포도 과분의 형태 발달 양상과 기능에 관한 연구 = Study on the morphological development and function of epicuticular waxes in grape

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study were conducted to know the morphological development, components, and functions of epicuticular waxes, and the influence of the cultivation environment of grape and the type of agricultural chemicals on the formation of epicuticular waxes, using the grapes of ‘Campbell Early’, ‘Kyoho’, ‘Cheongsoo’ and ‘Hongisul’ cultivated in Korea.
When the epicuticular wax of the grapes of the harvesting season was observed with naked eyes, it had the form of opaque white powder on the skin of the grapes. L value of Hunter value was higher as well as berries that EWC was not damaged, and a value of Hunter value that is degree of red and b value that is blue degree were investigated that is lower
When the epicuticular wax crystals(EWC) development process, was observed, it was discovered that those four species shared a similar development process. One week before and during the full bloom, the surface of an ovary is covered with a cuticular ridge. As this cuticular ridge expands and divides itself, around three to six days after the full bloom, EWC begins to be formed in the type of a small berry among the cuticular ridge. Around twelve to eighteen days after the full bloom, the surface area of EWC is confirmed to become bigger so that it’s visible with a scanning electron microscope (SEM) and with naked eyes even though the fruits are very young. Afterwards, Shape of EWC were platelets with no particular direction in all the species of the grapes of ‘Campbell Early’, ‘Kyoho’, ‘Hongisul’, and ‘Cheongsoo’, and especially, ‘Kyoho’ and ‘Cheongsoo’ were observed to have a long linear platelets shape in addition to the platelets discovered in contrast two species.
As the ultra-structure of ‘Campbell Early’ were observed for to change after the harvest of EWC, in the part with no damage was keeping its platelets shapes observed during the harvesting time, and in case of the EWC in the physically damaged part, there were no more platelets remained which had been discovered during the harvesting time, and only rough film shapes.
Investigated development of the skin tissues aspect according to the major growth stage of grapes to search correlation between the changes of the morphology of the EWC and the skin tissues by that fruit develops. The result showed that the skin tissues of ‘Campbell Early’, ‘Kyoho’, ‘Hongisul’, and ‘Cheongsoo’ developed in a similar process. The epidermis was composed of a cell layer with one layer of tannin, and it was observed to be organized with tissues of similar size and shape at the time when the epicuticular wax can be recognized even with naked eyes displayed that. This result was different result with the fact that other this is always discovered from epidermis before or after that. Also, there was a thicker cuticle layer outside the epidermis by optical microscope than before even though there were some differences among the species.
Investigated components of epicuticular waxes, a qualitative analysis was conducted through GC-MS (Gas Chromatography Mass Spectrometry) on ‘Campbell Early’, ‘Kyoho’, ‘Hongisul’, and ‘Cheongsoo’. According to the result, the epicuticular wax was analyzed to be mainly made up of the aliphatic compounds of alkanes, alkenes, aldehydes, esters, fatty acids and primary alcohols.
Observing the relationship between the epicuticular wax and the quality of grapes in harvesting season, the main elements of the fruit quality, there were no significance the weight of the cluster, soluble solids, and total acid. This tendency was also similarly found in other kinds of grapes of ‘Kyoho’, ‘Hongisul’ and ‘Cheongsoo.’
The effects of the epicuticular wax on occurrence of Botrytis cinerea disease were studied with the ‘Campbell Early’ berries at harvest. Occurrence rate of the browning and a mycelium on the grape berries was 32% damage through hand, and 48% damage through gum arabic, which was respectively four and six times as much as the normal berries.
In addition, the disease occurrence rate, the components of the epicuticular wax and their correlation were examined through the inoculation against disease, using the extract of the grapes of ‘Campbell Early.’ As the result, the more extract was made from the epicuticular wax, the less mycelium grew. However, three days after inoculation, the same mycelium was observed to be growing in the one treated with equimultiple as the one with other treatment.
The result which measures the contact angle of the fruit skin non-bagging and bagging, were some differences depending on the grape species, in general, the contact angle on the skin of bagging whose ultra-structure of epicuticular wax was maintained properly was studied to be 139.1~149.8°. On the contrary, the contact angle of the fruit skin of non-bagging was 81.5~116.0°. It was significance lower than the contact angle in case of bagging.
As water soaking experiment was conducted using the grape berries of ‘Campbell Early’, the crack occurred 100 % in berries that epicuticular wax was removed by chloroform, and it took twelve days, which was about 2.6 times as fast as the berries whose epicuticular wax was normally formed.
Studied influenced of bagging or non-bagging and of the type of cultivation in ‘Campbell Early’. As a result, could confirm to bagging that epicuticular wax formation was very superior. Also, when cultivate without bagging, was observed that grape of cultivation under rain shelter is less epicuticular wax damage more than. On the other hand, did not differ greatly in cultivation type between open field and under rain shelter in case of bagging. The results were similarly with naked eye that observed ultra-structure of epicuticular wax by scanning electron microscope.
Stydied influences of different types of agrichemical as wettable powder, suspension concentrate, and emulsifiable concentrate for disease and insect pest control on the formation of epicuticular wax. As the result, when the berries treated with agrichemical at 15 days after the full bloom, was observed, even though it was treated with chemicals while it was young, the trace of chemicals was observed to still remain until harvest, and it was also confirmed that even on SEM. The berries of non-bagging that were treated with wettable powder and suspension concentrate chemicals at veraison were observed prominently trace of white chemicals which were difficult to be observed at berry setting. The results were similarly at berry setting that observed ultra-structure of epicuticular wax by scanning electron microscope.
Also, confirmed reformulation of epicuticular wax after give physical damage to cluster at veraison when epicuticular wax was observed. As the result, epicuticular wax damage region did not get back to that coloring was proceeded.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 우리나라에서 재배되고 있는 흑포도 품종인 ‘캠벨얼리’와 ‘거봉’, 적포도 품종인 ‘홍이슬’ 그리고 백포도 품종인 ‘청수를 이용하여, 품종별 과분의 형태학적 발달과정과 구성성분 및 기능을 알아보고 포도 재배환경과 농약의 제형이 과분 형성에 미치는 영향에 대하여 실험하였다.
과분은 수확기 포도에서 육안으로 보았을 때 포도 과피 위에 불투명의 하얀 가루로 덮여 있는 듯한 형태를 띠었으며, 과분이 손상 안된 과립일수록 Hunter value의 L값, 즉 명도가 높았으며, 붉은색의 정도인 Hunter value의 a값과 청색의 정도인 b값은 낮은 것으로 조사되었다.
EWC(epicuticular wax crystals) 발달 과정은 4 품종 모두 유사하게 발달함을 알 수 있었다. 만개 1주일 전과 만개기에 자방의 표면은 능선형 큐티클로 덮여 있으며, 이 능선형 큐티클이 분열됨에 따라 만개 후 3일에서 6일경에는 능선형 큐티클 사이에서 EWC가 작은 과립형태로 생성되기 시작하였다. 만개 후 12일에서 18일경에는 과실이 매우 어린 시기임에도 주사전자현미경과 육안으로도 확인될 정도로 EWC의 표면적이 넓어졌음을 확인할 수 있었다. 이후 EWC의 형태는 ‘캠벨얼리’, ‘거봉’, ‘홍이슬’, 그리고 ‘청수’ 품종 모두 일정한 방향성이 없는 platelets 형태를 띠고 있었으며, 특히, ‘거봉’과 ‘청수’는 다른 2 품종과는 달리 platelets에 긴 선형의 platelet 형태가 같이 존재하는 것으로 관찰되었다.
EWC의 수확 후 형태적 변화 여부를 알아본 결과, 수확기에 관찰된 platelets 형태가 그대로 유지되고 있었으며, 물리적으로 손상 받은 부위는 수확기에 관찰된 platelets을 관찰 할 수 없었으며, 과분의 미세구조인 돌출된 부위가 없이 거친 films형태만 관찰되었다.
과실이 발달함에 따른 과분의 형태학적 변화와 포도 과피 조직 변화와의 상관관계를 알아보고자 포도의 주요 생육시기별 과피조직 발달 양상을 조사하였다. 그 결과, ‘캠벨얼리’와 ‘거봉’, ‘홍이슬’, ‘청수’의 과피 조직 발달은 유사하게 진행하는 것으로 관찰되었다. 육안으로 과분 확인이 가능해지는 시기의 외표피는 한 개 층의 세포층으로 타닌을 가지고 있지 않았으며 크기와 형태가 비슷한 세포들로 구성된 것으로 관찰되었다. 이는 이전 또는 이후의 외표피층에서 항상 타닌이 발견되는 것과는 다른 결과였다. 또한 외표피 외부로 이전의 시기 보다 품종 간에 차이는 있지만 두껍게 큐티클층이 있음을 광학현미경상으로 확인 할 수 있었다.
과분의 정확한 성분 조성을 알아보고자 ‘캠벨얼리’와 ‘거봉’, ‘청수’, ‘홍이슬’의 과분을 chloroform으로 추출하여 GC-MS를 이용하여 정성 분석을 실시하였다. 그 결과, 과분은 크게 알칸류와 알켄류, 제1알콜류, 알데히드류, 에스테르류, 지방산류의 지방족 화합물로 구성된 것으로 분석되었다.
수확 시 중요하게 생각되어지는 포도 과분과 수확기의 포도 품질과의 연관성을 알아보기 위해 육안으로도 과분의 형성 정도가 차이가 있는 봉지재배와 무봉지재배의 과방을 이용하여 과실 품질의 주요 요소인 과방중, 당도, 산도를 조사하였다. 그 결과, 과방중, 당도, 산도의 차이는 유의성이 없었다.
포도 과립에 잿빛곰팡이를 접종 후 병 발생 및 열과 발생을 조사한 결과, 과분이 물리적 손상을 받은 과립의 경우 열과는 과분이 잘 형성된 경우보다 손을 통한 물리적 손상을 입은 과립에서 10배, gum arabic을 통한 과분 제거 과립에서 11배 많이 발생하였다. 포도 과립의 갈변 및 균사 발생률은 손을 통한 손상 과실에서 32%, gum arabic을 통한 손상 과실에서 48%로 정상과립 보다 각각 4배와 6배 많이 발생하였다.
포도 ‘캠벨얼리’ 과분 추출물을 이용하여 병접종을 실시한 결과, 과분 추출물이 많을수록 균사생장이 저조한 것으로 조사되었다. 하지만 접종 후 3일 이후에는 배량을 처리한 곳에서도 다른 처리와 동일한 균사체 생육이 관찰되었다.
포도 과피의 접촉각을 측정한 결과, 과분의 미세구조가 잘 유지된 봉지재배의 포도 과피의 접촉각은 139.1~149.8°로 조사되었다. 이에 반하여 미세구조가 손상된 무봉지재배 과실의 과피 접촉각은 81.5~116.0°로 봉지재배의 과피보다 유의적으로 낮았다.
또한 포도 ‘캠벨얼리’ 과립을 이용하여 침수실험을 실시한 결과, chloroform 으로 과분을 제거한 과립은 100% 열과가 발생된 소요된 일수가 12일로 과분이 정상적으로 형성된 과립보다 약 2.6배 빠르게 열과가 발생하였다.
재배형태에 따른 과분 형성을 비교한 결과, 봉지재배시에 과분형성이 매우 우수함을 확인할 수 있었다. 또한 무봉지재배시 노지재배 보다 비가림재배의 포도가 과분 손상이 적은 것으로 나타났다. 반면에 봉지를 씌우고 재배할 경우, 노지 재배와 비가림 재배 간의 재배방식에서는 크게 차이가 나지 않았다. 주사전자현미경상의 과분 미세구조도 육안으로 과실의 관찰한 결과와 유사하게 나타났다.
병해충 방제를 위하여 살포되는 수화제, 액상 수화제, 유제와 같은 농약의 제형이 과분 형성에 미치는 영향을 관찰한 결과, 과실이 매우 어린 만개 후 15일에 농약을 처리하였음에도 수확기 과립 표면에 약제 흔적이 육안 및 주사전자현미경상으로 확인할 수 있었다. 변색기에 봉지를 씌우지 않은 과실에 수화제와 액상 수화제를 처리할 경우 과립상에 흰색의 약제 흔적이 두드러지게 관찰 되었다. 반면에 유제 처리 과립은 약제의 흔적이 희미하여 과분 손상을 막기 위해서는 수화제보다 유제처리가 유리할 것으로 판단되었다. 또한 주사전자현미경으로 EW의 미세구조를 관찰한 결과, 착립기의 처리결과와 유사한 경향을 나타내었다
또한 실제 육안으로 ‘캠벨얼리’ 과피색 때문에 흰색의 과분이 잘 확인되는 변색기 과방에 물리적 손상을 주어 수확기에 회복 여부를 확인한 결과, 착색이 진전되었음에도 과분 손상 부위는 회복이 되지 않았다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서언 = 1
• Ⅱ. 연구사 = 5
• 1. 큐티클과 epicuticular waxes = 5
• 2. 포도 과분의 형태학적 발달 및 과분의 성분 조성 = 7
• 2.1. 포도 과분의 형태학적 발달 양상 = 7
• 2.2. 과분의 성분 조성 = 9
• 2.3. 과분의 생합성 = 12
• 3. 과분의 기능 및 역할 = 14
• Ⅲ. 재료 및 방법 = 18
• 1. 시험 장소 및 품종 = 18
• 2. 과실의 착색도 = 18
• 3. 포도 품종별 과분과 과피 조직의 형태학적 발달 및 과분의 성분 조성 = 18
• 3.1 포도 품종별 과분의 형태학적 발달 양상 = 18
• 3.2 포도 품종별 과피 조직의 형태학적 발달 양상 = 19
• 3.3 과분의 성분 조성 = 20
• 4. 과분의 기능 및 역할 = 21
• 4.1 과실의 품질특성 분석 = 21
• 4.2 과분과 병 발생과의 상관관계 = 22
• 4.3 과분과 열과 발생과의 상관관계 = 23
• 4.4 접촉각 측정(contact angle, CA) = 23
• 5. 과분과 재배 환경과의 상관관계 = 23
• 5.1 비가림재배와 봉지재배가 과분 형성에 미치는 영향 = 23
• 5.2 농약의 제형이 과분 형성 및 미세구조에 미치는 영향 = 24
• 6. 통계처리 = 25
• Ⅳ. 결과 및 고찰 = 26
• 1. 과분에 의한 포도의 외관 = 26
• 2. 포도 품종별 과분과 과피 조직의 형태학적 발달 양상 및 과분의 성분 조성 = 32
• 2.1. 품종별 과분의 형태학적 발달 양상 = 32
• 2.2. 수확 후의 과분 형태의 변화 = 48
• 2.3. 품종별 과피 조직의 형태학적 발달 양상 = 50
• 2.4. 과분의 성분조성 = 67
• 3. 과분의 기능 및 역할 = 78
• 3.1. 과분과 과실품질과의 연관성 = 78
• 3.2. 과분과 병 발생과의 상관관계 = 80
• 3.3. 과분과 열과 발생과의 상관관계 = 92
• 4. 과분과 재배 환경과의 상관관계 = 96
• 4.1. 비가림 재배와 봉지재배가 과분 형성에 미치는 영향 = 96
• 4.2. 농약의 제형이 과분 형성 및 미세구조에 미치는 영향 = 98
• Ⅴ. 인용문헌 = 110
• Ⅵ. 국문초록 = 128
• Abstract = 131