엽상경 수준 및 생육단계별 CAM 식물 게발선인장의 가스교환 = Photosynthetic Gas Exchange in a CAM Plant Schlumbergera truncata Varying in Phylloclade Level and Growth Stage

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 Crassulacean acid metabolism (CAM) 식물인 게발선인장의 엽상경 위치 및 생육단계별 광합성 반응을 확인하였다. 지구온난화로 인해 전 세계 기후는 변화하고 있으며 식물은 환경 스트레스에 적응하며 진화해 왔다. CAM 식물은 C3 또는 C4 식물에 비해 각각 6배, 3배 높은 수분이용효율(WUE)을 나타내고 C3 식물보다 15% 더 높은 순 CO₂ 고정 효율을 나타내 최근 기후 변화에 강한 내성을 가진 식물로 주목받고 있다. CAM 식물은 생육단계와 환경조건 등에 따라 이산화탄소 흡수 반응이 다양하게 나타나므로 여러 환경조건에서의 광합성 반응 측정을 통해 CAM 식물의 명확한 생리적 기작을 파악하는 것이 중요하다. 선인장과 식물인 게발선인장은 관상식물로 널리 재배되고 있으며, 다양한 화색으로 국내에서 인기가 많다. 현재 ‘Red Candle’, ‘Pink Dew’ 등 다양한 화색의 국산 품종이 육성되어 농가에 보급되고 있다. 게발선인장은 엽상경 위치와 환경 조건 별로 다른 광합성 반응을 나타내는 것으로 알려져 있다. 첫 번째 연구로, 생식생장기와 영양생장기 게발선인장 ‘Red Candle’ 품종을 대상으로 엽상경 위치에 따른 순 CO₂ 흡수율, 기공전도도, 수분이용효율을 측정하였다. 본 실험의 환경 조건은 기후 변화 대응을 위한 에너지 절감 차원에서 주·야간 온도를 20°C로 설정하였고 광합성 측정 중 주·야간 온도는 영양생장기 주간 생육 적온보다 약 2에서 5°C 정도 낮게 유지되었다. 광합성 측정 결과, 게발선인장 ‘Red Candle’은 상위 및 2차 엽상경 모두에서 주·야간 CO₂ 흡수율이 음수로 나타났다. 상위 및 2차 엽상경에서 기공전도도는 0.00에서 0.13 mol·H₂O·m⁻²·s⁻¹의 범위를 나타냈다. 수분이용효율은 영양생장기에서 최대 23.4 µmol·CO₂·m⁻²·s⁻¹/mmol·H₂O·m⁻²·s⁻¹, 생식생장기에서 최대 3.67 µmol·CO₂·m⁻²·s⁻¹/mmol·H₂O·m⁻²·s⁻¹로 나타났다. 또한 영양생장기와 생식생장기 모두 시간당 순 CO₂ 흡수율과 일일 총 CO₂ 흡수율이 주간보다 야간에 더 낮았다. 영양생장기와 생식생장기 게발선인장 ‘Red Candle’의 Fv/Fm은 0.56에서 0.61의 범위로 나타났으나, 이러한 Fv/Fm 감소가 실제 광손상에 의한 것인지, 일시적 감소인지를 구분하기 위해서는 Phase I 또는 IV에 추가적인 엽록소 형광 측정이 필요하다. 본 연구 과정에서 낮은 온도와 습도, 엽상경의 물리적 스트레스가 복합적으로 작용하여 게발선인장 ‘Red Candle’의 광합성 능력이 저하된 것으로 보인다. 두 번째 연구로, 생식생장기 게발선인장 ‘Pink Dew’ 품종을 대상으로 주간 온도 11에서 20℃, 야간 온도 10에서 12℃ 환경에서 엽상경 위치에 따른 순 CO₂ 흡수율, 기공전도도, 수분이용효율을 측정하였다. 상위 엽상경의 순 CO₂ 흡수율은 -0.51에서 0.19 µmol·CO₂·m⁻²·s⁻¹ 2차 엽상경은 -0.24에서 0.18 µmol·CO₂·m⁻²·s⁻¹의 범위를 보였다. 최대 수분이용효율은 상위 엽상경에서 13.98 µmol·CO₂·m⁻²·s⁻¹/mmol·H₂O·m-2·s-1, 2차 엽상경에서 6.34 µmol·CO₂·m⁻²·s⁻¹/mmol·H₂O·m⁻²로 나타났다. Phase III 동안 측정된 Fv/Fm 값은 0.43에서 0.50 범위로 나타났다. 본 연구에서 저온 스트레스가 CO₂ ‘Pink Dew’ 광합성에 부정적인 영향을 미친 것으로 보이나, 게발선인장 ‘Red Candle’과 마찬가지로 Fv/Fm의 감소가 실제 광손상에 의한 것인지 확인하기 위해서는 Phase I 또는 IV에 추가적인 엽록소 형광 측정이 필요하다. 본 연구는 S. truncata가 저온 조건에서 광합성에 제한을 받는다는 것을 보여주었다. 향후 정밀한 온도 조건에서 S. truncata의 광합성 반응을 규명하기 위한 추가 연구가 필요하다. 본 연구에서는 ‘Pink Dew’와 ‘Red Candle’ 모두에서 24시간 동안 CO2 흡수가 나타나지 않았다. 게발선인장의 CO₂ 흡수 반응 분석을 위해서는 적정 생육 조건을 조성하고 물리적 손상에 유의하여 광합성을 측정해야 할 것으로 사료되며, 향후 단일 스트레스 조건에 따른 게발선인장의 CO₂ 흡수 및 환경 스트레스 반응에 관한 연구가 필요하다. 본 연구는 기후 변화 대응 식물인 CAM 식물 중 연구가 미비한 게발선인장의 광합성 반응을 측정하였으며, 이 결과는 향후 디지털 트윈 기술 구축을 위한 기초 데이터로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• LITERATURE REVIEW 1
• Characteristics of Schlumbergera truncata 1
• CAM photosynthesis 4
• CAM plants in changeable climate 6
• Study aims and objectives 7
• LITERATURE CITED 9
• CHAPTER Ⅰ. Gas Exchange Characteristics of Schlumbergera truncata ‘Red Candle’ Varying in Phylloclade Level and Growth Stage 12
• ABSTRACT 12
• INTRODUCTION 14
• MATERIALS AND METHODS 16
• RESULTS 20
• DISCUSSION 28
• LITERATURE CITED 31
• CHAPTER Ⅱ. Gas Exchange Characteristics of Schlumbergera truncata ‘Pink Dew’ Varying in Phylloclade Level during the Reproductive Growth Stage 34
• ABSTRACT 34
• INTRODUCTION 36
• MATERIAL AND METHOD 38
• RESULTS 40
• DISCUSSION 48
• LITERATURE CITED 51
• ABSTRACT IN KOREAN 54