아 이듬해 생육초기 수꽃이 적어 인공수분이 불가능한 경우 활용이 가능하고, 고온기 화분의 건조로 인공수분이 불가능한 경우에는 당해연도에 저장된 화분을 활용할 수 있으리라 판단된다(Fig. 2, Table 1).

    감사의 글

    본 연구는 농진청 지역특화작목개발사업(과제번호: PJ013622) 의 지원으로 이루어졌으며 이에 감사한다.

    Figure

    JALS-54-2-9_F1.gif

    Scanning electron micrograph showing the appearance of Bitter gourd pollen stored at different temperature for one year(x5,000). A: control(fresh pollen), B: 25℃, C: 4℃, D: -20℃, E: -70℃.

    JALS-54-2-9_F2.gif

    Change of Pollen germination and viability. A: Germination under different storage temperature(25℃, 4℃, -20℃, -70℃) and duration(3, 7, 10, 15, 30, 90, 180 days). B: Viability of pollen stored for one month at different temperature(25℃, 4℃, -20℃, -70℃), control(fresh pollen).

    JALS-54-2-9_F3.gif

    Floral morphs. of female(A, B) and male(C, D) fruit set pollinated with pollen stored at different temperature(E: 25℃, F: 4℃, G: -20℃, H:-70℃).

    Table

    Pollination rate and fruit set characteristics of Bitter gourd pollinated with pollen stored at different temperature

    Reference

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