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ISSN : 1225-8504(Print)
ISSN : 2287-8165(Online)
Journal of the Korean Society of International Agricultue Vol.30 No.1 pp.37-43
DOI : https://doi.org/10.12719/KSIA.2018.30.1.37

Effect of Chlorella(Chlorella fusca) Culture Solution Using Anaerobic Digestate on Seed Germination in Red pepper(Capcisum annuum L.)

Min Soo Choi, Un kab Seo, JiEun Byeon, Tae Jin Lhim, Jong Won Ryoo
College of Life Science, Sangji University, Wonju, 26339, Korea
Corresponding author +82-33-730-0516jwryoo@sangji.ac.kr
October 15, 2017 March 11, 2018 March 16, 2018

Abstract


The objectives of this study were to investigate the effects of concentrations of Chlorella culture solution using anaerobic digestate as culture medium and soaking treatment on the germination rate of red pepper seed. Treatment groups include 0(control), 50, 100, 150, 200 and 400% Chlorella culture solution groups as well as Chlorella culture filtrate solution group. The germination rate of red pepper seed for non-soaking treatment group was 86.7~95.6%, whereas that for soaking treatment group was 98.3~100%, indicating that soaking treatment caused increases in germination ratio by 5~12%. However, the germination rate for Chlorella culture filtrate solution group was 73.3%, lowered than that for Chlorella culture solution group. The germination speed of red pepper seed for soaking treatment group was faster by 1 day than that for non-soaking treatment group. Time required for reaching 80% germination was 1.1~1.2 days shorter for Chlorella culture solution treatment group, compared to control group. However, the germination speed for Chlorella culture filtrate solution treatment group was slower than that for Chlorella culture solution treatment group. The radicle length of red pepper seed for 150% Chlorella culture solution with soaking treatment group was 6.23 cm, which was 2 cm longer than that for control group. The relative radicle elongation for 150% Chlorella culture solution treatment group was 146%, which was higher by 46%, compared to control group. The germination index of red pepper seed for Chlorella culture solution treatment group was 130~150%, which was higher than that for control group. Treatment of Chlorella culture solution caused to increase the germination rate, shorten the germination period, and make the radicle longer. In conclusion, Chlorella culture solution could contribute to increase germination stability and make it possible to apply for acceleration of the seed germination.



혐기소화액을 배지로 이용한 클로렐라 배양액의 처리가 고추 종자 발아에 미치는 영향

최 민수, 서 운갑, 변 지은, 임 태진, 류 종원
상지대학교 생명과학대학

초록


    종자의 높은 발아율과 입모율은 작물의 수량을 증가시키는 주요한 요인이며(Mckeon & Stumpf, 1982), 발아시기와 육묘 초기 병원균에 대한 저항성은 다른 요인보다도 식물체의 생육 에 영향을 크게 미친다. 종자의 발아력 향상을 위한 처리방법 에는 여러 가지가 있지만 종자에 물리적,생리적 손상을 주지 않는 종자 처리기술 개발이 필요하다. 대부분의 종자는 농약에 의한 약품처리(Kim et al., 2001)나 소독에 의존하고 있으며 다양한 농약과 함께 처리방법이 개발되어 활용되고 있다. 그러 나 종자의 발아단계에서 농약을 사용하지 않는 기술은 친환경 농업의 필수요건이지만, 농약 대체 종자 처리기술 개발은 미흡 한 실정이다. 그 동안 종자의 출현율을 높이기 위해 사용하는 종자 처리기술로는 저온처리, 열처리, 호르몬처리, priming 처 리 등이 있다. 그 동안 물리적, 생리적 손상을 주지 않고 종자 처리로서 종자활력을 향상시키는 기술 개발에 많은 연구가 진 행되었다(Kang et al., 1996). 종자처리는 소량의 물질을 종자 에 처리함으로써 경제적이고, 처리 효율성을 극대화시킬 수 있 는 방안이며, 그 중 가장 효과적인 기법이 priming 처리이다 (Kang et al., 1996; Khan, 1992). 주요 가지과 작물인 고추 는 파종 후 발아 기간이 상온에서 보통 7~10일로 다른 작물 에 비해 다소 오랜 기간이 소요되기 때문에 priming 처리로 발아기간을 단축시킬 수 있다.

    미생물제제의 정확한 의미는 균체를 포함하는 미생물 배양 을 의미하는 것으로 미생물의 생균상태 혹은 사균상태로 유 용한 효과를 낼 수 있다. 미생물제제를 이용하여 육묘를 할 경우 작물마다 각기 다른 미생물이 다른 반응을 보이지만 주 로 종자의 발아촉진과 뿌리의 생장, 병해충 방제 등의 효과가 있다고 보고 되었다(Park et al., 2002). 클로렐라는 식물에 비해 5~20배 정도의 엽록소를 가지고 있다. 엽록소는 생물학 상 중요한 색소의 축적을 위해 태양광선을 흡수하는 것이며, 엽록소의 함량은 그만큼 더 많은 태양광선을 받아들일 수 있 는 최소한의 조건이 되며 엽록소의 함량이 높을수록 보다 풍 부한 영양분을 함유하게 된다(Lee, 2017).

    미세조류는 옥신, 지베렐린, 사이토키닌 등의 식물생장호르 몬과 아미노산, 미량요소를 함유하고 있어서 식물생장과 병원 균에 대한 저항성 증대가 보고되어 채소, 과일 기타 작물생산 에 이용이 늘어나고 있다(Pielesz & Kulec, 2010). 조류비료 는 종자 발아촉진. 작물 생육 촉진 및 수량증대를 목적으로 토양 및 엽면시비용으로 이용되고 있다(Hong et al., 2007; Khan & Al-Qurainy, 2009; Matysiak & Adamczewski, 2009). 클로렐라는 식량, 사료 작물과 경쟁하지 않는 바이오매 스로 평가되면서 세계적으로 상용화가 진행되고 있으며, 국내 에서는 클로렐라 시용에 따른 다양한 작물의 생육 증진 효과 가 입증되고 있어 상품성 있는 미생물 비료로 자리매김하고 있다(Lee, 2017). 클로렐라 배양액 및 추출물의 농업적 활용사 례는 적으나 클로렐라 배양조건을 빛과 암 상태로 조절하면 식물생장조절제인 옥신, 지베렐린과 사이토키닌의 농도가 빛 에 의하여 영향을 받는다는 결과가 보고된 바 있다(Stirk et al., 2014). 이러한 생리활성물질을 처리하면 작물은 생장하는 동안 일정 범위 내에서 활발한 방어기작을 가지게 되어 바이 러스, 세균, 곰팡이 등 병원균의 침입에 대하여 저항성을 발현 한다.

    미생물을 종자에 처리하여 식물 병을 방제하거나 유묘의 생 장을 촉진하는 연구는 많이 보고되고 있으나(Kong et al., 2010), 클로렐라 배양액이 종자발아에 미치는 효과를 조사한 연구는 많지 않다. 본 연구는 클로렐라의 배양액을 이용하여 종자의 발아단계에서 발아에 미치는 영향을 구명하기 위하여 클로렐라 배양액의 처리농도별 처리가 고추 종자 발아에 미치 는 영향을 조사하였다.

    재료 및 방법

    공시 혐기소화발효액

    클로렐라 배양 배지로 사용한 공시 액비는 혐기소화발효액 을 클로렐라 배양 영양배지로 사용하였다. 가축분뇨 혐기소화 발효액의 화학적 성분은 Table 1과 같다. 총질소 함량은 108 mg/L, 인산은 49 mg/L로 낮았으나, 칼륨 함량은 2,459 mg/L 으로 높았다. pH는 8.08, EC는 10.2 dS/m 이었다.

    공시 클로렐라 및 작물

    본 연구에서 사용된 클로렐라(Chlorella fusca) 균주는 농촌 진흥청으로부터 분양받아서 배양하였다. 본 클로렐라 종자처 리 실험에 사용된 공시작물은 고추(Capsicum annuum L.)로 하였으며 삼성종묘의 ‘PR-전국통일’ 품종을 사용하였다.

    처리구

    클로렐라 배양액의 종자 발아율에 미치는 영향을 구명하 기 위한 처리내용은 Table 2와 같다. 클로렐라 배양액의 처 리는 무침종처리구와 침종 처리구를 두었다. 클로렐라 배양 액 농도 처리는 클로렐라 배양액의 50% 희석액(50%), 클 로렐라 배양원액(100%), 클로렐라 1.5배액(150%), 클로렐라 2배액(200%), 클로렐라 4배액(400%), 클로렐라 배양여액, 무처리를 두었다. 이 때 사용한 클로렐라 배양원액은 실험 실에서 자체 배양하였으며 배양 원액의 세포수는 약 107 cell/ml 이었다.

    클로렐라 배양액의 농축액 제조

    클로렐라 배양액 처리농도는 클로렐라 배양액의 50% 희 석액, 클로렐라 배양원액, 1.5배, 2배, 4배액과, 배양여액을 제조하였다(Fig 1). 클로렐라 배양액의 농축은 원심분리기를 이용하여 4,000 rpm에서 5분 가동하여 상등액을 제거하고 침전된 클로렐라를 회수하는 방법으로 농축하였다. 1.5배액 을 만드는 과정은 클로렐라 배양원액을 약 66%수준으로 부 피를 감소하는 방식으로 농축액을 조제하였다. 클로렐라 1.5 배액 제조 과정은 배양액 100 ml를 50 ml씩 conical tube 에 2개로 나누어 담고 이중 하나의 클로렐라 배양액 50 ml 를 원심분리하여 침전된 클로렐라 세포를 회수하여 다른 50 ml의 클로렐라 배양액에 넣고 약 66 ml까지 상등액을 보 충하여 제조하였다. 클로렐라 2 배액 제조 과정도 해당 용 량의 부피를 50%를 줄이는 방법으로 하였다. 클로렐라 4배 액 제조과정은 배양원액의 부피를 25%로 줄이는 방식으로 실시하였다. 클로렐라 배양액의 50% 희석액은 원심분리해 서 침전된 것을 회수하여 나머지 50%의 배양액에 첨가하여 제조하였다. 클로렐라 배양 여액은 클로렐라 세포를 제거한 처리효과를 구명하기 위하여 처리구를 두었으며, 제조 방법 은 클로렐라 농축과정 중에 침전하는 균체를 분리 한 후 상등액을 분리하였다.

    클로렐라 처리 방법

    클로렐라 배양액의 처리방법은 무침종 처리구와 침종처리구 를 두었다. 무침종 처리구는 고추 종자를 페트리디쉬(9.0× 1.5 cm)에 흡습지(whatman no. 2)를 깔고 30립을 치상하고 4 반복으로 수행하였다. 클로렐라 배양액의 투입량은 페트리디 쉬 당 5 ml을 주입하였다. 대조구는 페트리디쉬 당 증류수를 5ml를 주입하였다. 치상 후 48시간 후에 페트리디쉬 내의 수 분을 점검하여 필요시 모든 페트리디쉬에 증류수 2 ml를 보충 하였다.

    클로렐라 배양액 침종처리는 각 처리구별 15 ml conical tube에 공시 종자를 30립을 넣은 후 클로렐라 배양액 5 ml을 채워 종자를 침종시켰다. 대조구는 고추 종자에 5 ml 증류수 를 침종하였다. 종자 침종은 수족관용 산소발생기와 에어호스 를 이용하여 공기를 넣어 주었으며 공기량은 종자가 튜브에 침전되어 있지 않고 계속 용액 속에서 진탕 상태로 24시간을 침종하였다. 침종 후 종자를 꺼내어 거즈로 수분을 제거하고 종자 발아시험에 이용하였다. 무침종 처리와 침종처리는 동일 한 배양기에 치상하였다.

    종자 발아 검정

    종자발아 시험 방법은 종자발아법에 의거하였다. 종자발아 상은 growth chamber(HB-301S, 한백과학)를 이용하였으며, 생육상의 온도는 25±1°C, 습도 85±2°C 조건에서 실시하였다. 배양기에 인공적인 빛은 조사하지 않았다. 발아조사는 종자를 치상 후 1일 간격으로 조사하였다. 조사항목은 발아율, 상대적 발아율, 발아세, 평균 유근길이, 상대적 유근 신장율를 조사하 였으며 유근길이는 종자발아 종료 후에 일괄적으로 조사하였 다. 종자의 80% 이상이 발아한 일 수(T50), 평균 발아 소요 일수(MGT)등을 조사하였다. 상대발아율(GR), 상대뿌리 신장 율(RE)은 아래 공식을 이용하여 계산하였다.

    • 1) 상대발아율(GR, relative germination ratio) 1) = (처리구의 발아율/ control 발아율) × 100

    • 2) 상대유근 신장율(RE, relative root elongation) 1) = (처리구의 유근길이/ control 유근길이) × 100

    • 3) 발아지수(GI, Germination index) 1) = 상대발아율(GR) ×상대 유근길이(RE) / 100)

    통계 분석

    통계분석은 MS-EXCEL 2010과 SAS(version 8.0)를 활용 하여 분산분석을 하였고, 처리후 평균구간의 비교는 Duncan 의 다중검정을 실시하였다.

    결과 및 고찰

    발아율에 미치는 영향

    혐기소화 발효액을 배지로 이용한 클로렐라 배양액의 처 리 농도별 무침종 및 침종처리에 따른 고추 종자 발아율은 Table 3과 같다. 고추 종자 발아율은 무침종 처리구에서 클 로렐라 원액(100%) 및 150% 처리구의 발아율은 95.6%로 대조구의 88.9%보다 다소 높게 나타났다. 최종 발아율은 클 로렐라 배양액 처리구에서는 처리 농도에 상관없이 88% 이 상 이였으며, 클로렐라 200, 400% 처리구의 발아율은 각각 88.7%와 91.1%를 보여 클로렐라 농축액 처리구도 발아가 억제 되지 않았다. 대조구 고추 종자는 치상 후 3일에 70% 발아율을 보였지만, 클로렐라 배양액 원액, 150% 처리 구는 치상 후 3일째 80%이상의 발아율을 보여 발아촉진을 위한 클로렐라 배양액 처리 효과를 잘 반영해 주었다. 클로 렐라 배양액 무침종 처리구는 86.7~95.6%의 발아율을 보였 고, 침종한 종자의 발아율은 98~100%로 침종처리구의 발아 율이 8% 높게 나타났다. 종자 침종의 기본개념과 목적은 낮은 수분포텐셜을 지닌 삼투용액에 종자를 침지하여 종자 의 수분흡수를 제한시킴으로써 수분흡수의 유도기 기간을 연장시키는 처리이며 종자의 발아 속도와 균일성을 높이기 위한 것이다. 이러한 결과는 양파종자에 priming처리하여 대 조구보다 발아세가 향상되었다(Dearman et al., 1986)는 기 존의 보고와 같은 경향을 보여 클로렐라 배양액의 침종에 의한 프라이밍 효과를 나타낸 것으로 보인다.

    상대 발아율

    클로렐라 배양액의 처리 농도 및 처리방법에 따른 고추종자 의 상대 발아율은 Table 4와 같다. 상대 발아율은 대조구의 최종발아율에 대한 처리구의 최종발아율의 상대적인 증가를 나타내는 값이다. 클로렐라 배양액의 무침종 처리구의 상대 발 아율은 클로렐라 배양액 원액, 150% 처리구에서 108%로 무 처리구 보다 8% 높았다. 침종처리구의 상대발아율은 클로렐 라 배양 원액, 클로렐라 배양액 150% 처리구의 상대발아율이 각각 110, 112%를 나타내어 침종처리한 처리구가 대조구보다 발아율이 높게 나타났다. 클로렐라는 강력한 생육 촉진 호르 몬 물질을 함유하고 있어서 식물 발아를 촉진시키는 효과가 보고되었다(Hong et al., 2007).

    발아속도

    로렐라 배양액의 처리 농도 및 처리방법이 고추 종자의 발 아세에 미치는 영향을 조사한 결과는 Table 5와 같다. 발아세 측정은 치상 후 72시간까지의 발아율로 나타내었다. 클로렐라 배양액 처리구의 발아세는 82~89%로 대조구 71.1%와 클로렐 라 세포를 제거한 클로렐라 여액처리구 73.3%에 비해 약 10% 이상 높았다.

    침종 처리의 경우 클로렐라 배양원액과 150% 처리구의 발 아세는 78.3, 85.0%를 나타내어 무처리구(증류수 침종)의 70% 보다 8~15% 높았다. 클로렐라 200, 400% 처리구의 발아세는 각각 73.3, 71.7%를 나타내어 대조구와 유의한 차이를 나타내 지 않았다. 고추 종자의 발아율이 80% 도달할 때까지 소요되 는 일수(T80)은 클로렐라 배양액 처리구가 2.8~2.9일로 무처 리의 4일보다 평균 1.1~1.2일 빨랐다. 침종 처리 종자의 80% 발아 소요일수(T80)은 무처리 종자가 3.7일인데 비해 클로렐 라 배양 원액 및 150% 처리구의 종자는 2.8~2.9일로 1.1~1.2 일 이상 단축되는 경향을 보였다. Dobrzański et al. (2008)은 0.5% 조류 배양용액의 처리가 양파 및 파슬리 종자의 발아율 을 증진시켰다고 보고하였다.

    고추종자 유근길이 및 상대적 유근신장율

    클로렐라 처리 농도와 처리방법을 달리하여 고추 발아 기간 동안 고추종자 유근길이에 영향에 미치는 효과를 조사한 결과 는 Table 6과 같다. 클로렐라 배양액 무칩종 처리의 경우 클 로렐라 원액 처리구의 고추종자 유근길이가 5.99 cm로 클로렐 라 무처리의 4.25 cm에 비하여 1.74 cm 길었다. 클로렐라 150%을 처리한 고추 종자의 유근길이는 5.75cm로 대조구보 다 길게 나타났다. 클로렐라 배양액 원액과 150% 배양액을 처리한 고추의 유근길이가 무처리에 비하여 각각 44, 35% 길 어지는 것으로 나타났다. 클로렐라 배양액 50%희석액과 클로 렐라 4배액 처리구의 유근길이는 대조구와 비슷한 길이를 보 였다.

    클로렐라 원액, 150%, 200% 배양액 침종처리구의 유근길이 는 6.23 cm로 대조구(증류수 침종처리)보다 약 2 cm 긴 150% 의 상대적 유근신장률을 나타내었다. 또한 클로렐라 여액의 침 종처리구의 상대적 유근신장률은 138%로 대조구에 비해 높았 다. 클로렐라 50%배양액 처리구와 원액처리구 및 150% 처리 구는 무처리구에 비해 각각 28, 27, 46% 높은 유근생장률을 보였다.

    클로렐라 배양액 처리구에서 유근길이가 무처리구에 비해 높게 나타난 것은 클로렐라 배양액의 내생호르몬, 즉 옥신과 사이토키닌의 영향으로 사료된다. 클로렐라는 배양시 식물생 장조절제(plant growth regulators)인 내생 옥신(auxin)과 사이 토키닌(cytokinin)의 농도는 주간 명기, 야간 암기 배양조건에 서 증가하는 것으로 보고하였다(Stirk et al., 2014).

    발아지수

    클로렐라 배양액 처리농도와 처리방법이 고추 종자의 발 아지수(GI)에 미치는 영향을 조사한 결과는 Table 6과 같다. 발아 기간 중 발아와 함께 유근신장에 미치는 영향을 고려 한 평가방법이 될 수 있는 발아 지수를 이용하였다. 발아지 수는 상대발아율(GR, relative gemination ratio)과 상대유 근지수(RE, relative radicle elongation)를 곱한 값으로 나 타내었다. Table 7

    클로렐라 배양액 원액과 150% 배양액 무침종 처리구의 발아지수(GI, germination index)는 각각 155, 149로 대조 구 보다 높았다. 클로렐라 배양액 150, 200% 침종 처리구 의 발아지수는 대조구보다 각각 163, 144로 높았다. 발아지 수는 식물 종자를 대상으로 미숙퇴액비 중에 존재하는 여러 가지 독성물질에 의한 피해를 간접적으로 측정하는 것으로 종자 발아율과 뿌리생장률을 통해 독성여부를 평가하는 방 법이다(Paik et al., 1998). 발아지수가 70 이하는 식물종자 의 발아와 식물생장에 나쁜 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Morel et al., 1985). 클로렐라 배양액 처리구의 발아 지수가 100~150 사이로 높은 결과를 나타내어 독성은 없는 것으로 생각되었다.

    적 요

    본 연구는 혐기소화액을 클로렐라 배양 배지로 이용하여 클 로렐라 처리 농도 및 침종 처리방법에 따른 고추 종자의 발아 율에 미치는 영향을 구명하고자 수행하였다. 고추 종자는 증 류수(대조구), 클로렐라 배양액의 50% 희석액(50%), 클로렐라 배양원액(100%), 클로렐라 150, 200, 400% 농축액, 클로렐라 배양여액, 대조구를 두었다.

    클로렐라 배양액의 무침종 처리구가 86.7~95.6%의 발아율 을 나타낸 것과 비교해 볼 때, 침종 처리구의 발아율은 98.3~100%로 5~12% 높은 발아율을 나타내었다. 그러나 클로 렐라 배양여액 처리구의 발아율은 73.3%로 클로렐라 배양액 보다 낮았다. 클로렐라 침종처리구의 발아속도는 무침종 처리 구보다 1일 빨랐다. 고추 종자의 80% 발아 소요 시간은 클로 렐라 배양액 처리구가 대조구보다 1.1~1.2일 빨랐다. 그러나 클로렐라 배양여액 처리구의 발아속도는 클로렐라 배양액 보 다 낮았다. 클로렐라 배양액 150% 침종 처리구의 유근길이는 6.23cm로 대조구보다 약 2cm 더 길었다. 상대적 유근신장률 은 클로렐라 150% 침종처리구에서 146%로 대조구보다 46% 높게 나타났다. 클로렐라 배양액 처리구의 고추 종자 발아지 수(GI)는 130~150%로 무처리구 보다 높았다. 클로렐라 배양 액 처리는 고추 종자 발아율이 높았고 발아기간이 단축되고 유근이 길어지는 효과를 나타내었다. 결론적으로 클로렐라 배 양액은 고추 종자 발아에 안정성이 높았고 종자의 발아 촉진 에 유용하게 적용이 가능하였다.

    ACKNOWLEDGMENTS

    본 연구는 농촌진흥청 연구과제인 가축분뇨와 농업분야 재 활용 자원을 이용한 통합혐기소화 및 혐기소화액 처리기술 개 발(PJ012851)과제에 의해 이루어졌으며, 이에 감사드립니다.

    Figure

    KSIA-30-37_F1.gif

    Photography of 50, 100 of culture solution, 150, 200, 400% of concentrate and filtrate of Chlorella

    Table

    Chemical properties of anaerobic digestate used in Chlorella culture

    Treatments contents of seed germination test for different Chlorella culture solution

    Effect of different concentrates of Chlorella cultural solution on germination(%) of red pepper seeds between non-soaking and soaking treatment

    Effects of different concentrate of Chlorella cultural solution on relative germination ratio(%) of red pepper seeds between non-soaking and soaking treatment

    *Means followed by the same letter in a column are not significantly different at P=0.05 according to DMRT.

    Effects of different concentrate of Chlorella cultural solution on germinative energy(%) of red pepper seeds between non-soaking and soaking treatment

    *Means followed by the same letter in a column are not significantly different at P=0.05 according to DMRT.

    Effects of different concentrate of Chlorella cultural solution on radicle length and relative radicle elongation of red pepper seeds between non-soaking and soaking treatment

    *Means followed by the same letter in a column are not significantly different at P=0.05 according to DMRT.

    Effects of different concentrate of Chlorella cultural solution on germination index of red pepper seeds between non-soaking and soaking treatment

    *Means followed by the same letter in a column are not significantly different at P=0.05 according to DMRT.

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