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ISSN : 1226-9999(Print)
ISSN : 2287-7851(Online)
Environmental Biology Research Vol.34 No.4 pp.264-271
DOI : https://doi.org/10.11626/KJEB.2016.34.4.264

Photochemical Index Analysis on Different Shading Level of Garden Plants

Hong Gyu Kang1, Tae Seong Kim1, So Hyun Park2, Tae Wan Kim1,2*, Sung Yung Yoo2*
1Department Plant Life and Environmental Science, Hankyong National University, Anseong-si, Gyeonggi-do 17579, Republic of Korea
2Institute of Ecological Phytochemistry, Hankyong National University, Anseong-si, Gyeonggi-do 17579, Republic of Korea
Corresponding author : Tae Wan Kim, 031-678-4750, 031-678-4751, taewkim@hknu.ac.kr Sung Yung Yoo, 031-670-5371, 031-678-4751, lsn36@hanmail.net
November 13, 2016 November 25, 2016 November 29, 2016

Abstract

The objective of this study was to determine the growth and light utilization efficiency of garden plants in shade area through chlorophyll fluorescence reaction analysis. Ten garden plants was grown for 75 days under 50% and 80% shading conditions. Under shading, ET2O/RC, the fluorescence parameter related to electron-transport in photosystem II, was effectively enhanced. However, the electron transport flux until PSI acceptors per reaction center (RE1O/RC) was reduced. These changes in photochemical parameters evoked a decrease in performance index (PI) and driving force (DF) of electron transport flux. In addition, some photochemical parameters such as FV, FV/FO, RE1O/RC, ET2O/RC, PITOTAL ABS, and DFTOTAL ABS were found to be important for shade tolerance. Three species (Pachysandra terminalis Siebold & Zucc, Physostegia virginiana L., and Carex maculata Bott) were found to be shade tolerant. Based on these results, shading factor index (SFI) deduced from photochemical parameters is useful for evaluating of shading stress of garden plants.


정원 식물의 차 광 조건별 광화학적 생리지표 해석

강 홍규1, 김 태성1, 박 소현2, 김 태완1,2*, 유 성영2*
1한경대학교 식물생명환경과학과
2한경대학교 식물생태화학연구소

초록


    Rural Development Administration
    PJ010915022016

    서 론

    식물은 다양한 환경 요인에 의해 발아, 개화 및 출수가 지 연 또는 촉진된다. 공원 및 도시에서 발생하는 빛의 양과 시 간에 따라 식물의 개화 지연 및 광 생리적인 변화에 의한 생 장 저하가 발생할 수 있다. 정원 초본의 경우 도시화로 인 한 고층빌딩 및 조경수 등에 의해 차광면적이 증가하여 원 활한 채광이 이루어지지 않고 있다. 광환경은 식물의 광합 성 능력과 밀접한 관련이 있는 기공 개폐, 증산량 및 엽록 소 함량 등에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 (Cho et al. 2008). 엽록소 함량 변화와 관련하여 식물의 생육 상태를 확 인하는 방법으로 엽색을 통한 표준차트 방법 (Matsuzaki et al. 1982), 엽록소 함량 분석 및 chlorophyll meter (Kariya et al. 1982; Katsumi 1985; Peng et al. 1993) 측정법 등이 주 로 이용되고 있다. Chlorophyll meter 측정법과 엽록소 형광 (chlorophyll fluorescence)분석법 등은 비파괴적인 방법으 로 지속적인 모니터링이 가능한 기술로 알려져 있다 (Peng et al. 1995; Yoo et al. 2012). 광환경 변화에 의한 잎의 음엽 화와 노화의 지표로 엽록소 a/b ratio가 이용되고 있으며, 피 음도가 높아질수록 엽록소 a/b ratio가 감소하는 것으로 밝 혀졌다 (Cho et al. 2008). 최근 비파괴적 방법 중 광합성 효 율 및 광합성 기구의 이해와 기능 해석을 위한 광생리 지표 로 엽록소 형광분석법이 보편적으로 이용되고 있다 (Strasser 1985; Oukarroum et al. 2007; Yoo et al. 2014). 엽록소 형광 현상은 Kautsky and Hirsch (1931)의 광합성 과정 중의 빛의 섬광에 의한 CO2 흡수동화의 변화원인에 대한 연구에서 최 초로 밝혀진 이래 엽록소 형광분석기는 주로 엽록소 a의 형 광변동량을 측정하는 방식으로 발전하여왔다 (Johnson 2004; Gorbunov et al. 2005). 빛을 흡수한 엽록소 분자는 고에너지 또는 들뜬 상태 (Chl*)로 전이되는데, 이때 들뜬 상태의 엽록 소 분자는 세 가지의 가능한 경로를 통해 에너지를 넘겨주 어 바닥상태로 되돌아온다. 먼저 들뜬 엽록소는 열로 바꾸면 서 내려오는 경우이며, 두 번째로는 다른 엽록소 분자에 그 에너지를 전달하는 것이며, 마지막으로 더욱 긴 파장의 빛을 내며 에너지를 소실하는 것으로서, 그 결과에 따라 광화학 적 효율과 열로 소실되는 에너지의 변화를 바탕으로 엽록소 형광 수득율을 측정할 수 있다 (Maxwell and Johnson 2000). 엽록소 형광매개변수를 이용한 식물의 건전성 평가에 최 대형광값/최소형광값 비 (FM/FO ratio)와 광계II 최대 양자수 득률을 나타내는 변동형광값/최대형광값 비 (FV/FM Ratio) 와 같은 암적응 형광매개변수가 보편적으로 사용되고 있다 (Paillotin 1976; Govindjee 1995, 2004; Yoo et al. 2013). 연 속광 조건에서의 형광매개변수로는 광계II 정류상태 양자수 득률 (F’q/F’m)이 널리 이용되고 있으며, 이는 잎에서 CO2가 동화되는 속도와 관련되어 있는 광생리 지표이다 (Genty et al. 1989, 1990; Cornic and Ghashghaie 1991; Edwards and Baker 1993).

    본 연구는 엽록소 형광 반응 (OJIP)을 활용해 정원 식물의 차광 조건에 따른 일조 스트레스 광생리 지표 분석 연구를 수행하였다.

    재료 및 방 법

    1.식물 재배 및 차광처리

    본 연구는 경기도 안성시 한경대학교 부속 온실에서 2016 년 6월부터 10월까지 감국 (Dendranthema indicum L., DI), 꼬리풀 (Veronica linariifolia Pall., VL), 꽃범의꼬리 (Physostegia virginiana L., PV), 노루오줌 (Astilbe Bunch.-Ham., AB), 무늬사초 (Carex maculata Bott., CM), 뱀무 (Geum japonicum Thunb., GJ), 수호초 (Pachysandra terminalis Siebold & Zucc., PT), 약모밀 (Houttuynia cordata Thunb., HC), 용담 (Gentiana scabra Bunge., GS), 호스타 (Hosta longipes Matsum., HL) 등 10종의 정원식물 유묘를 구입 (한국자생식물생산자 영농 조합법인)하여 포트에 정식하였다. 포트의 토양은 마사토와 원예용상토를 혼합 (1 : 3)하였고, 6구 포트에 3반복으로 정식 후 매일 100 mL pot-1를 관수하여 재배하였다. 또한 차광처 리는 정식 5일 후 차광막을 이용하여 차광 50%와 80% 조건 에서 차광 후 15일, 30일, 45일, 60일, 75일간 일조 스트레스 시험을 실시하였다.

    2.엽록소 형광반응 (OJIP) 분석

    엽록소 형광분석은 식물체 잎을 leaf clip로 이용하여 30분 간 암처리 후 Chlorophyll fluorescence meter (PSI, Prague, Czech)로 3반복 측정하였다. 측정된 엽록소 형광매개변수 는 Stirbet과 Govindjee (2011)의 방법에 의하여 JIP-Test를 실시하였으며, Stress factor index (SFI)는 차광 50%와 차광 80%의 PI를 이용해 산정하였다 (Table 1).

    3.통계분석

    실험결과는 SAS (Statistical Analysis Software, Version 9.2)프로그램을 사용하여 ANOVA 분석을 실시하였다.

    결과 및 고 찰

    1.엽록소 형광반응 (OJIP) 비교

    정원식물의 엽록소 형광 유도과정 (OJIP) 중 50% 차광 조 건에서 뱀무 (GJ)와 약모밀 (HC)이 최대 형광량 (P)에 비해 O-J 및 J-I 전이가 가장 높으며, 무늬사초 (CM)가 가장 낮았 다 (Fig. 1a). 그리고 80% 차광 조건에서 뱀무 (GJ)와 꼬리풀 (VL)이 가장 높으며, 무늬사초 (CM)가 가장 낮았다 (Fig. 1b). OJIP 가설에서의 총형광량은 PSII 수용·소광체 (PSII acceptor quencher)가 산화상태의 결합형 플라스토퀴논 (bound plastoqiunone, QA)으로 밝혀졌다 (Gorkom et al. 1978; Gorkom 1986). 환원형 QA-의 농도 변동이 다단계의 전자전달계 의 산화환원반응 (redox reaction)의 동력학 (kinetics)을 나타 내므로 Fast phase (FP)의 여기와 관련되어있다고 볼 수 있 어 OJIP 전이과정은 PSII 광화학 반응상의 광화학적 양자수 득률의 포텐셜과 전자전달 능력을 좌우하는 것으로 사료되 었다. 따라서 뱀무 (GJ) 등 대부분의 정원식물에서 차광에 의 해 O-J 및 J-I 전이과정 중 형광 방출량 증가로 인한 광화학 적 양자수득률 및 전자전달 능력이 감소하는 것으로 판단되 었다. 빛의 흡수 후 특정 시간 t에서의 상대적 형광변동량을 추정하기 위해서 Vt=(Ft-FO)/(FM-FO)의 개념이 도입되 었다. 이때, 변동형광량은 여러 개의 광계II 간의 여기에너지 교환 및 이동 시 연속성을 의미한다. 상대적인 변동 형광값 Vt는 광계II RC의 일부분 (fraction)의 폐쇄된 정도와 관련이 있으며, Marcos et al. (2012)은 수분스트레스 조건에서 엽록 소 형광 유도과정 중 변동형광량 (Vop)이 증가한다고 보고되 었다. 정원식물의 변동형광량 (Vop)은 차광 80%처리에서 무 늬사초와 수호초가 무처리에 비하여 O-J 및 I-P 단계에서 형 광량이 확연이 감소하였다. 반면, 용담과 약모밀이 차광 50% 처리에서 O-J 및 I-P 단계에서 엽록소 형광값의 증가 현상이 나타났다 (Fig. 1c, d). 일반적으로 식물은 스트레스 조건에서 초기 광화학 반응이 현저히 감소하며 엽록소 형광 방출량이 증가하는 것으로 밝혀졌으며, 이를 O-J 전이단계에서의 숨 겨진 형광반응인 K-step이 나타난다고 보고되었다 (Prakash et al. 2003; Strasser et al. 2004; Stribet and Govindjee 2011). 따라서 용담 (GS)과 약모밀 (HC)은 O-J 전이과정 중 형광량 증가로 인한 광화학 반응 감소가 나타나 스트레스를 받은 것으로 판단되었으며, 무늬사초 (CM)와 수호초 (PT)는 차광 에 큰 영향을 받지 않으며 광이용 효율이 좋은 것으로 사료 되었다.

    2.엽록소 형광 매개변수 분석 (JIP-Test)

    차광처리에 따른 정원 식물의 Energy flux는 차광처리 및 식물 종 간 상이한 차이가 나타났으며, 모든 식물에서 변동 형광량 (FV)이 증가하였다 (Fig. 2). 감국은 차광처리에 의해 FV가 46%~60% 증가했으나 광계II 암적응 최대양자수득률 (FV/FM)은 변화가 없었다. 그리고 광계Ⅰ 전자전달 에너지 플 럭스 (RE1O/RC)는 무처리구 대비 차광처리 50%, 80%에서 각각 14.3%, 43.8%의 감소하며, 차광량의 증가에 따라 광 이용효율이 낮아지는 것으로 나타났다. 꼬리풀, 꽃범의꼬리, 뱀무 및 약모밀은 감국과 동일한 경향을 보이며 차광량 증 가에 따른 광이용 효율 감소를 보였다.

    Kim et al. (2008)의 연구 결과에 의하면 내음성이 높은 수 종은 엽면적 증대 및 색소함량 증가로 빛 흡수 이용 효율이 높아지며, 이러한 변화는 낮은 광도에서 광합성을 위한 적 응 반응이라고 보고된 바 있다. 본 연구에서 무늬사초, 수호 초 그리고 노루오줌은 차광처리 시 반응 중심당 광계Ⅱ 안테 나 (PSII antenna)의 QA 환원수를 나타내는 RC/ABS가 증가 하는 것으로 나타났다. 이는 낮은 광도에서 광자 흡수 이용 효율이 높아져 열에 의한 에너지 손실률 (DIO/RC)이 낮아졌 다고 판단되었다. 또한, 모든 식물에서 차광처리 시 광계II 전 자전달 에너지 플럭스 (ET2O/RC)가 증가했으나 광계I 전자 전달 에너지 플럭스 (RE1O/RC)는 감소하는 것으로 나타났 다. 차광처리에 의한 식물의 광계I 저해 현상으로 QA → QB 전자전달이 원활히 이루어지지 않아 광계I 전자수용체까지 의 전자전달 에너지 플럭스 감소가 일어난 것으로 사료되었 다.

    엽록소 형광 매개변수 (parameter)의 통계분석 결과 차 광처리 간 및 식물 간의 고도의 유의성이 인정되었다 (P< 0.001). 또한, 종과 처리에 관한 상관분석 (V×T)에 대하여서 도 유의성이 있는 것으로 나타났다 (Table 2).

    노루오줌은 최소 형광량 (FO)을 제외한 총 18종의 형광 매 개변수 (parameter)에서 유의성이 인정되어 가장 많은 차광 스트레스 광생리 지표를 보였으며, 특히 전자전달에너지플 럭스는 모두 유의성이 인정되었다. 또한 약모밀은 차광 스트 레스에 의해 12종의 형광 매개변수 (parameter)가 유의성이 있는 것으로 나타나며 정원식물 10종 중 가장 적은 광생리 지표가 선정되었다.

    O-J-I-P 형광량은 9종의 식물에서 유의성이 인정되어 대부 분의 식물에서 차광스트레스 광생리지표로 활용 가능한 것 으로 판단되었다. 또한 PITOTAL ABS와 DFTOTAL ABS는 용담과 호스타를 제외한 8종의 식물에서 유의성이 인정되었으며, 뱀무와 감국에서 고도의 유의성 (P<0.001)이 인정되었다. 그밖에 광계II 및 광계I 전자전달 에너지 플럭스 (ETo/RC, RE1O/RC)가 8종의 식물에서 유의한 것으로 나타나 차광스 트레스 광생리지표로 적용 가능한 것으로 판단되었다. 그러 나 VJ, DIO/RC 및 PIABS는 5종의 식물에서 유의성이 인정되 어 차광스트레스에 범용적으로 적용이 어려운 것으로 사료 되었다.Fig. 3

    3.광화학적 생리지표

    Perfomance index (PI)는 광계II와 광계I의 에너지 전환 효 율을 나타내며 식물의 건전성 판단 지표 (Oukarroum et al. 2007; Stirbet and Govindjee 2011)로 보편적으로 활용되고 있다. 또한 Oukarroum et al. (2007)은 보리의 건조 스트레스 및 재관수에 의한 전자이동의 변화가 성능지수 (PI)를 변화시 킨다는 연구 결과에 근거해 log PI (rel)이라는 상대지수를 적 용하여 Drought factor index (DFI)를 산정해 스트레스 지표로 활용하였다. 이에 따라 본 연구는 log PI (rel)를 적용해 50% 와 80%의 차광조건에 의한 Shading factor index (SFI)를 산 정해 정원 식물의 차광 스트레스 등급화 (Ⅰ~Ⅴ그룹)하여 분 류하였다. 수호초 (2.4)는 차광 스트레스에 가장 건전한 Ⅰ그룹 으로 차광수준 80%에서 50%대비 31.3% 높은 수치가 나왔 으며 이는 음지 적응에 의한 결과로 사료되었다. Ⅱ그룹으로 꽃범의꼬리 (0.88), 무늬사초 (0.7)로 꽃범의꼬리는 차광수준 80%에서 차광 50%보다 50.4% 높은 수치를 보였으며, 무늬 사초는 차광수준 80%와 차광수준 50%에서 차이가 거의 나 타나지 않았다. Ⅲ그룹은 용담 (- 0.3), 노루오줌 (- 0.6), 꼬 리풀 (- 1.0)이었고, 감국 (- 1.2), 뱀무 (- 1.4), 호스타 (- 1.4) 는 Ⅳ그룹으로 분류되었으며, 모두 차광수준 50%에서 식물 의 광이용 효율이 높게 나타났다. 마지막으로 Ⅴ그룹인 약모 밀 (- 2.3)은 정원 식물 중 가장 낮은 광이용 효율을 보였다. 결론적으로 수호초, 꽃범의꼬리, 무늬사초는 차광수준 80% 에서 정상생육이 가능하며, 용담, 노루오줌, 꼬리풀, 감국, 호 스타, 뱀무 등은 차광수준 50%에서 정상생육이 가능할 것으 로 사료되었다.

    적 요

    본 연구는 엽록소 형광반응 (OJIP)분석을 통해 차광처리 에 따른 정원 식물의 광 이용효율을 평가 및 분석하고자 하 였다. 10종의 정원식물을 대상으로 50% 및 80% 차광 조건 에서 엽록소 형광반응 분석을 실시하였으며, 75일 차광조건 에서 가장 낮은 광이용 효율을 보였다. 차광처리 시 광계II 전자전달에너지플럭스 (ET2O/RC)는 증가 경향을 보였으나 광계I 전자전달에너지플럭스 (RE1O/RC) 및 PI 등 광이용 효 율이 감소하였다. 본 연구를 통하여 광화학 매개변수 중 FV, FV/FO, RE1O/RC, ET2O/RC, PITOTAL ABS, DFTOTAL ABS 등 19개 parameter가 광화학 반응의 효율을 나타내는 중요한 요인으 로 판단되었다. SFI평가를 통해 10종의 정원식물 중 수호초 (Ⅰ), 꽃범의꼬리 (Ⅱ), 무늬사초 (Ⅱ)등 3종의 식물이 내음성이 강한 것으로 판단되었다. 따라서 광화학 반응에 근거한 일조 스트레스지수 (SFI)는 정원식물의 내음성 평가에 유용한 것 으로 사료된다.

    사 사

    이 논문은 농촌진흥청 연구개발과제 (과제번호: PJ010915 022016, 과제명: 도시옥외 공간 정원 식물의 일조환경 식재 적합도 평가 기술 개발)의 지원으로 수행되었다.

    Figure

    KJEB-34-264_F1.gif

    Comparison of chlorophyll a fluorescence transient (a,b) and relative chlorophyll fluorescence (c, d) of garden plants at different shading levels. a: 50% shading level OJIP, b: 80% shading level OJIP, c: 50% shading level Vop, d: 80% shading level Vop.

    KJEB-34-264_F2.gif

    Comparison of photon yield and specific energy fluxes in garden plants at different shading levels a: Dendranthema indicum L., b: Veronica linariifolia Pall., c: Physostegia virginiana L., d: Astilbe Bunch.-Ham., e: Carex maculata Bott, f: Geum japonicum Thunb., g: Pachysandra terminalis Siebold & Zucc, h: Houttuynia cordata Thunb, i: Gentiana scabra Bunge, j: Hosta longipes Matsum.

    KJEB-34-264_F3.gif

    Comparison of shading factor index in garden plants at different shading levels. Triangle: Δlog DF 50% shading level; circle: Δlog DF 80% shading level.

    Table

    Equations and definitions of chlorophyll fluorescence parameters (modified from Stribet and Govindjee 2011).

    Comparison of chlorophyll fluorescence parameters of garden plants at different shading levels

    1)Statistically difference.
    NS: no significance,
    *: p<0.05,
    **: p<0.01,
    ***: p<0.001 significance level in LSD.

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