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포도는 전 세계적으로 넓은 지역에서 대규모로 재배되고 있는 과수 중 하나이며, 2023년 국내 포도 재배품종 구성은 샤인머스캣(43.9%), 캠벨얼리(29.3%), 거봉(17.0%) 등 세 품종이 90% 이상 점유하고 있다(KREI, 2023). 국내에서 편중되어 재배되고 있는 ‘캠벨얼리’는 1896년 미국에서 병에 강한 미국종(V. labrusca)에 유럽종(V. vinifera)을 교배하여 육성된 2배체 품종으로, 여름철 강우가 많은 우리나라 기후에서도 병해충에 비교적 강하고 수량이 많은 특성으로 널리 재배되고 있다(Park et al., 2016). 농촌진흥청에서는 이러한 품종의 획일화를 방지하고, 품종 국산화 및 다양화를 위해 흑구슬(Park et al., 2004), 탄금추(RDA, 2018), 홍주씨들리스(Roh et al., 2018) 등을 육성하였으며, 이중 ‘진옥’은 국립원예특작과학원에서 1983년 ‘델라웨어’에 ‘캠벨얼리’를 교배하 여 2004년 최종 선발한 품종이다(Yun et al., 2008).

포도를 포함한 대부분의 작물에서 토양수분의 과⋅부족은 지상부와 지하부 모두에 영향을 준다. 식물체는 건조 초기에는 잎의 탈리, 기공폐쇄 등 수분보존과 수분이용효율을 높이는 반응을 보이지만(Taiz and Ziger, 2006), 건조가 심해짐에 따라 기공 조절에 의한 증산과 동화량 감소(Medrano et al., 2003;Pou et al., 2008), 전자전달 방해 및 RuBP 활성 용량 감소(Medrano et al., 2002;2003), 산화적 스트레스에 의한 비기공적 피해(Flexas et al., 2006) 등 세포 내 주요 대사에 영구적인 손상을 끼치게 된다(Taiz and Ziger, 2006). 또한, 배수불량 과원의 과습 및 침수에 의해서 토양 내 산소가 부족하게 되면 TCA 회로가 정상으로 작동하지 않아(Perata and Alpi, 1993) 뿌리를 통한 수분 흡수가 감소하여 결과적으로 기공 폐쇄에 의한 동화량 감소 등 에너지 관련 대사 체계가 크게 제한될 수 있다(Liao and Lin, 1994). 식물체가 수분스트레스 조건에서 나타내는 내부적인 생리반응은 대표적으로 H₂O₂ 등의 축적에 따른 산화적 스트레스에 대응하기 위한 반응(Aranjuelo et al., 2011)과 프롤린과 같은 삼투 억제제의 합성 증가이다(Dobra et al., 2011). 작물은 침수(Perl-Treves and Perl, 2002.)와 건조 스트레스(Mittler, 2002) 하에서는 체 내 H₂O₂ 및 O₂^- 등의 활성산소가 증가하여 산화적 스트레스를 유발하게 되며, 프롤린의 증가 여부에 따라 스트레스의 내성 정도(Percival and Noviss, 2008)를 평가하거나 표지 물질로 이용되기도 한다(Lee et al., 1996).

작물에서의 열이미지 정보는 물이 기공을 통해 소실될 때 엽온은 감소하지만 기공이 닫히면 증산은 더 이상 발생하지 않고 증산에 의한 열의 소산이 이루어지지 않으므로 잎의 온도가 올라간다는 사실에 기초한다(Jones et al., 2002). 적외선 이미지를 이용한 연구에는 포도의 수분 상태 평가(Costa et al., 2012), 육종효율 증진(Grant et al., 2012) 등에 이용되어 왔으며, 본 연구에서는 처리간 차이에 따른 수분스트레스의 지표(Gardner et al., 1981)로 이용하고자 하였다.

이에 본 연구는 포도 ‘캠벨얼리’와 ‘진옥’을 이용하여 토양 수분함량에 따른 광합성, 엽수분포텐셜 등의 생리활성 변화를 구명하고, 열이미지를 이용하여 품종간 또는 처리간 수분 스트레스의 비교 가능성을 평가하고자 수행하였다.

재료 및 방법

식물재료, 기상 및 토양환경

실험재료인 포도 ‘캠벨얼리’와 ‘진옥’은 40L^-1 플라스틱 용기(밭흙:완숙퇴비=8:2)에 식재된 2년생 시험수를 이용하였으며, 모든 재배관리는 농촌진흥청 농업기술길잡이 “포도”(RDA, 2016)에 준하여 관리하였다.

토양수분 처리는 장마 후 7일간 자동 관수 컨트롤러(Solenoid Irrigation Control System Co. Ltd., Korea)에 연결된 텐시오메터(Tensiometer, Irrometer Co., USA)로 토양수분 포텐셜이 -70, -30, -5kPa 수준에서 15분간 시간당 2L^-1의 양으로 관수 하였으며, 침수처리는 130L^-1 고무화분에 물을 채워 시험수가 식재된 화분의 토양표면 위 10cm까지 침수시켰다. 모든 토양수분 처리구는 처리 후 -30kPa 수준으로 관리하였고, 침수처리구의 경우 배수하였다. 토양수분 포텐셜과 지온은 토양환경 측정 로거(Almemo 2890-9, Alhborn Co. Germany)에 지중 온도센서와 텐시오메터를 지중 15∼20cm 깊이에 매설하여 일변화를 측정하였다.

광합성 속도와 기공 전도도의 측정

광합성 속도와 기공 전도도는 휴대용 광합성 측정장치(LC pro+, ADC Bioscientific Ltd., England)를 이용하여 광량(Photosynthetic Photon Flux)이 1,000μ㏖⋅m^-2s^-1로 고정하여 측정하였다. 측정 시기는 오전 09:30∼12:00에 처리 전과 처리 후 3, 7, 12일에 측정하였다.

잎의 H₂O₂와 Proline 함량 분석

토양수분 과부족에 따른 산화적 스트레스 정도를 비교하기 위해 H₂O₂(Sergiev et al., 1997)는 처리 7일 후 잎 시료 2g을 0.1%(w/v) trichloroacetic acid solution 5㎖에 넣고 균질화한 후 현탁액을 12,000×g, 15분간 원심분리하였다. 상층액 0.5㎖은 10mM potassium phosphate buffer(pH 7.0) 0.5㎖과 1M KI 1㎖를 혼합하여 390nm에서 흡광도를 측정한 후 100mM potassium phosphate buffer에 0-150nM H₂O₂ solution으로 표준 곡선을 작성하여 추정하였다. 잎의 proline 함량은 처리 7일 후 채취 직후의 잎 0.5g을 액체질소를 첨가하여 마쇄하고 3% sulfosalicylic acid 10㎖를 첨가하여 균질화한 후 4℃, 12,000×g 의 조건에서 15분간 원심분리하였다. 이후 상등액은 Bates et al. (1973) 방법에 따라 전처리 후 520nm에서 흡광도를 측정하여 산출하였다.

잎, 줄기의 수분포텐셜과 엽상대수분 함량

처리 7일 후 엽수분 포텐셜은 정오에 기부에서 동일한 위치와 크기가 일정한 잎을 처리당 5엽씩 채취하여 엽수분 포텐셜 측정기(Model 600 Pressure Chamber Instrument, PMS Instrument Co., USA)의 질소 가스 압력에 의해 수액이 엽병 밖으로 나오는 시점의 값을 측정하였다. 또한, 줄기수분 포텐셜은 측정 두 시간 전, 줄기와 엽수분 포텐셜의 평형상태 유지를 위해 측정하고자 하는 잎을 알루미늄 호일로 밀봉한 후 엽수분 포텐셜과 동일한 방법으로 측정하였다. 잎의 상대수분 함량은 잎의 생체중, 증류수에 48시간 침적한 포화중, 8 0℃ 건조기에서 48시간 건조한 건물중을 측정한 후 다음 식에 대입하여 산출하였다.

포도 잎의 열적이미지 분석

잎의 표면온도는 열화상카메라(Testo 882, TestoAG, Germany)를 이용하여 고정간격 30cm 위치에서 방사율(emissivity) 0.95의 조건으로 처리당 6잎을 정오에 측정하였다. 온도 보정과 데이터를 추출은 IR soft를 이용하여 잎의 가장자리와 엽맥을 제외한 엽신 최소 30지점 이상 온도를 추출하였으며, 작물 수분 스트레스 지수(CWSI, Crop water strees index)와 수증 기압차(I_G, Water vapor transfer)는 다음 식에 대입하여 산출 하였다(Jackson, 1982).

T_l은 측정 대상의 엽온, T_wet은 수관하부의 햇빛을 받지 않는 완전히 전개된 잎의 엽온, T_dry는 햇빛을 충분히 받고 있는 수관상부의 완전히 전개된 잎의 엽온을 의미한다.

통계분석

수집한 자료 분석과 그래프 작성은 통계프로그램(Sigmaplot 14.0, Systat Inc., USA)을 이용하였다.

결과 및 고찰

토양환경의 변화

처리기간 동안 지온과 토양수분 포텐셜의 변화는 Fig. 1과 같다. 지온의 경우 대기온도의 상승과 하강보다 다소 늦게 진행되는 경향이었으며, -70kPa 처리구가 주간동안 가장 높았고 침수처리구의 경우 주야간 온도차가 가장 적게 나타났다(Fig. 1A). 평균 토양수분 포텐셜은 -70kPa 처리구 67.7±8.5, -30kPa 처리구 31.4±9.3, -5kPa 처리구 5.4±2.2로 조사되어 (Fig. 1B) 목표하였던 토양수분의 범위 내에 포함되는 것으로 확인되었다. 또한, 하우스 내부의 평균온도와 평균 상대습도는 각각 28.0℃와 77.7%이었다(데이터 미제시).

광합성 속도와 기공 전도도의 변화

토양수분에 따른 포도 ‘캠벨얼리’와 ‘진옥’의 광합성 속도 및 기공 전도도를 비교한 결과(Fig. 2), 두 품종 모두 처리 후 3일부터 -70kPa 처리구와 침수처리구의 광합성 속도가 유의하게 감소하기 시작하였다. 광합성 속도의 감소 폭은 침수처리구가 가장 컸으며, 배수 5일 후 광합성속도의 회복 정도도 침수처리구가 가장 낮았다. Kang et al. (2008)은 ‘캠벨얼리’ 침수처리 7일 후부터 광합성 속도가 감소한다고 보고하였으나, 본 연구에서는 처리 3일 후부터 처리구별로 뚜렷한 차이가 나타났다. 이는 수체의 영양상태와 기상환경 등이 영향을 미쳤을 것으로 생각되었다. 온대과수의 적정 토양수분(-20∼ -40kPa) 범위(Choi et al., 2017)에 속하는 -30kPa 처리구를 기준으로 -70kPa 처리구와 침수처리구의 광합성 속도 감소율을 비교해 볼 때, ‘캠벨얼리’(33.3, 45.6%)가 ‘진옥’(56.6, 57.3%) 보다 적게 감소되어 상대적으로 건조 및 침수해에 내성이 강한 것으로 판단되었다. 결과적으로 토양수분에 따른 광합성 속도는 두 품종 모두 -30kPa > -5kPa > -70kPa > 침수처리 순으로 나타났으며, 기공 전도도 역시 광합성속도와 비슷한 경향을 보였다. 수분부족과 침수(Sena Gomes and Kozlowski, 1980)에 의한 기공폐쇄는 결과적으로 광합성량의 감소(Beckman et al., 1992;Park et al., 2023)로 이어지므로 기공 전도도와 광합성 속도간에는 유의한 상관관계가 형성될 수 있으며(Tramontini et al., 2013), 본 연구에서도 일치하는 결과를 확인하였다.

H₂O₂ 및 proline 함량의 차이

수분처리 7일 후 H₂O₂ 함량은 ‘캠벨얼리’와 ‘진옥’ 두 품종 모두 침수처리구(각각 46.6, 51.2nmol⋅g^-1)에서 현저히 높게 나타났으며, 대체로 과습한 처리구에서 높은 경향이었다(Fig. 3A). 프롤린 합성도 H₂O₂ 함량과 마찬가지로 침수 처리구 > -5kPa > -70kPa > -30kPa 처리구 순으로 높게 나타났으며, 이 순서대로 ‘캠벨얼리’는 0.94 > 0.73 > 0.71 > 0.55umol⋅g^-1, ‘진옥’은 0.67 > 0.55 > 0.50 > 0.28umol⋅ g^-1으로 조사되었다(Fig. 3B). 품종간 H₂O₂ 함량을 비교해 볼 때, ‘캠벨얼리’의 경우 -70kPa 및 침수처리에서 높게 나타난 반면, ‘진옥’은 침수구를 제외한 다른 토양수분 처리구에서는 유의한 차이를 보이지 않았다. 프롤린 합성은 두 품종 모두 스트레스를 받는 처리구에서 높은 함량을 보였으며, ‘캠벨얼리’가 ‘진옥’보다 H₂O₂ 함량과 프롤린 합성에 있어 민감한 반응을 보인 것으로 생각되었다. 이러한 결과는 수분스트레스를 받은 포플러 잎에서 프롤린 함량이 대조구에 비해 약 4배 이상 증가하였고(Xiao et al., 2008), 수분스트레스를 받은 케일 잎의 프롤린 함량은 스트레스 지속 기간이 길어질수록 증가하였으며 대조구에 비해 약 2배 증가 한다는 연구결과와 일치하였다. 또한, 본 연구결과에서와 같이 프롤린 함량으로 품종별 스트레스의 내성정도를 비교 (Percival and Noviss, 2008)하는 지표로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

수체 내부 수분상태 및 광합성 특성

잎과 줄기의 수분포텐셜(Jones, 2007) 및 잎의 상대수분함량(Lawlor and Cornic, 2002)은 식물의 수분 상태를 측정하 는 하나의 매개변수로써 증발산, 생장, 순광합성(Snider et al., 2014)과 밀접하게 연관되어 있다. 토양수분 처리 7일 후 엽수분포텐셜(Fig. 4A)은 ‘캠벨얼리’와 ‘진옥’ 모두 -70kPa 처리구(각각 -1.50, -1.52MPa)에서 가장 낮았으며, -30kPa 처리구(각각 –1.18, -0.98MPa)에서 가장 높았고, 줄기수분 포텐셜(Fig. 4B)도 동일한 결과를 보였다. 반면, 잎의 상태수분함 량은 잎과 줄기의 수분포텐셜과는 반대의 결과를 보였는데, ‘캠벨얼리’와 ‘진옥’ 모두 -30kPa 처리구(각각 63.9, 61.9%)가 가장 높았고, -5kPa(62.5, 61.2%) > 침수(55.0, 55.1%) > -70kPa(49.8, 56.6%) 순으로 나타났다(Fig. 4C). 이와 같은 결과는 수분스트레스 시 수분포텐셜이 감소하고 잎의 수분함량과 더불어 수체의 온도 구배가 교란된다는 보고(Kang et al., 2008)와 일치하였다.

열화상이미지 분석(Fig. 5)을 통해 작물 수분 스트레스 지수와 수증기압차를 산출한 결과는 Fig. 6과 같다. ‘캠벨얼리’ 와 ‘진옥’의 작물 수분 스트레스 지수(Fig. 6A)는 -30kPa(‘캠 벨얼리’와 ‘진옥’ 각각 0.73, 0.77) < -5kPa(0.90, 0.76) < -70kPa (0.95, 1.00) < 침수처리구(1.30, 1.20) 순으로 나타났다. ‘캠벨얼리’와 ‘진옥’의 수증기압차(Fig. 6B)의 경우 침수 처리구와 -70kPa 처리구가 가장 낮았으며, -30kPa 처리구에서 높게 유지되었다. 또한, 두 품종간에는 상대적으로 과습처리구에서 ‘캠벨얼리’가 ‘진옥’보다 작물 수분 스트레스 지수가 높고 수증기압차가 낮은 것으로 조사되었다.

수분스트레스 지표 항목들간의 관계

포도 잎의 토양수분 스트레스 관련 조사 항목들간 상관관계 분석 결과는 Table 1과 같다. 식물 잎의 직접적인 가스 교환 방식으로 측정된 광합성속도는 잎과 줄기의 수분포텐셜, 작물 수분 스트레스 지수와 부의 상관관계, 잎의 상대수분 함량과는 정의 상관관계가 성립되는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 포도나무가 수분스트레스 조건하에서 수체 수분 상태를 의미하는 옆과 줄기 수분수텐셜, 잎의 상대수분 함량 감소로 수체 열 특성 교란을 수반하여 결과적으로 광합성 작용이 감소할 수 있음을 의미한다.

작물의 스트레스 정도를 판단하기 위해 수관 및 잎을 대상으로 한 열이미지 접근방법은 수분이 기공을 통해 소실됨에 따라 잎이 냉각되고, 반대로 기공닫힘은 엽온이 증가한다는 원칙을 기반으로 한다(Grant et al., 2012). 따라서 열적인 특성을 측정하는 것은 식물 수분스트레스의 지표로써 이용될 수 있으며(Jones, 2002), 물리적 접촉을 통한 기공 반응 방해를 억제할 우려가 있는 가스 교환 측정 방법보다 간편하고 빠르다는 장점을 가진다(Guilioni et al., 2008). 이중 수증기 압차는 기공 전도도와 통계적 유의한 관계를 나타내어 기공 개폐를 표현하는 하나의 지표로써 이용될 수 있는데(Grant et al., 2006), 기공 전도도와 광합성간에는 역시 동일 관계가 성립되는 연구결과(Faria et al., 1996)가 존재하므로 본 연구에서의 토양수분 처리간 광합성 특성과 지표성분의 결과와 일치하는 경향을 나타내었다.

이상의 결과로 볼 때, 열이미지 분석을 통한 작물 수분 스트레스 지수는 광합성과 밀접한 통계적 관계에 있으므로 빠르고 간단한 토양수분 스트레스 지표로써 활용이 가능할 것으로 여겨진다. 추후 열화상 이미지를 이용한 스트레스 진단은 측정 시기별 일조량이나 온도 등에 영향을 받을 수 있으므로 다양한 생리활성과 열적 특성의 관계 및 다양한 환경조 건에서의 열적 특성 변화 등에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

적 요

본 연구는 토양수분 스트레스에 따른 다양한 생리적 변화를 구명하고, 적외선 열화상을 이용한 품종간 또는 수분스트레스 정도에 대한 비교 가능성을 평가하고자 수행하였다. 실험재료는 포도 국내육성 품종인 ‘진옥’과 대조품종인 ‘캠벨얼리’를 이용하여 토양수분을 -70, -30, -5kPa과 침수조건에서 7일간 처리하였다.