서 언

전 세계적으로 널리 재배되는 채소인 고추는 한국인의 식문 화를 대표하는 김치와 고추장의 원료로서, 국민 1인당 연간 3.1 kg를 소비하고 있다(MARFA, 2020). 최근 급격히 증가하는 대기 중 이산화탄소 농도의 영향으로 지구온난화에 의한 기후 변화가 급격히 진행되고 있고 이로 인한 기상재해도 재배현장 에서 더욱 잦아지고 있다. 과거에 비해 대기 중의 이산화탄소 농도는 지난 한 세기 동안 100 ppm 가까이 증가하여 2019년 기준 이산화탄소 농도는 407.4 ppm을 기록하였다 (savingnature.com/climate-change, 2021). 또한 이산화탄소는 주 요 온실가스 중의 하나인 대기 중의 열이 지구 밖으로 정상적 으로 빠져 나가지 못하게 하기 때문에 온난화를 가속시키는 주요 요인이다. 2020년도에는 유래없이 긴 장마로 인해 평년 대비 농작물 생산량이 크게 감소되었다. 작물이 장시간 물속 에 잠기게 되어 침수 피해를 받게 되면 식물체는 생리장해를 입게 된다.

국내 고추 재배지 중 일부는 재배토양의 특성상 물빠짐이 불량하거나 상습 침수지대에 재배하여 자주 침수된다. 침수가 발생하면 토양은 구조적 변형이 발생되며 산소가 결핍되고 그 로 인해 식물의 뿌리는 호흡이 불량으로 생장이 위축되고, 부 패가 진행되어 작물은 생육이 감소하고, 심하면 호흡 곤란으 로 부패가 진행되어 고사하게 된다. 최근 이산화탄소 농도가 매년 2.24 ppm씩 증가하고 있는 현재의 기후환경은(WMO greenhouse gas bullentin 14, 2018) 가까운 미래에 많은 작 물중에서 노지작물의 재배에 상당한 어려움이 예상된다. 또한 온난화 환경하에서는 과다강우의 발생도 잦아져 침수피해가 더욱 빈번하게 발생될 확률이 높다.

채소의 생산은 재배기간 동안 환경조건에 많은 영향을 받는 데 대부분의 채소는 침수와 같은 배수불량 환경에 매우 취약 하다. Suh(1987) 등은 고추를 침수 처리시 24시간 이내에 침 수피해가 발생되기 시작하였으며 48시간 이내에 시험구의 90%가 피해를 나타냈으며 시험에 이용된 고추는 1주일 이내 에 전부 고사 되었다고 보고하였다. 일반적으로 채소에서 침 수피해가 발생되면 뿌리로 정상적인 산소공급이 되지 않아 근 권 부위의 뿌리 호흡이 저해 되어 피해가 급격히 나타나게 된 다. 토마토가 침수되면 내성 에틸렌이 축적되어 피해가 나타 나며(Drew 1979). 고온 조건에서 침수되었을 때는 짧은 시간 에 위조되거나 고사된다는 보고가 있다(Kuo 등, 1982). Lee 등(2017)은 침수시간이 길어질수록 생육과 광합성 및 근환력 과 수량이 감소되었다고 하였으며, 72시간 침수후 물을 빼주 었을 때 9일 경과후 광합성과 기공전도도가 정상수준으로 회 복되었다고 보고하였다.

고추는 침수가 진행되면 광합성과 기공전도도가 떨어지고, 과실의 크기와 과중도 감소되며, 가용성 단백질과 유리당, 비 타민 C, E 등의 함량도 감소한다. 또한 침수는 수체내의 1- aminocyclopropane-1-carboxylate oxidase 1, catalase(CAT2) 및 pyruvate kinase(PK) 유전자의 활성도 감소시킨다(Li-Jun Ou 등, 2017). 최근 일부 Ca²⁺를 외부에서 살포하였을 때 침 수 스트레스를 경감시키고 수체의 회복을 돕는다는 결과가 보 고되고 있다(Ou et al., 2017).

토양수분 조건에 민감한 고추의 생태적인 특성을 고려할 때 습해에 저항성이 강한 고추 품종의 선발, 육성 및 재배기술 개발이 반드시 필요하다. Yang 등(2017)은 침수에 저항성인 고추 계통 및 감수성 계통을 선발하여 침수조건에서 발현에 차이를 보이는 유전자를 구명한 바 있다. 침수에서 재배 안정 성을 보이는 자원을 선발하여 육종에 이용한다면 이상기후에 따른 침수 시에도 안정적인 고추 재배 및 생산이 가능한 고추 품종개발을 할 수 있을것으로 기대된다.

본 연구는 기후변화에 대응한 침수에 잘 적응하는 고추 유 전자원을 선발하고 이를 육종재료로 활용하기 위해 수행되었다.

재료 및 방법

본 시험은 대만 타이난 선화에 있는 세계채소센터 본부의 시험포장에서 수행되었다. 본 연구를 위해 세계채소센터 내 유 전자원센터에 보유 중인 4개종의 고추 8계통을 공시재료로 하 여 시험을 수행하였다(Table 1). 고추 종자들은 세계채소센터 의 시험처리 및 조사방법에 따라 종자를 살균하여 72공 트레 이 포트에 피트모스를 이용하여 2020년 6월 1일에 파종하였 다. 건전한 유묘를 시험에 이용하기 위해 시험 전 종자에 대 한 바이로이드 검사는 세계채소센터의 바이로이드 검사 프로 토콜에 따라 세계채소센터 종자활력 연구실에서 수행하였다 (Chen et al., 2019;Hoshino et al., 2006). 발아된 고추 유 묘들에 대해서는 2020년 7월 1일에 5인치 화분에 이식을 하 여 시험처리 전까지 세계채소센터의 포장 방제력에 따라 병해 충 방제를 하였다. 2020년 8월 1일에 시험을 위해 각각의 계 통별 4주의 유묘를 폴리에틸렌 비닐하우스에 이식하고, 침수 처리구와 무처리구 당 각각 8점의 고추 유전자원을 완전임의 배치법 5반복으로 시험을 수행하였다. 시험을 수행하는 동안 수분관리는 -30 kpa이 유지하도록 관수를 실시하였다.

침수처리 시험을 위해 고추 유묘들은 시험 당일 각 처리구 에 물을 채워 유묘의 뿌리가 1~2 cm 잠길 때까지 화분 밑에 서부터 20 cm 높이까지 충분히 침수처리 하였다(Fig. 1). 침수 기간은 시험 시작 후 5일간 진행되었으며 이후 침수처리가 끝 난 후 침수된 물을 제거 하였다. 시험 기간 동안 시험이 수행 된 온실내 온도는 디지털 온도계(HOBO, Pro V2, USA)를 시험수와 같은 높이에 백엽상을 설치하여 내부에 온도계를 넣 고 조사하였다(Fig. 2).

수체 생육 및 위조지수 조사

식물체의 생육반응을 조사하기 위해 침수 처리 전 초장은 지면에서 정단부까지 초폭은 고추상부에서 가장 넓은 부분의 폭을 줄자로 측정하였다. 시험 개체들의 엽온 반응을 조사하 기 위해 적외선 온도계(AZ8895, Germany)를 이용하여 완전 히 전개된 성엽을 기준으로 오전 10시경에 엽온을 3회 측정 하였다. 고추 잎의 SPAD(Soil Plant Analysis Development) 지수를 조사하기 위해 SPAD 메터(502, Minolta, Japan) 를 이용하여 완전히 전개된 성엽을 3회씩 측정후 평균하여 자료 를 수집하였다. 침수반응을 알기 위해 고추 잎이 위조되는 지 수를 0(정상)부터 3(고사)까지 세분하여 개체별로 위조지수를 평가하였다(Fig. 3).

Proline 분석

시험에 이용된 Proline 함량을 조사하기 위해 Claussen 등 (2004)이 제시한 분석방법을 변형하여 시험을 수행하였다. 분 석을 위해 침수 후 3일째에 성엽을 대상으로 각 식물체당 4개 의 잎을 채취하였다. 채취된 잎은 생체시료를 3일동안 -72°C 에서 동결건조(Il Shin BioBase, South Korea)한 후 액체질소를 이용해 0.3 g의 시료와 1.5ml의 3%(W/V) 액체 sulfosalicylic 용액을 넣고 균질화 하였다. 균질화는 14,000rpm에서 7분간 진행하였으며, 이후 1 mL의 상등액을 5 ml 마이크로튜브에 넣 고 1 ml의 ninhydrin과 1 ml의 glacial acetic acid를 넣었다. ninhydrin용액은 ninhydrin 2.5 g/ml에 glacial acetic acid, 증 류수, 및 6M ortho-phosphoric acid 85%을 각각 6:3:1 비율 로 넣었다. 시료의 반응은 1시간동안 항온수조에서 보관하며 진행시켰다. 반응 종료 후 비색계(ON, Bio Tek Instruments, USA)를 이용하여 546 nm에서 흡광도를 측정하였다. 검량선은 0, 4, 8, 12, 16, 및 20 μg/ml으로 정하여 측정하였다.

화분 활력 분석

화분활력 조사를 위해 침수 후 3일째 오전 8시부터 9시 사 이에 처리별로 개화 전 봉우리 상태의 고추 꽃을 채취하였다. 화분에 대한 온도처리를 위해 반복당 6개의 꽃을 각각의 처리 별로 채취하여 무처리(대조구, 25°C), 고온 45°C, 50°C로 설 정된 인큐베이터(LTI-600SD, EYELA, Japan)에 1시간 동안 방치 후 분석하였다. 고추 꽃가루는 고추의 약에서 채취하여 1.5 ml Eppendorf 튜브에 넣어 실험에 이용하였다. 채취된 화 분을 갖고 있는 각각의 Eppendorf 튜브에 0.75 ml AF6 화분 버퍼를 첨가하고 버퍼 용액내에서 화분이 잘 혼입되도록 흔들 어준다. 이 용액을 다른 1.5 ml Eppendorf에 Cell Trics 50 μm 직경의 필터를 이용하여 여과하였다. 이후 AF6 버퍼용 액 0.75 ml을 필터를 통해 첨가하였다. 시료들은 화분활성을 잘 분석하기 위해 화분 알갱이들이 용액내에 잘 섞이도록 흔 들어 주고 Impedance flow cytometry (IFC) (Ampha Z32, Amphasys, Lucerne, Switzerland)를 이용해 분석하였다. 화분 을 분석하는 시료들은 2-12MHz로 설정된 IFC에 80 μm 채 널칩을 이용하여 기기 내로 시료를 주입하였다. 시료들은 처 음 주입 후 2분이내에 12,000개의 화분 알갱이를 읽을 때 분 석이 정지되도록 설정하였다. 화분 활력은 활성과 비활성 화 분 두 그룹으로 나눠 비율을 분석하였다.

통계분석

본 실험에 이용된 생육조사 및 분석 실험 데이터는 SAS Enterprise Guide 7.1 (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA) 통계 소프트웨어를 사용하여 분산분석(ANOVA) 하였고, 평균 간 유의차 검정은 5% 유의수준에서 Duncan 다중검정을 실시 하였다.

결과 및 고찰

Fig. 4은 고추 8 계통을 대상으로 침수처리구와 대조구간의 초장을 조사한 결과이다. 침수 당일(1일차)에 비해 침수처리 5 일차의 조사에서 대조구의 초장은 대체로 증가하였으나 12번 계통은 유의성 있는 차이가 없었다. 반면, 침수 처리구에서는 대체로 초장의 증가 폭이 적어서 침수 초기와 비슷하였다. 그 러나 8번과 15번 계통은 다른 처리구에 비해 유의하게 증가 하였다. 대체로 침수처리로 인해 초폭은 침수 첫째날에 비해 모든 처리구의 품종에서 감소하는 결과를 나타냈다(Fig. 5). 특 히 3, 12, 15, 22, 27, 29번 계통은 침수처리 후 유의하게 초 폭이 감소하는 결과를 나타냈다. 반면 8, 9 및 12번 계통은 침수처리구와 대조구 간 유의한 차이를 나타내지 않았다.

고추 8 계통을 대상으로 침수처리구와 대조구간 엽온을 조사 한 결과, 29번을 제외하고 모든 계통에서 대조구에 비해 침수 구에서 엽온이 유의하게 증가하는 결과를 나타냈다. 특히 침수 처리구에서는 대조구에 비해 평균 1.3°C 엽온이 증가하였으며 9번 계통은 침수 처리구에서 대조구 보다 엽온이 2.5°C 높은 결 과를 나타냈다. 반면 29번 계통은 대조구의 온도가 약간 높게 유지되었으나 통계적인 유의성은 인정되지 않았다(Fig. 6).

식물은 스트레스 환경하에서는 엽온이 변화하며 특히 침수 조건에서 엽온이 높아진다(Kang et al., 2007). 이는 침수조건 에서 식물체는 토양으로부터 정상적인 뿌리 호흡이 어려워 뿌 리를 통한 양수분 흡수가 원활하지 못하므로 잎으로의 수분공 급 부족으로 잎의 기공이 닫히는 환경에 놓이게 된다(Kuo과 Chen, 1980;Carpenter과 Mitchell 1980). 이러한 환경조건에 서 주간의 태양광 에너지를 받게 되는 침수된 식물체는 정상 적인 광합성이 일어나지 않아 잎의 증산작용이 억제되고 잎에 태양광 에너지가 쌓이게 되어 잎의 온도가 오르게 되는 것이 다. 본 시험에서도 침수 처리구에서 잎의 온도가 상승하는 결 과를 확인하였다. 따라서 침수조건에서 엽온을 조사함으로 침 수 내성 자원을 선발하는데 하나의 지표로 활용할 수 있을 것 으로 판단되었다. 특히 식물체의 심각한 침수피해 증상은 침 수 이후 기온이 급격히 상승할 때 발생하며 토마토에서도 짧 은 기간의 침수 발생시 기온상승에 의해 식물체가 위조되고 심하면 고사 된다는 보고가 있다(Dar et al., 2016).

Fig. 7는 고추 8계통을 대상으로 침수처리구와 대조구간 위 조지수를 평가한 결과이다. 침수 후 3일째의 조사에서는 27번 계통을 제외하고 침수처리구에서 위조지수가 0.5 이내에서 유 지되어 침수로 인한 심각한 위조반응은 보이지 않았다. 반면 27번 계통은 위조지수가 1.5 이상으로 나타나 침수 스트레스 를 강하게 받은 것으로 나타났다. 침수 후 5일째 조사에서 3, 15, 27 및 29번 계통들의 위조지수가 2.0 이상으로 나타났다. 그러나 8번과 12번 계통은 위조지수가 0.5 이하로 매우 강한 침수 저항성을 나타내었다.

Fig. 8는 계통간 침수처리에 따른 SPAD 지수를 나타낸 결 과이다. 침수 후 5일째 조사결과 모든 처리구에서 SPAD 지수 가 유의하게 감소하는 결과를 나타냈다. 침수처리구의 평균 SPAD 지수는 50.8로 대조구의 56.7에 비해 10%감소하였다. 특히 9번 계통은 다른 계통에 비해 유의하게 감소폭이 컸으며 대조구에 비해 18.6% 낮았다. 침수시 식물체의 뿌리에서 양수 분흡수가 불량해져 특히 질소의 흡수량 감소로 엽내 질소함량 이 감소한다는 기존의 보고들에 비추어볼 때(Kang et al., 2008;Patel et al., 2014) 본 시험에서도 고추 침수시 뿌리로 부터 질소흡수가 원활히 진행되지 않아 잎의 엽록소가 침수 스트레스로 인해 감소된 것으로 판단된다.

Fig. 9은 계통간 침수처리구 및 대조구 간 엽내 proline 함 량을 조사한 결과이다. 대체로 침수처리구에서 대조구에 비해 엽내 proline 함량이 유의하게 증가한 결과를 나타냈다. 특히 3번 계통과 27번 계통은 대조구에 비해 침수구에서 각각 28.8 배와 27.3배 proline 함량이 증가하였다. 반면 침수에 따른 잎 의 위조반응이 적었던 8번과 22번 계통은 proline 함량 증가 가 대조구에 비해 각각 4.9와 4.8배 증가하였는데 그쳐 침수 처리구와 대조구간 큰 차이를 나타내지 않았다. 그러나 Fig. 7 에서 침수에 따른 위조반응이 양호했던 12번 계통은 8번 계 통과 달리 침수 처리후 proline이 17.4배 증가하였다.

많은 연구결과에서 식물이 스트레스 환경에 처하면 proline 함량이 증가한다고 보고한 바 있다(Dar et al., 2016, Hare and Cress, 1997). proline은 세포내의 삼투압을 조절하여 스 트레스 환경에 잘 적응하도록 돕는 중요한 역할(Hare and Cress, 1997)을 하며, 높은 염류(Yoshiba et al., 1995), 건조 (Choudhary et al., 2005), 양분결핍(Hare and Cress, 1997), 병해충(Fabro et al., 2004;Sreedevi et al., 2013)에서와 높 은 산도 환경(Hare and Cress, 1997)에서 함량이 높아진다고 보고되고 있다. 본 연구에서 고추 자원 중 침수에 저항성을 보였던 8번과 22번 계통은 다른 계통에 비해 proline 증가폭 이 작았으며 위조지수도 낮게 나타나 침수에 유독 강한 특성 을 보였다. 반면, 12번 계통은 위조지수는 낮았으나 식물체 내 에서의 proline 함량은 매우 높게 나타나는 특징을 보였다. 이 는 자원별로 침수 스트레스 환경에 저항하는 식물체의 생리반 응 특성 차이에 따른 것으로 판단되었다.

Fig. 10은 침수처리시 온도 조건에 따른 고추 계통간 화분 활력을 나타낸 결과이다. 활력있는 화분 알갱이들은 비활성 화 분 알갱이에 비해 IFC 화분 활성 분석결과 높은 활성을 보였 다. 화분 증폭은 화분 크기와 연계되었으며, 일반적으로 화분 알갱이가 클수록 보다 화분 활력이 높았다. 이번 실험에서 온 도처리를 하지 않은 침수처리구와 대조구 간 화분 활력 비교 에서는 12번과 29번 계통이 침수로 화분활력이 감소하는 결 과를 나타냈으나 다른 처리구에서는 화분활력에 큰 차이를 나 타내지는 않았다. 반면, 고온처리를 하였을 때는 온도가 높아 짐에 따라 12, 22번 계통을 제외하고는 화분 활력은 감소하는 결과를 나타냈다. 반면 12번 및 29번 계통은 50°C의 고온처 리에서 침수 여부에 따라 화분활력에 큰 차이를 보이지 않았 다. 반면에 27번 계통은 침수 및 고온처리 여부에 상관없이 화분 활력에 유의성 있는 차이가 없었다. Yamburov 등(2014) 도 Clivia miniata (Lindl.)을 이용한 한발과 침수시험에서 대 조구에 비해 스트레스 환경하에서 화분 발아가 10-15% 감소 하였고 화분수는 한발 스트레스(12%)에서 보다 침수스트레스 (19%)에서 더 감소한 결과를 보고하였다. Jiang(2016)은 Pisum sativum L.을 이용한 고온에 따른 콩의 화분 발달과 종자형성 실험에서 고온 스트레스가 화분의 발아, 화분관의 길 이, 활력 및 자방 내 종자형성율 및 꼬투리당 종자수를 낮춘 다고 보고하였다. 이러한 결과는 결국 정상생육 환경을 벗어 나는 지나친 침수나 고온환경이 식물체의 종자형성에 관여하 는 화분의 신장과 발아 및 활력을 감소시켜 이는 곧 수량의 저하로 이어질 수 있음을 잘 나타내 준다.

본 연구에서 평가한 고추 자원 중 일부는 침수에 매우 강한 위조 저항성(8, 12, 22번 계통)을 나타냈으나, 다른 계통들 (3, 15, 27, 29번)은 매우 빠른 위조 증상이 나타났다. 특히 침수 피해를 받은 식물체의 대표적인 지표 중 하나인 위조지수 (Fig. 7) 및 proline 함량 변화((Fig. 9)를 통해 살펴보면 그 특징이 좀 더 명확하게 나타난다. 저항성 자원들은 침수 후 5 일째의 환경하에서도 고추 잎의 위조가 좀처럼 이뤄지지 않았 으며, proline 함량도 대체로 낮게 유지되는 결과를 나타냈다. 본 연구에서 침수에 저항성을 나타냈던 자원과 감수성 자원 간에는 화분활력에 큰 차이를 나타내지는 않았으나 침수와 고 온환경이 화분활력을 더욱 떨어뜨리는 결과를 나타냈다.

앞으로 온난화가 지속되면 더욱 잦은 침수와 고온환경이 재 배지에 찾아올 확률이 높다. 이러한 불량한 재배환경에서 안 정적인 고추 재배를 위해서는 내재해성이 높은 고추 자원의 선발이 요구된다. 기후변화에 대응한 우수한 고추 품종의 육 종을 위해 더 많은 다양한 자원들을 대상으로 평가, 선발 및 계통육성이 필요하다. 이러한 침수 내성 자원들의 조기 선발 을 위해 활용 가능한 방법으로는 침수처리 후 엽온 조사, 위 조 증상 정도, proline 함량 측정 방법 등이 조기 선발 지수 로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

적 요

본 연구는 세계채소센터의 고추 유전자원들에 대한 침수조 건에서 생육특성을 조사해 침수 저항성 자원을 선발하기 위해 수행하였다. 세계채소센터 유전자원센터에서 보유중인 4종의 고추 8자원을 선발하여 유리온실에서 종자를 파종하여 2개월 간 육묘한 후 본 실험을 위해 비닐하우스로 이동 후 침수시험 을 수행하였다. 시험에 이용된 고추는 고온인 여름철에 시험 이 수행되어 침수에 대한 반응이 매우 빠르게 나타났다.