서 언
식물의 실내 도입은 물질적으로는 풍요로운 삶을 살아 가지만 정신적으로 각종 스트레스에 시달리고 있는 현대 인의 삶의 질을 향상시키기 위함이다. 식물은 실내 분위 기를 부드럽게 해주어 각박해진 인간의 정서를 순화시켜 줌은 물론 녹색이 주는 안정감, 평온함과 아울러 실내 온 도와 습도를 조절해 주고 소음 조절 및 공기정화 능력 으로 쾌적한 실내 환경과 휴식 공간을 제공하여 건강한 삶을 유지하는데 중요한 역할을 한다(Yoon 2006). 최근, 실내 건축 및 디자인 분야에서 식물이 많이 이용되고 있 으며 광도가 부족한 실내 환경 특성상 꽃을 관상하는 관 화식물보다는 관엽식물이 주로 많이 이용되고 있다. 최근 에는 미학적인 감상의 측면에서 녹색의 단조로움을 보완 할 수 있는 다양한 색상과 무늬를 지닌 반입식물(variegated plant)의 실내 도입이 많아지고 있다(Kim et al. 2008). 반 입식물은 일반적인 녹색의 관엽식물에 비하여 관상가치가 높은 것으로 취급되며(Shen et al. 1983; Tilney-Bassett 1991), 그 요구도도 증가하고 있다(Kim and Seo 2013). 그러나, 반입식물은 광 요구도가 다른 관엽식물보다 높 아 실내에 도입했을 때 생장이 불량한 것은 물론 무늬 가 사라지거나 색상이 변하여 관상가치가 유지되지 않는 경우가 많아 실내도입이 어려운 실정이다. 광은 광합성 의 에너지원일 뿐만 아니라 식물이 정상적으로 생육하는 데 필수불가결한 요소이다. 광도의 증가가 무늬 발현에 효 과적이기 때문에 반입식물의 실내도입 시 광 환경은 반드 시 고려해야 할 필수적인 요인이다(Hong et al. 1994; Kwak and Lee 1997). 사전 실험을 통해 보편적인 실내광원인 형 광등을 이용해 무보광(0.4μmol • m−2 • s−1, Control), 형광등 1개(46.1μmol •m−2 • s−1), 형광등 2개(98.2μmol •m−2 • s−1)를 설치하여 광도에 따른 생장 반응을 조사한 결과 대조구 (control)에서는 4주 후 거의 모든 잎이 고사하였다. 또 한 대부분의 반입식물의 선행 연구들의 결과(Hong et al. 1994; Kwak and Lee 1997)는 낮은 광도보다는 높은 광 도에서 생육이 양호하였다. 반입식물의 관상가치를 나타 낼 수 있는 무늬 비율이나 무늬 색상은 형광등의 낮은 광 도 환경에서 무늬 비율이 낮아지거나 색상이 변하였고, 높 은 광도에서도 관상가치가 높았던 초기값을 기준으로 비 교했을 때 무늬의 색상이 퇴색되었다. 식물 생장은 가시 광선 영역 중 특정 파장에 의해 생육이 억제되거나 촉 진되고 종자발아나 꽃눈의 분화, 잎과 줄기의 생장에도 영향을 미치며 특히 꽃이나 잎의 무늬의 색상 발현은 주 로 광도와 광질에 영향을 받기 때문에 이에 대한 고려 가 필요하다(Dole and Wilkins 2005). 그 동안 실내식물 생육에 대한 광 연구는 주로 자연광과 일반적인 실내 광 원인 백색 형광등을 이용하였으며(Son et al. 2011; Ju et al. 2009), 실내 식물의 엽색 발현에 있어서 형광등을 대조구로 하여 LED(light emitting diodes)와 할로겐, 수 은등 등 다양한 광질이 Begonia rex의 무늬 발현에 미 치는 영향을 조사한 결과 청색광과 적색광의 스펙트럼 영 역이 넓고 높았던 LED bulb 처리구에서 무늬 면적이 증 가했고 무늬의 색상 발현도 형광등만 처리한 경우보다 양 호했다(Ahn 2012)고 보고했으나 특정 파장의 영향을 조 사한 연구는 부족한 실정이다. 최근 대체광원으로 보급 되고 있는 LED는 스펙트럼 구성의 통제 및 광도 조정 이 가능하고 낮은 열 방출로 근접보광이 가능한 광원(Yeh and Chung 2009)으로 색상 발현에 미치는 광질의 효과 를 연구하기에 적합한 광원이다. 따라서, 본 연구는 관 엽 베고니아를 대상으로 파장별 LED 보광이 무늬 비율 과 색상에 미치는 영향을 조사하여 관상가치 유지의 관 점에서 LED 보광의 적용성을 검토하고자 실시되었다.
재료 및 방법
식물재료 및 광질 처리
식물재료는 경기도 고양시 베고니아 농가에서 삽목하 여 6개월 간 키운 10cm 포트의 근경성 관엽 베고니아 4 종류(Begonia rex ‘Fairy’, ‘Harmony’s Red Robin’, ‘Hilo Holiday’, and B. bowerae)를 사용하였다. 실험은 서울시 립대학교 실내식물실험실에서 2012년 6월 1일부터 8월 5일까지 8주간 기온 26 ± 2℃, 상대습도 50 ± 5% 조건으 로 실시하였다. 심지관수용으로 제작한 사각형의 식재용 기(가로 ×세로 ×깊이 = 45 × 27 × 12cm)에 인공배합토(그린 파워, 승진비료)를 이용하여 엽수를 균일화한 후 각 품 종당 8개체씩 식재하였다. 실내 적응을 위해 모든 처리의 중앙에 위치한 형광등만 켜놓고 1주간 순화시켰다. 광질 처리는 형광등(F, fluorescent lamp, 46.1μmolm−2 • s−1)을 기 본으로 하여 여기에 6개 다른 광질의 LED를 각각 조합하 여 철제 트레이 바닥에서 60cm 높이에 설치하였고 식물체 상단에서 측정한 전체광도는 80 ± 10μmolm−2 • s−1로 조절하 였다. 형광등에 보광한 6가지 LED 광질은 백색광(white, 380-760nm), 적색광(red, 625nm), 청색광(blue, 470nm), 녹 색광(green, 525nm), 황색광(yellow, 605nm), 적•청 혼합 광(RB, red: blue = 4 : 1)이었고, 하루 12시간 보광 처리하 였다. 광질 처리별 광스펙트럼의 분포는 spectroradiometer (PS-300, Apogee, USA)를 이용하여 분석하였다(Fig. 1).
생장 특성
처리 전 초기값(initial value)을 기준으로 8주 후 각 8 개체의 식물체당 엽수와 생체중의 변화를 비교 분석하였 다. 엽수는 식물체의 엽장과 엽폭이 모두 1cm 이상의 잎 만을 계수하였고, 생체중은 근경에서 엽병이 시작되는 부 위를 잘라서 식물체당 지상부의 생체중을 측정하였다.
무늬 특성
B. ‘Fairy’는 은색, B. ‘Harmony’s Red Robin’과 B. ‘Hilo Holiday’는 적색, B. bowerae는 연녹색 부위를 무 늬로 정의하고 무늬 부위의 색상과 비율을 측정하였다. 실내도입 시 품종 고유의 무늬 색상이 변화하는 것은 관 상가치 측면에서 부정적이므로 초기값을 기준으로 분석 하였다.
무늬 색상은 처리 구의 8개체 중 5개체를 선정하여 상 위 3 ~ 4번째 완전히 전개된 잎을 대상으로 무늬부위로 정의한 특정 색상을 색차색도계(CR-10, MINOLTA Co., Japan)를 이용하여 Lab값을 측정하였다. 이때 L값은 명 도(lightness)를 나타내며 L = 100은 백색, L = 0은 검정이 며 L축의 중심으로 갈수록 채도는 낮아진다. a값은 적 색(+a)과 녹색(−a)의 정도를, b값은 황색(+b)과 청색(−b) 의 정도를 나타내며 중앙에서 바깥으로 갈수록 채도가 증 가한다(Kim 1999; Kim et al. 2012).
무늬 비율은 전체 엽면적에 대한 무늬 면적의 백분율 로 계산하였다. 각 처리의 8개체 중에서 상위 3 ~ 4번째 완전히 전개된 잎 4장을 조사하였다. 컬러레이저복합기 (CLX-3175WK, Samsung, Korea)로 스캐닝 후 실체 크기 로 인쇄하여 전체면적에서 무늬 면적을 구분하여 엽면적 기(LI-3000A, Li-Cor Inc., USA)를 이용해 측정하였다.
색소 특성
처리별로 상위 3 ~ 4번째 위치한 3장의 잎을 채취하여 광질에 따른 엽록소, 카로티노이드, 그리고 안토시아닌의 함량을 조사하였다. 전체 엽록소 및 카로티노이드 함량 은 Wellburn(1994)의 방법으로, 전체 안토시아닌 함량은 Murray and Hackett(1991)의 방법으로 분광광도계(UV- 2450, Shimadzu Co., Japan)를 이용하여 측정하였다(Im 2010). 엽록소 함량은 μg • g−1 FW으로 표시하였다.
통계처리
통계분석용 프로그램인 SAS package(statistical analysis system, version 9.3, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)를 이용하여 ANOVA(analysis of variance) 분석을 실시하였으며 각 처리간의 유의성은 DMRT(Duncan’s new multiple range test) 5% 수준에서 실시하였다.
결과 및 고찰
생장 특성
LED 보광 광질에 따른 8주 후 생장을 처리 전 초기 값과 비교한 결과, B. ‘Fairy’의 경우 엽수는 초기값보다 백색과 청색 보광에서 유의하게 증가했고, 녹색 보광에서 광질 처리 간에 유의하게 엽수가 감소했다. 이는 Fig. 1 의 광 스펙트럼 분포를 보면 녹색 보광처리에서 500- 600nm의 녹색광 영역이 다른 처리에 비해 상대적으로 넓 었고(Fig. 1D), 광질 처리 전 엽록소 함량이 다른 품종들 보다 상대적으로 높았던 B. ‘Fairy’의 색소 특성(Table 2) 을 고려할 때 광합성의 주색소인 엽록소가 녹색광을 반 사하므로 광합성효율이 낮아 죽거나 고사된 잎이 많았기 때문이라 생각된다. 생체중은 적색 보광과 적•청 혼합보 광에서는 2배 이상 증가했고 청색 보광과 백색 보광에 서는 3배 이상 증가했다. B. ‘Harmony’s Red Robin’의 경우 엽수는 적색 보광과 적•청 혼합보광에서 초기값보 다 유의하게 증가했으나 다른 광질처리에서는 통계적 유 의차는 없었다. 생체중은 대부분 통계적 차이가 없었고 녹색 보광에서 감소했다. B. ‘Hilo Holiday’는 백색 보광 과 적•청 혼합보광에서 엽수와 생체중이 모두 초기값에 비해 유의하게 증가했으나 8주 후 광질처리 간 생체중의 통계적 차이는 나타나지 않았다. B. bowerae의 경우 엽수 는 적•청 혼합보광과 청색 보광에서 초기값보다 증가하 였고, 생체중은 적•청 혼합보광에서 증가하였다(Table 1).
빛은 식물의 생장과 분화 발달을 조절하는 중요한 환경요 인으로 하나의 신호로도 작용한다. 적색광은 식물체의 광 합성에 관여하고 청색광은 형태적으로 식물의 건전한 생 장에 필연적으로 요구된다(Heo et al. 2002). 광형태형성 을 하기 위해 식물은 빛을 흡수하며 적색광과 원적색광을 흡수하는 phytochrome과 청색광을 흡수하는 cryptochrome 및 phototropin 등 광수용체들은 빛에 의해 발생되는 다양 한 형태 발생을 조절한다(Lee et al. 2011). 완두 묘의 생 산에 있어서 묘의 생체중은 광질에 직접적으로 영향을 받 았으며 특히 청색광(465-470nm) 처리에서 묘의 생체중이 가장 컸다고 보고되었다(Wu et al. 2007). 반입 베고니 아 네 품종의 생장은 백색 형광등에 청색 LED를 단독 으로 혹은 적색광과 함께 처리한 광질에서 양호한 것으 로 나타났고, 녹색 보광에서 모든 품종의 생장이 대체로 불량했다(Table 1). 이는 525nm의 녹색 LED가 세포 생 장에 효과가 없으며 엽록소의 녹색광 흡수 효율이 낮았 기 때문인 것으로 판단된다(Katsuda et al. 2004).
무늬 특성
무늬 색상의 경우 B. ‘Fairy’는 대체로 처리 광질 간 유의한 차이는 나타나지 않았으나 a값이 황색 보광에서 초기값보다 감소했다(Table 1, Fig. 2A). B. ‘Harmony’s Red Robin’의 무늬 색상은 청색 보광에서 Lab값이 모 두 초기값과 차이가 없었고(Table 1), 품종 고유의 적색 무늬가 양호하게 발현되었다(Fig. 2B). Lab값 중에서 L 은 명도를 나타내며 a와 b는 색상을 나타내는 색도 좌표 로 +a는 적색 방향, −a는 녹색방향, +b는 황색방향, −b 는 청색 방향을 나타낸다. a와 b의 값이 증가하는 것은 채도가 증가한다 것을 의미하며(Kim 1999), a값은 적색 발현을 대표한다(Lee et al. 2010). 적색 보광과 녹색 보 광에서 B. ‘Harmony’s Red Robin’의 무늬 색상은 a값이 음의 값을 나타냈고(Table 1), 8주 후 잎의 스캐닝 이미 지와 Lab 색상 차트에서도 무늬 색상이 녹색화되어 품 종 고유의 무늬색상이 변화되었다(Fig. 2B). B. ‘Hilo Holiday’의 경우 무늬 색상의 통계적 차이는 없었지만 (Table 1), 색상 차트를 통해 볼 때 청색 보광에서 무늬 가 선명하고 적색 발현이 양호했다(Fig. 2C). 이와 같이 적색 무늬를 가진 B. ‘Harmony’s Red Robin’과 ‘Hilo Holiday’의 경우 청색광을 보광한 광질에서 가장 적색 발 현이 높은 것으로 나타났다(Fig. 2B, 2C). 미세조류인 Haemacoccus pluvialis는 녹색 식물세포에서 휴면 상태인 적색의 낭종세포로 생장하면서 형태와 색상이 변화된다. 이때 LED 백색광이나 적색광만을 처리한 경우보다 색 상변화의 시점에 청색광을 처리해 준 경우가 세포의 적 변 현상에 더 효과적이었다고 보고하였다(Katsuda et al. 2004). B. bowerae는 연녹색 무늬를 가진 품종으로 모 든 광질처리에서 명도, 적색도, 황색도 중 한 가지 이상 이 낮아지거나 높아져 무늬 색상이 다양하게 변했으나 (Table 1), 청색광, 녹색광, 적•청 혼합광 보광처리에서 연녹색 무늬가 선명하고 뚜렷하여 무늬 발현이 양호한 것 으로 판단된다(Fig. 2D).
무늬 비율의 경우 B. ‘Fairy’는 8주간 광질 처리의 효 과가 없었다(Fig. 3A). B. ‘Harmony’s Red Robin’의 경 우 적색의 무늬 비율이 적색 보광에서 초기값에 비해 14.7% 증가하였고, 녹색 보광에서는 19.2% 감소했으며 백 색광, 청색광, 황색광, 적•청 혼합광의 보광에서는 차이 가 없었다(Fig. 3B). B. ‘Hilo Holiday’의 무늬 비율의 경우 적색광, 청색광, 적•청 혼합광의 보광에서 초기값 과 유의한 차이가 없었으나, 백색광, 녹색광, 황색광의 보 광에서 감소하였다(Fig. 3C). B. bowerae의 무늬 비율은 백색 보광에서 현저하게 감소했으나, 다른 광질에서는 초 기값과 차이가 없었다(Fig. 3D).
무늬 색상과 비율을 함께 고려할 때 B. ‘Fairy’는 광 질 간 차이가 없었고, ‘Harmony’s Red Robin’은 청색 보 광에서, ‘Hilo Holiday’는 청색광과 적•청 혼합광 보광에 서 B. bowerae는 청색광, 적•청 혼합광, 그리고 녹색광 보 광에서 양호한 것으로 나타났다(Table 1, Figs. 2, and 3).
색소 특성
엽록소 함량의 경우 B. ‘Fairy’는 다른 품종에 비해 초 기값이 높았으며 백색, 적색, 청색 보광처리에서 초기값 과 통계적 차이가 없었고 녹색 보광에서 현저하게 낮 았다. B. ‘Harmony’s Red Robin’의 엽록소 함량은 보광 광질 처리 간 유의차가 없었으며 B. ‘Hilo Holiday’는 청 색 보광에서 초기값과 차이가 없었고 광질 처리 간에 함 량이 높았다. B. bowerae는 8주 후 광질 처리 간 통계 적 차이는 없었으나 백색 보광과 청색 보광에서 엽록소 함량이 초기값보다 증가되었다(Table 2). 이는 엽록소가 광합성에 중요한 색소로 광합성 이용효율 측면에서 적 색광과 청색광을 잘 흡수하며 녹색광을 반사(Dole and Wilkins 2005)하기 때문이라 생각한다.
카로티노이드 함량의 경우 네 품종 모두 초기값과 차 이가 없거나 감소하였다. 카로티노이드는 오렌지색을 띠 며 400-500nm의 청색광을 잘 흡수하는 광합성의 보조 색 소로 광합성과정에서 생긴 triplet-state 엽록소와 singlet oxygen을 없애주어 광산화를 방지하고 광합성 조직을 보 호하는 역할을 한다(Im 2010). 또한, 엽록소 대비 카로 티노이드 비율(Car/Chl)이 증가한다는 것은 스트레스에서 엽록소를 보호하기 위한 식물의 생리적 반응으로 알려져 있다(Armstrong and Hearst 1996; Im 2010). Car/Chl은 모든 광질 처리에서 초기값과 차이가 없거나 감소하였다 (Table 2). 이러한 측면에서 볼 때 모든 처리는 고광도 로 인한 스트레스 수준까지는 미치지 않은 것으로 생각 된다.
안토시아닌 함량의 경우 B. ‘Fairy’는 백색, 적색, 청 색 보광에서 초기값보다 증가했고 녹색 보광에서 감소 했다. 이는 광합성으로 인한 당의 축적과 관련하여 안토 시아닌 함량이 증가되었다고 판단된다. B. ‘Harmony’s Red Robin’의 안토시아닌 함량은 초기값과 광질처리 간 통계적 차이가 없었다. B. ‘Hilo Holiday’의 안토시아닌 함량은 대부분의 광질에서 초기값보다 감소하거나 차이가 없었지만 청색 보광에서 증가했다. B. bowerae의 안토시 아닌 함량은 모든 처리에서 초기값보다 증가했다(Table 2). 또한, 엽록소 대비 안토시아닌 비율(Ant/Chl)도 B. ‘Fairy’, B. ‘Harmony’s Red Robin’, B. ‘Hilo Holiday’ 세 품종 은 모든 광질 처리에서 초기값과 통계적 차이가 없었으 나 B. bowerae는 초기값보다 모든 처리에서 증가하였다 (Table 2). 안토시아닌은 다양한 비생물학적 스트레스 상 황에서 축적되며 활성산소의 발생억제, 제거 및 항산화 효소들을 보호한다(Hatier and Gould 2008). B. bowerae 의 안토시아닌 함량과 Ant/Chl이 모든 처리에서 초기값 에 비해 증가된 것은 품종 특성상 엽병이 길어 근접보광 의 직접적인 영향을 받았기 때문으로 생각된다. 적색 무 늬를 지닌 두 품종의 경우 B. ‘Harmony’s Red Robin’은 광질 처리간 적•청 혼합 보광과 청색 보광에서 Ant/Chl 이 높았고, B. ‘Hilo Holiday’는 청색 보광에서 안토시아 닌 함량이 가장 높았다. 청색광이 chalcone synthase(CHS) 와 dihydroflavonol-4-reductase(DFR)의 발현을 촉진하여 안토시아닌 생합성을 조절하며(Meng et al. 2004), 어린 잎 상추 ‘Red Cross’에서 적색의 색상 발현과 관련된 안 토시아닌 축적에 있어서 LED 청색광(400-500nm)을 추 가함으로 31% 증가했고(Li and Kubota 2009), 청색광이 토마토의 안토시아닌 수준을 증가시켰다(Giliberto et al. 2005)는 보고와 같이 적색 발현과 관련된 안토시아닌 함 량 증가와 엽육세포 내 엽록소에 대한 안토시아닌 색소 의 함량 백분율인 Ant/Chl 증가에 청색광이 효과적임을 나타냈다.
결론적으로, 관엽 베고니아 B. ‘Fairy’, ‘Harmony’s Red Robin’, ‘Hilo Holiday’, B. bowerae 4종의 생장 특성을 고려한 무늬 발현은 실내에서 보편적으로 사용하는 형광 등에 청색광을 단독으로 혹은 적색광과 조합하여 보광하 는 것이 무늬의 퇴색을 억제시키는 데 도움이 될 것으 로 판단된다. 그러나, 인간의 시야와 고유의 엽색관상의 측면을 고려하여 국부 조명이나 보광 시간의 조절 등 광 질 처리의 적용방법에 대한 추가적인 연구가 필요할 것 으로 판단된다.
초 록
본 연구는 관엽 베고니아 네 종류(Begonia rex ‘Fairy’, ‘Harmony’s Red Robin’, ‘Hilo Holiday’와 B. bowerae) 의 실내 생장 및 무늬 발현에 미치는 보광 광질의 효과 를 조사하기 위해 실행되었다. 광질은 46.6μmol • m−2 • s−1 형 광등을 기본으로 여기에 백색, 적색(625nm), 청색(470nm), 녹색(525nm), 황색(605nm), 적•청 혼합광(적색: 청색 = 4 : 1) LED를 각각 조합하여 전체광도를 80 ± 10μmol • m−2 • s−1로 조절하였고 일장은 12시간으로 8주간 처리하였다. 실내 조 건은 기온 26 ± 2℃, 상대습도 50 ± 5% 이었다. 무늬의 면 적과 색상에서의 변화를 정량화하였고 광질 처리 전 초기 값을 기준으로 분석하였다. 그 결과, B. ‘Fairy’의 생장은 청 색광에서 가장 양호하였고, 색상과 무늬비율은 처리 간 차 이가 없었다. B. ‘Harmony’s Red Robin’은 적색광에서 엽수가 많이 증가했으나 품종 특유의 적색이 녹색으로 변 한 반면, 청색광에서 생장, 무늬 색상, 무늬 비율이 초 기값을 유지했다. B. ‘Hilo Holiday’는 백색광과 적•청 혼합광에서 양적 생육이 좋았으나, 적•청 혼합광과 청색 광에서 무늬 비율이 높고 적색 무늬가 선명하였다. B. bowera는 광질에 따라 무늬가 다양하게 변했다. 그러나, 청색광과 적•청 혼합광에서 생장이 양호할 뿐만 아니라 무늬도 선명하였고 무늬 비율도 유지되었다. 결론적으 로 B. ‘Fairy’와 ‘Harmony’s Red Robin’은 청색광을, ‘Hilo Holiday’와 B. bowerae는 적•청 혼합광 또는 청 색광을 보광하는 것이 무늬 발현에 더 효과적이었다. 따 라서 실내에서 관엽 베고니아의 무늬 발현과 같은 품질 특성을 유지하기 위해서는 LED 청색광을 단독 혹은 적 색광과 조합하여 적용할 수 있을 것으로 기대한다.
추가 주요어:
LED, 관상가치, 색소 발현, 무늬 비율
