LED_및_Cytokinin이_국내육성_거베라의_기내생육에_미치는_영향.pdf1.21MB

서 언

 최근 국내에는 네덜란드를 포함한 유럽의 육종회사로부터 연간 약 100여 품종의 거베라 70~80만주가 수입되어 재배되고 있다. 그러나 수입종묘의 주당 가격이 국내 종묘가격의 2.5배에 달하고 로열티로 해외에 지불되는 액수도 해마다 증가하고 있는 추세여서 재배농가의 종묘비 부담을 줄일 수 있는 국내 품종의 육성 및 보급이 시급한 실정이다(Chung et al., 2007). 국내에서는 지난 1991년부터 거베라의 품종을 육성하기 시작하여 19품종을 육성하였으나 아직까지 국내육성 품종의 보급 상황은 만족할만한 수준은 아니다. 거베라의 종묘생산을 위한 조직배양 시 주로 경정배양을 통한 기내 분주에 의해 유묘가 생산이 되고 있으나, 이 방법은 기내배양 중 유식물체의 생장이 균일하지 않거나 투명화 현상이 일어나는 등 유식물체 소질을 향상시키는 데 한계를 지니고 있다. 국내에서 육성된 품종들을 보급하고 경쟁력을 높이기 위해서는 우량종묘를 생산하기 위한 기술개발이 절실히 필요하며 여기에는 기내에서의 유식물체 생장에 관하여 정확한 이해가 뒤따라야 할 것이다.

식물체의 생장은 광, 온도, 그리고 습도 등의 환경요인의 영향을 받는데 그 중에서도 광은 유식물체의 생장과 발육에 영향을 미치는 가장 중요한 요인이라는 것은 이미 잘 알려져 있으며, 식물의 형태형성은 온도, 이산화탄소, 영양뿐만 아니라 광에 의해서 영향을 받는다. 특히 광환경은 잎과 줄기의 크기를 조절할 뿐만 아니라 색소형성과 투명화에 관여하는 것으로 보인다(Debergh et al., 1992). 광질이 생장과 품질에 미치는 영향에 관한 연구는 다양한 작물을 대상으로 많이 수행되었으며 최근에는 발광다이오드(light emitting diode, LED) 광원의 효과가 많은 연구를 통해 확인되고 있다(Lee et al., 2010). 광질은 식물체의 신초 신장, 잎의 형태 등의 생장 및 형태형성, 그리고 엽록소 합성에 영향을 미친다고 보고되었다(Wongnok et al., 2008). 적색광은 신초와 줄기생장(Shin et al., 2008), 그리고 청색광은 엽록소 합성(Moreira da Silva and Debergh, 1997)에 중요한 요인이며, 이러한 광질은 식물생장조절제의 농도 변화에 따라 신초 신장이나 측지 발생에 영향을 미친다(Smith, 1982). 그러나 조직배양시 기내 유식물체의 생장 및 형태형성에 대한 LED의 영향에 관한 연구는 많지 않은 실정이다.

 식물조직배양의 광원으로는 형광등이 가장 많이 이용되는데 경제성이나 취급의 용이성, 식물의 생육에 필요한 여러 파장의 방사 등의 특성을 가지고 있기 때문이다. 한편, 반영구적인 차세대 광원으로 각광 받고있는 LED는 환경친화적이며 광효율이 높고, 수명이 길며 에너지절감 효과가 매우 큰 장점이 있는 광원이다(Brown et al., 1995). 따라서 LED는 미세환경을 조절할 수 있는 시스템을 갖춘 식물조직배양실에서 사용하기에 적합하다. 또한 LED는 특정 광질을 쉽게 조사할 수 있어 배양기내·외 식물체의 생장 및 형태형성을 조절할 수 있는 새로운 인공광원의 하나로 주목받고 있으며 국내·외적으로 LED의 실용화에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다(Brown et al., 1995; Choi, 2003; Heo et al., 2010; Kim et al., 2009; Lian et al., 1999; Saebo et al., 1992).

 이에 본 연구는 기내배양 시 광원으로 LED의 파장과 cytokinin이 거베라의 기내 유묘 생육에 미치는 영향을 조사하기 위하여 수행하였으며 향후 국내육성 거베라의 우량묘 생산을 위한 기초자료로 이용하고자 한다.

재료 및 방법

 경남농업기술원 화훼육종연구소에서 육성한 Gerbera hybrida ‘Saebom’, ‘Songsongee’, 그리고 ‘Sugar Pink’ 3품종의 기내 배양묘를 분양 받아 본 연구를 수행하였다. MS배지(Murashige and Skoog, 1962)에 위 3품종의 신초를 BAP 0.5 mg·L^-1  + kinetin 0.5 mg·L^-1 가 첨가된 배지에서 2회 계대배양하면서 증식된 2.0~3.0 cm 크기의 신초를 실험에 사용하였다. MS 기본배지에 BAP 0, 1.0, 2.0, 4.0 mg·L^-1 와 kinetin 1.0, 2.0, 4.0 mg·L^-1  각각에 NAA 0.2 mg·L^-1 를 혼용하여 처리하였으며 3% sucrose를 넣고 pH 5.6로 조정한 후 0.8% agar를 첨가하여 배양병(52 × 190 mm)에 40 mL씩 분주하였고, 121℃에서 15분간 고압 멸균하였다. 배양병 당 4개체를 치상하였고, 처리당 10병씩 3반복으로 하였으며, 온도 23 ± 1℃, 16시간의 조명하에서 배양하였다. 광질은 적색광(R, 630 nm), 청색광(B, 460 nm), 혼합광(R+B)의 LED[480×80×20(W×D×H)mm, 220V/40W, (주)다인바이오]를 사용하여 처리하였고, 형광등(FL)을 대조구로 하였다. 광도는 광도계(model BQM, Apogee Instrument, Inc., USA)를 이용하여 LED 광원부의 높이 조절로 120±10 μmol·m^-2 ·sec^-1 로 설정하였다. 외부광원은 검은 천을 이용하여 차단하였다.

 배양 6주 후 신초장, 신초수, 근수, 근장, 줄기의 생체중 및 건물중, 뿌리의 생체중 및 건물중, 엽면적, 엽록소 함량, 그리고 투명묘의 발생률 등을 조사하였다. 엽면적은 portable area meter(model LI-3000A, LICOR, USA)로 신초의 캘러스를 제외한 전개엽의 엽신과 엽병을 측정하였다. 엽록소 함량은 완전히 전개된 잎을 채취하여 80%(v/v) aceton 용액으로 추출하고, spectrophotometer(Genesis 2, Spectronic Unicam, USA)를 이용하여 흡광도를 측정한 후 Mackinney(1941)의 방법을 이용해 산출하였다. 투명묘의 발생률은 처리 당치상한 전 개체에 투명화가 조금이라도 발생한 개체수를 백분율로 나타내었다. 실험의 결과들은 통계분석용 프로그램 SAS package(statistical analysis system, version 8.2, SAS Institute Inc.)를 이용하여 분석하였다.

결과 및 고찰

광질 및 cytokinin의 종류와 농도에 따른 국내육성 거베라 ‘Saebom’의 기내생장 결과는 Table 1과 Fig. 2에서 보는 바와 같다. 신초장은 혼합광 처리구의 cytokinin 무처리에서 6.4 cm로 가장 길게 나타났으며 적색광 처리구의 모든 처리에서 전반적으로 증가하는 경향을 보였다. 적색광에서 자란 유식물체의 엽신과 엽병은 가늘어지는 경향을 보여 그 결과 신초장이 증가한 것으로 보인다. 그러나 신초수 증가에 있어서는 효과적이지 못하였다. 거베라의 대량증식을 위해서는 신초수의 증가가 중요한데 모든 광의 BAP 4.0 mg·L^-1 에서 신초수가 증가하는 것으로 나타났으며 특히 R+B 혼합광 처리구에서 7.9개로 가장 많았다. Cytokinin 무처리구보다 처리구에서 신초수가 증가하였으며 BAP가 kinetin보다 신초수 증가에 더 효과적이었는데 그 효과는 광질의 대조구인 형광등 처리구에서 뚜렷하게 나타났다. 모든 광원의 BAP 처리구에서는 신초장이 짧았으며 잎의 형태가 엽신과 엽병의 구분이 뚜렷하지 못하며 로제트 타입의 형태를 띠고 있는 경우가 대부분이었다(Fig. 1A). 이 결과는 BAP 처리가 줄기신장을 억제한다는 많은 연구 결과들과 유사하였다(Saito and Ide, 1985; Shim and Ha, 1997).

Table 1. Effects of light quality and cytokinin on in vitro growth of Gerbera hybrida ‘Saebom’ propagules.

Fig. 1. Effect of BAP and kinetin treatments in Gerbera hybrida ‘Saebom’(A) and ‘Sugar Pink’(B) at 6 weeks after treatment of BAP 2.0 mg·L^-1 .

 뿌리의 생육은 모든 광원의 cytokinin 무처리구에서 양호한 결과를 보여 cytokinin이 뿌리 발달을 억제하는 것을 알 수 있었다.

 모든 광원에 따른 cytokinin이 신초와 뿌리의 생체중과 건물중에 미치는 영향은 유사하게 나타났으나 kinetin 처리구보다 BAP 처리구에서 생체중과 건물중이 높은 경향을 보였다. 이는 BAP 처리구에서 식물체의 줄기 하부에 캘러스와 유사한 조직이 발생한 데 기인한 것으로 보인다. BAP의 농도가 높을수록 신초형성률이 높았으나 아울러 투명화율 또한 높은 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 거베라(Chung et al., 2007), 안개초(Chung, 2004), 카네이션(Densco, 1987)등의 연구에서도 BAP의 농도가 높을수록 신초 형성률이 높았으나 아울러 투명화 발생율도 높았다는 결과와 유사하였다. Kinetin 처리구에서는 투명화가 거의 나타나지 않았으나 신초의 발생과 생체중이 감소하는 경향을 보였다.

 엽면적 값은 혼합광 처리구의 kinetin 2.0 mg·L^-1  첨가 배지에서 20.6 cm²  로 가장 높게 나타났으며 전반적으로 모든 광원에서 kinetin 2.0 mg·L^-1 첨가 배지에서 높게 나타났다. 엽록소 함량은 대체로 청색광 처리구에서 가장 높게 나타났으며 적색광, 혼합광, 형광등 순으로 나타났다. BAP보다 kinetin에서 엽록소 함량이 월등히 높았으며, 특히 청색광 처리구의 kinetin 1.0 mg·L^-1 첨가 배지에서 가장 높게 나타났다. 투명화율도 BAP 농도가 높아질수록 증가하는 경향을 보였으나 특히 적색광 처리구의 BAP 4.0 mg·L^-1 첨가 배지에서 98.7%로 가장 높게 나타났다. 그러나 kinetin 처리구에서는 광질과 상관없이 투명화가 전혀 나타나지 않았다.

 ‘Songsongee’ 품종의 신초장은 전반적으로 적색광 처리구에서 증가하는 경향을 보인 반면 형광등 처리구에서 감소하는 경향을 보이며 ‘Saebom’ 품종과 유사한 결과를 나타내었다(Table 2, Fig. 2). 신초수의 경우 형광등, 청색광, 적색광 그리고 혼합광 처리구의 BAP 4.0 mg·L^-1  첨가 배지에서 각각 4.9, 3.9, 4.8, 4.8개로 가장 많았으나 형성된 신초 대부분이 투명화되었다. 뿌리의 생육 또한 ‘Saebom’ 품종과 비슷한 결과를 보였다. 신초의 생체중은 청색광과 혼합광 처리구의 BAP 4.0mg·L^-1 첨가 배지에서 2,037.3mg과 2,056.5mg으로 가장 높게 나타났으며 특히 BAP 농도가 높아질수록 생체중이 증가하는 경향을 보였다.

Table 2. Effects of light quality and cytokinin on in vitro growth of Gerbera hybrida ‘Songsongee’ propagules

Fig. 2. Effects of different light quality and cytokinin on the growth of Gerbera hybrida ‘Saebom’(A), ‘Songsongee’ (B), and ‘Sugar Pink’(C) at 6 weeks after treatments as: 0- cytokinin-free; BA 1- BAP 1.0 mg·L^-1; BA 2- BAP 2.0 mg·L^-1; BA 4-BAP 4.0 mg·L^-1; Ki 1- Kinetin 1.0 mg·L^-1; Ki 2- Kinetin 2.0 mg·L^-1; Ki 4- Kinetin 4.0 mg·L^-1, FL- fluorescent lamp; Rred LED; B- blue LED; R+B- red plus blue LED).

 엽면적 값은 혼합광 처리구에서 높게 나타났으며 특히 kinetin 2.0 mg·L^-1  첨가 배지에서 18.1 cm² 로 가장 높게 나타났다. 그러나 형광등, 적색광, 그리고 청색광 처리구에서는 kinetin 첨가 배지보다 BAP 첨가 배지에서 엽면적 값이 높게 나타났다. 엽록소 함량은 혼합광, 형광등, 청색광 처리구 순으로 높게 나타난 반면에 적색광 처리구에서 가장 낮았는데 이는 잎이 작고 줄기가 도장하여 유약하게 자란 것에 그 원인이 있는 것으로 보인다. 투명화율도 BAP 농도가 높아질수록 증가하는 경향을 보였으나 ‘Saebom’과는 반대로 청색광, 혼합광 그리고 형광등 처리구에서 투명화율이 높게 나타났다. Kinetin 처리구에서는 ‘Saebom’의 결과와 유사하게 투명화가 거의 나타나지 않았다. 신초로부터 다신초를 형성, 유지, 증식하는 과정에서 신초나 유식물체들이 필요 이상으로 cytokinin에 장시간 노출될 경우 잎이 뒤틀리거나 오그라드는 현상을 비롯한 덩어리 현상을 보인다고 알려져 있다(Baek et al., 1996; Chung et al., 2004). 특히 ‘Songsongee’는 BAP 처리 시 잎이 오그라드는 현상이 심하게 나타나는 경향을 보였다.

 ‘Sugar Pink’ 품종의 기내생장에 영향을 미치는 광질 및 cytokinin의 효과는 Table 3과 Fig. 2에서 보는 바와 같다. 신초장은 앞의 두 품종과 같이 적색광 처리구에서 증가하는 경향을 보였으나 형광등 처리구에서 억제되었다(Table 3). 특히 BAP 첨가 배지에서는 로제트 현상과 같이 엽병이 지나치게 짧게 나타나서 계대배양을 하는 데 어려움이 뒤따랐다. 신초수는 형광등 처리구의 BAP 4.0 mg·L^-1  첨가 배지에서 9.4개, 혼합광의 BAP 2.0 mg·L^-1 첨가 배지에서 9.6개로 많았으나 형성된 신초의 대부분이 투명화되었다. 신초생체중과 건물중, 엽면적은 혼합광 처리구의 BAP 2.0 mg·L^-1 첨가 배지에서 각각 2,287.6 mg, 137.9 mg, 14.8 cm² 로 가장 높은 경향을 보였다. 또한 적색광 처리구의 BAP 2.0 mg·L^-1 첨가 배지에서도 신초 건물중이 138.9 mg으로 높은 경향을 보였다. Shin et al. (2008)은 LED의 혼합광 처리구에서 잎의 발달, 뿌리형성, 생체중, 건물중, 엽면적이 커진다고 하였고, 적색광 처리구에서 엽장이 최대라고 하였다. 엽록소 함량은 BAP보다 kinetin에서 높은 경향을 나타냈으며 특히 형광등 처리구의 kinetin 2.0 mg·L^-1 첨가 배지와 혼합광 처리구의 kinetin 1.0 mg·L^-1 첨가 배지에서 가장 높게 나타났다. 투명화율은 청색광의 BAP 2.0 mg·L^-1 첨가 배지에서 82.8%로 가장 높았으며 특히 신초 전체가 투명화되는 경우가 많았으며(Fig. 1B) 모든 광원처리구에서 고농도의 BAP가 높은 투명화율을 나타내었다.

Table 3. Effects of light quality and cytokinin on in vitro growth of Gerbera hybrida ‘Sugar Pink’ propagules

 LED와 cytokinin에 따른 거베라의 기내유묘 생육에 미치는 영향은 매우 다르게 나타났으며 생육 특성을 조사한 결과 품종간에는 비슷한 경향을 보였다. 줄기의 신장은 적색광에서 양호하다고 하였으나(Moon and Park, 2008) 본 실험의 적색광 처리구에서는 신초가 도장하였고, 신초수의 증가에도 크게 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있었다.

 뿌리의 생육은 청색광과 혼합광 처리구의 cytokinin 무처리에서 양호한 결과를 보여 식물생장조절물질이 뿌리 발달에 유의적인 요인임을 알 수 있었으나 각 품종간의 광원에 따라 약간의 차이를 볼 수 있었다. Doritaenopsis 식물의 경우 뿌리의 생장은 청색광에서 자란 식물에서 가장 양호하게 나타났으나 적색광에서는 억제된다고 하였다(Shin et al., 2008). Debergh et al.(1992)은 광도가 색소형성이나 투명화에 관여하는것으로 보고하였고, Shin et al.(2008)은 청색광에서 자란 식물에서 엽록소 함량 높게 나타난다고 하였다. 본 결과에서도 청색광이 엽록소 함량에 간접적으로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 혼합광 하에서 자란 식물체에서 생체중 및 건물중의 증가를 관찰하였는데(Moon and Park, 2008) 본 실험도 같은 결과를 얻었다. 일반적으로 식물체의 기내배양 시 BAP와 kinetin을 단용 또는 혼용으로 처리하는 경우가 대부분인데 고농도로 처리할 경우 투명화 현상이 일어난다고 하였다(Chung et al., 2007). BAP는 cytokinin 중에서도 가장 효과적임에도 불구하고 투명화 유도에 관여하는 것으로 알려져 있다. 비록 BAP가 거베라의 기내 유묘 생장에 효과적이지만 투명화 발생이 많아 kinetin에서 증식이 이루어져야 할 것으로 생각된다.

 본 연구의 결과, LED 및 cytokinin이 거베라 기내 유묘 생장 및 형태형성에 분명히 영향을 미치는 것으로 보였으며 조직배양시 적절한 광원과 cytokinin의 선택은 기내 유묘의 정상적인 생육을 위해 필요하며 향후 기내 유묘의 소질을 높이는 것이 가능해질 것이다. 이러한 결과는 향후 국내육성 거베라의 우량묘 증식을 위한 기초자료로 이용할 수 있을 것이다.