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ISSN : 1225-5009(Print)
ISSN : 2287-772X(Online)
Flower Research Journal Vol.25 No.1 pp.10-17
DOI : https://doi.org/10.11623/frj.2017.25.1.02

Salinity Tolerance of Aquatic Yellow Flag as Affected by Different Salts
염 종류에 따른 수생식물 노랑꽃창포의 내염성 반응

Jae Min Noh1, Wan Soon Kim1,2*
1Department of Environmental Horticulture, University of Seoul, Seoul 02504, Korea
2Natural Science Research Institute, University of Seoul, Seoul 02504, Korea

노 재민1, 김 완순1,2*
1서울시립대학교 환경원예학과,
2서울시립대 자연과학연구소
Corresponding author: Wan Soon Kim, +82-2-6490-5613, wskim2@uos.ac.kr
March 24, 2017 March 26, 2017 March 26, 2017

Abstract

Salt tolerance in Iris pseudacorus L. was tested whether it can be materialized to remove salt accumulation in water caused by nonpoint source pollution. Two groups of treatments were a nutritive salt group (NSG) of Hoagland solution of varying concentrations and a sodium salt group (SSG) of the solution of NaCl. In NSG leaf visible damages appeared in more than EC 5 mS·cm-1, while plants in SSG showed visible damage in all concentrations of NaCl. The damage symptoms were dark green in leaves and plant wilting in NSG, while browning of the leaf tips' browning in SSG. Plant biomass in NSG was highest in EC 1 mS·cm-1 the lowest in EC 9 mS·cm-1. In SSG, it was significantly decreased as salt concentration increased. Photosynthetic and root activities were reduced, and proline, a kind of stress-defense proteins, increased, accompanied with salt increase.


우리나라 전역에서 자생하며 생체량이 크고 관상가치가 우 수한 노랑꽃창포를 이용하고자 염 종류와 농도에 따른 내성과 생장반응을 조사하였다. 염처리는 영양액(nutritive salt group: NSG, Hoagland solution)과 과 나트륨염(sodium salt group, SSG, NaCl)을 사용하였다. 그 결과 잎의 가시적인 피해는 NSG 처리시 EC 3mS·cm-1 이하 농도에서는 나타나지 않았 다. 반면, SSG에서는 실험 NaCl 0.5%을 포함해서 모든 잎에 서 가시적인 피해가 나타났다. NSG에서는 진녹색을 띠면서 식물 전체가 마르는 반면 SSG에서는 잎 끝이 황화되는 특성 을 나타냈다. 식물 생체량은 NSG의 EC 1mS·cm-1에서 42% 로 가장 높았고, SSG에서는 NaCl 농도가 높아질수록 점차 감 소하였다. 광합성과 뿌리활력은 염 종류와 관계없이 농도가 증가할수록 감소하였고, 프롤린 함량은 현저하게 증가하였다. K/Na은 SSG에서는 NaCl 0.5%에서부터 낮아졌다. 한편 NSG 에서는 P가 과잉 흡수되었으며, SSG에서는 N 결핍과 Na 과다 흡수가 이루어졌다.


초록


    서 언

    도시, 도로, 농지, 산지, 공사장 등 불특정 장소에서 불특정 오염물질을 배출하는 비점오염원에 의한 수질오염에 대하여 최근 수생식물을 이용한 환경친화적인 복원방법에 대한 관심 이 증가하고 있다(Choung et al. 2003). 비점오염원은 오염물 질의 유출 및 배출경로가 명확하게 구분되지 않아 수집이 어 렵고, 배출량이 강수량 등 기상조건에 크게 좌우되며, 점오염 원과는 달리 체계적인 관리가 어렵다. 또한 점오염원의 감소 로 인해 오히려 비점오염원의 오염기여도가 높아지고 있는 실 정이다. 비점오염원으로 인해 수질 중 전기전도도가 높아지고 특정 이온들이 많아지는 경향을 보여 복원용 식물의 내염성에 대한 연구가 요구되고 있다. 내염성 식물은 높은 전기전도도 를 나타나는 수질이나 염해 지역, N와 P의 함량이 높은 부영 양화 등 수질환경개선에 좋은 자원으로 활용 가능하기 때문에 국내 환경에 잘 적응해있는 자생식물에 대한 내염성 연구가 중요하다(Zhang et al. 2007).

    우리나라 내염성 식물에 관한 연구로 N, P 등 부영양화 물질 이나 NaCl에 대한 내성 연구가 있었다(Choung et al. 2003). 전세계적으로 약 1,560종의 내염성 식물이 존재하는 것으로 보고되고 있으나, 이중 46.8%가 명아주과, 목초과, 국화과, 콩 과 식물로 경제적 가치가 적은 야생형 초본 위주로(Zhao and Li 1999), 최근 환경정화능력뿐만 아니라 관상가치도 중요하게 부각되고 있어 새로운 식물 발굴과 내염성 연구가 필요하다.

    본 연구는 다년생 수생식물로서 생장량이 크고 관상가치가 뛰어나며 비점오염에 대한 흡수능력이 뛰어난 것으로 보고된 노랑꽃창포(Lee and Kim 2011)를 대상으로 염의 종류에 따른 내염성과 생장 및 생리반응을 조사하여 도시 수질오염 복원의 기초자료를 제공하고자 실시하였다.

    재료 및 방법

    처리내용

    노랑꽃창포 종자를 버미큘라이트에 파종하여 100일 후 0.1M Hoagland 용액(EC 0.5dS·m-1)을 공급하여 1주일간 재 배하였다. 식물이 생육하는데 필수원소인 다량 및 미량원소 를 영양염이라고 명하였고 Hoagland 용액의 영양염(nutritive salt group: NSG, EC 0.5mS·cm-1: 11.81mg·L-1 Ca(NO3)2, 7.58mg·L-1 KNO3, 6.16mg·L-1mgSO4, 1.44mg·L-1 NH4H2PO4, 0.13mg·L-1 CuSO4, 0.04mg·L-1 FeSO4, 0.04mg·L-1 MnCl2, 0.02mg·L-1 H3BO3, 0.001mg·L-1 (NH4)6Mo7O24)을 증가시 켜 EC 농도를 0.5, 1, 3, 5, 7, 9mS·cm-1로 하여 처리하였다. Hoagland 용액(EC 0.5mS·cm-1)에 NaCl의 양을 증가시켜 NaCl 0, 0.5, 2, 4, 6, 8%으로 만들고 이를 나트륨염(Sodium salt group: SSG, NaCl)이라고 명하였으며, 각각의 EC 농도는 0.5, 1, 3, 5, 7, 9mS·cm-1이었다. 영양염과 나트륨염 모두 pH 6.5 ± 0.5를 유지하였다.

    생장반응 조사

    피해율은 개별 잎을 대상으로 육안으로 피해 정도를 조사한 평균값으로 계산하였으며 생장변화는 실험 시작일과 3주 후 각각 초장, 근장, 생체중을 조사한 후 3주 후의 생장값에서 초 기 생장값을 뺀 후 초기생장값으로 나누어 백분율하였다. 염농 도에 따른 뿌리 조직의 피해특성을 관찰하고자 처리 3주째 뿌 리를 채취해 즉시 전처리를 실시하고 시료전처리 과정을 거쳐 백금코팅을 한 후 서울대학교 농업과학공동기기센터(NICEM) 에 의뢰하여 분석하였다.

    생리활성 조사

    생리활성으로 광합성, 뿌리활력, 프롤린을 분석하였다. 광 합성(photosynthetic rate, Pn)은 염처리 일주일 후 광합성측 정장치(Li-6400, Li-cor Inc., USA)을 이용하여 측정하였고 이때 온도, 상대습도, CO2 농도 및 flow rate는 각각 25°C, 60 - 65%, 400ppm, 500μbar로 하였으며 광합성유효광양자속 (photosynthetic photon flux density, PPFD)은 0, 50, 100, 300, 500, 1000, 1500, 2000μmoL·m-2·s-1로 하였다. 뿌리활 력은 생체 시료 0.5g에 1% TTC 용액:0.1M NaH2PO4 buffer (pH 7.0):증류수=1:4:5의 비율로 만든 혼합시약 10mL를 넣은 후 30°C 항온수조에 2시간 동안 암상태로 둔 후 2N 황산용 액 2mL을 첨가하였다. 뿌리를 꺼내 물기를 제거한 후 ethyl acetate 5mL와 석영을 소량 넣고 마쇄하여 formazan을 추출 하였다. 생성된 formazan 추출액에 ethyl acetate로 10mL가 되도록 한 후 UV spectrophotometer(UV2450, Shimadzu Co., Japan) 470nm에서 흡광도를 측정하였다. 혼합시약을 이용하 여 0, 0.05, 0.1, 0.3, 0.5mL로 하여 검량선을 작성하고 생성된 formazan을 생체 시료 0.5g에 대한 건물중으로 나누어 뿌리활 력을 구하였다. 프롤린은 Bates et al.(1973)의 방법에 의해 유 리 proline을 측정하였다. 액체질소를 이용해 분쇄한 식물생 체시료 0.5g을 3% sulfosalicylic acid 10mL로 균질화하고 원 심분리기로 상층액을 분리하여 acid-ninhydrin과glacial acetic acid를 각각 2mL를 넣어 반응시켰다. 반응혼합물은 톨루엔으 로 추출하고 spectrophotometer(UV2450, Shimadzu Co., Japan) 520nm에서 흡광도를 측정하였다. 무기성분으로 N, P, K, Na를 분석하였다. 식물체 건조 후 분쇄한 시료를 걸러 0.1g을 삼각플라스크에 담아 H2SO4 1mL와 50% HClO4 용액 10mL를 넣어서 약 300°C 온도로 2시간 가열한 후 분해가 끝 나면 증류수를 첨가하고 여과지(No. 6)를 이용하여 추출하였 다. N은 질소분석기(Kjeltec 2300, Foss, Sweden)을 이용하여 분석하였으며, P은 UV spectrophotometer(UV2450, Shimadzu Co., Japan)를 이용하여 470nm에서 흡광도를 분석하였다 (Vanadate법). K와 Na는 AA기(3100, Perkin Elmer, Norwalk, USA)를 이용하여 분석하였다(RDA 2003).

    통계분석

    통계분석용 프로그램인 SAS package(statistical analysis system, version 9.1, SAS Institute Inc.)를 이용하여 ANOVA (analysis of variance) 분석을 실시하였으며 각 처리간의 유의 성은 DMRT 5% 수준에서 실시하였다.

    결과 및 고찰

    영양염과 나트륨염 NaCl 두 처리에서 가시적 피해 양상은 서로 달랐다(Fig. 1). 영양염 피해는 진녹색을 띤 상태로 잎 전체가 말라가는 형태였으며 나트륨염 NaCl의 경우에는 잎 끝에서부터 황화되는 형태였다. 염에 의한 잎의 피해율은 영 양염 처리의 경우 EC 3mS·cm-1까지는 거의 없었으며, EC 5mS·cm-1에서는 13일부터, EC 7mS·cm-1에서는 10일부터 피 해가 나타나기 시작했으며, 3주째 70%이었다. EC 9mS·cm-1 에서는 초기부터 피해가 시작되어 3주째에는 80%에 달했다 (Fig. 2). 나트륨염 NaCl 처리의 경우 NaCl 0.5%에서는 7일째 부터 피해증상이 나타나 NaCl에 의한 피해는 저농도에서부터 나타났다. 영양염의 경우 EC 3mS·cm-1 이하 농도는 비료요 구도가 큰 노랑꽃창포의 생육에 이용되었지만 일정 농도 이상 에서는 다양한 염들의 불균형으로 인한 피해가 급속도로 나타 난 것으로 판단되었다. 반면, 나트륨염 NaCl 처리에서는 저농 도에서 피해가 나타나서 염 피해의 범위가 크지만 단일 염에 의한 농도상해로 그 피해 정도가 영양염에 비해 상대적으로 적었던 것으로 생각된다. 그러나 EC 5mS·cm-1 이상에서 피 해의 진행속도는 영양염이 나트륨염에 비해 빨랐다(Fig. 2). 뿌리조직의 피해특성은 영양염 처리시 저농도에서 뿌리 끝의 조직이 비교적 조밀하고 매끈한 모습으로 관찰되었으나, 농도 가 높아질수록 뿌리조직이 와해되고 균열되어 상해를 받았다 (Fig. 3). EC 3mS·cm-1에서는 거칠어진 형태를 보이나 형체 를 잘 유지하고 있었다. 그러나 EC 5mS·cm-1 이후 점차 배 열이 불균일해지고 근관조직이 떨어져나가 EC 9mS·cm-1에 서는 실타래와 같이 풀려있었다. 나트륨염 NaCl 처리시 NaCl 2%까지도 뿌리의 형태가 비교적 잘 유지되었으나 NaCl 4% 이후 균열이 나타나지만 뿌리형태를 유지하였다(Fig. 3). NaCl 6%부터 균열이 발생하고 근관조직이 떨어져 나갔다.

    영양염에서의 초장생장은 EC 0.5mS·cm-1에서 EC 7mS· cm-1까지 양의 값이었으며 EC 1mS·cm-1에서 42%으로 가장 높았으며 EC 7mS·cm-1에서 5% 감소하다가 EC 9mS·cm-1에 서는 -10% 음의 값이었다. 이와 달리 나트륨염 NaCl 처리에서 는 NaCl 0.5%에서부터 NaCl 2%까지 생장값이 3% - 1%로 생 장이 저조하였으며 NaCl 4%부터 -0.5%로 음의 값이었다. 뿌 리생장은 영양염 처리시 EC 0.5mS·cm-1에서 EC 3mS·cm-1 까지 15 - 20%로 양의 값이었으며 EC 3mS·cm-1부터 -4%로 음의 값이었으며, 나트륨염 NaCl 처리에서는 NaCl 0.5%에서 부터 NaCl 2%까지 생장값이 3%으로 생장이 저조하였으며 NaCl 4%부터 -5%로 음의 값이었다. 생체중은 영양염 처리시 EC 0.5mS·cm-1에서 EC 3mS·cm-1까지 3 - 10%로 양의 값이 었으며 EC 5mS·cm-1에서 EC 9mS·cm-1까지 –10 - -40%로 음의 값이었다. 나트륨염 NaCl 처리에서는 NaCl 0.5%에서 -2%으로 음의 값이었으며 NaCl 8%에서 -35%로 음의 값이었 다. 이는 고농도의 염에서 피해의 진행속도가 영양염이 나트 륨염에 비해 빨랐던 결과와 같이 고농도의 염에서 단일염인 나트륨염에 비해 영양염과 같은 다량의 염에 의해 피해를 더 받았기 때문이었다(Fig. 2). 고농도의 다량의 염은 뿌리의 세 포분열과 신장 억제의 직접적인 원인이 되어 식물 생장에 필 요한 무기물의 흡수를 저해시켜 식물의 생장을 억제할 뿐만 아니라, 염 스트레스 극복을 위한 대사·영양 및 삼투적 에너 지 소비를 증가시켜 생장과 발달을 저해한다. 그러나 NaCl 처 리에서는 저농도인 NaCl 0.5%에서부터 상대생장이 저조하였 는데 낮은 NaCl 농도에서는 NaCl의 흡수가 물의 흡수보다 느 리지만 높은 NaCl의 농도에서는 NaCl의 흡수가 물의 흡수만 큼 빠르게 이루어져 독성의 효과가 나타난다는 연구 결과와 같이 노랑꽃창포에서 NaCl 0.5%부터 N aCl의 흡수가 빠르게 진행되었기 때문으로 판단되었다(Stefan et al. 2008). (Fig. 4).

    생리활성 중 광합성은 영양염과 나트륨염 NaCl 처리에서 처리농도가 높아질수록 광합성이 낮아지는 경향이었다(Fig. 5). 영양염과 나트륨염 처리 모두 염농도가 높아질수록 뚜렷하 게 낮아졌다. 노랑꽃창포는 비료요구도가 큰 식물로 EC 1 - 3dS·m-1에서 스트레스 없이 광합성이 가장 높았다. NaCl은 PS II, PS I, rubisco와 같은 광합성계 구성요소의 원활한 기 능을 저해함으로써 식물체의 생장과 물질 생산을 감소하는 것 으로 알려져 있는데(Sixto et al. 2005), NaCl 0.5% 이상에서 광합성이 낮아져 NaCl 2% 이상에서는 스트레스를 받았음을 알 수 있었다(Sixto et al. 2005). 뿌리활력은 영양염 처리시 EC 0.5dS·m-1와 EC 1dS·m-1에서 65.7, 64.6mg·g-1·h-1으 로 가장 높으며 EC 3dS·m-1에서부터 23.3mg·g-1·h-1으로 감소하였다(Fig. 6). 나트륨염 NaCl 처리에서는 NaCl 0, 0.5, 2%까지 65.1, 54.8, 53.2mg·g-1·h-1로 높은 값으로 유지하 다가 NaCl 4%에서부터 27.6mg·g-1·h-1으로 감소되었다(Fig. 6). 영양염 처리와 나트륨염 NaCl 처리에서 가장 고농도의 두 처리를 비교했을 때 EC 9dS·m-1의 4.8mg·g-1·h-1에 비해 NaCl 8%의 25.8mg·g-1·h-1이 약 8배 이상 높게 나타났다. 염 농도에 가장 직접적이고 민감하게 반응하는 뿌리는 고농도의 염해가 오게 되면 직접적으로 뿌리 생장이 억제되고 활력이 떨어지게 되는데(Zidan et al. 1990) 다량의 염의 의해 뿌리의 상해가 더 컸으며 이는 뿌리의 피해사진과 유사한 결과였다 (Fig. 3). 프롤린 함량은 영양염 처리에서는 EC 5dS·m-1 이상 의 농도에서 프롤린 함량이 110μg·g-1·h-1으로 10배 증가하 였으며, 나트륨염 NaCl 처리에서는 NaCl 8%에서 365μg· g-1·h-1으로 다른 처리보다 20배 증가하였다(Fig. 7). 프롤린 은 식물 체내 수분포텐셜을 조절하는 삼투조절제로서 조직내 염농도가 증가할수록 프롤린 함량이 증가하는 반응을 통해 식 물체가 염해에 의한 스트레스를 받고 있다고 판단할 수 있다 (Cheon and Park 2003). 노랑꽃창포에서 염 농도가 높아짐에 따라 스트레스를 받았음을 알 수 있었다.

    무기성분 분석 결과 K, Na와 K/Na은 처리 농도가 증가할 수록 모두 증가하는 경향이었으며 K과 Na 모두 지하부에 더 많았으나 K/Na은 지상부에서 더 높았다. 나트륨염 처리에서 는 처리농도가 높아질수록 지상부와 지하부 모두 Na이 많아 졌으며 지상부보다 지하부에서 1.2 - 3.1배 더 높았으나 K은 지상부와 지하부 모두에서 처리농도와 상관없었다. 그러나 K/Na은 지상부와 지하부 모두 처리농도가 높아질수록 낮아졌 다. NaCl 이온 흡수량이 영양염 처리와 비교해서 지하부는 약 5배, 지상부는 약 6배 정도까지 많이 흡수되었다(Table 1). K은 광합성과 호흡에 관여하는 여러 효소의 요인(cofactor)이 고, 전분과 단백질 합성에 필요한 효소들을 활성화시킨다. 또 한 K은 세포내에서 osmoticum으로 사용되어 세포 내 팽압을 유지시키는 역할을 하기 때문에 K의 절대적 양과 함께 조직 내 다른 무기이온과의 균형 정도가 팽압유지 및 대사과정 조 절에 중요하다. 특히 K은 Na과 경쟁적 흡수기작을 가지므로 K과 Na의 균형 정도는 단백질대사에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다(Choung et al. 2003). Eridei and Kuiper(1979)는 K/Na율이 높을수록 내염성 강하다고 하였는데 비교적 저농도 인 NaCl 0.5%에서 염스트레스를 받았음을 알 수 있었다 (Table 1). 영양염 처리 후 무기양분 N은 처리농도가 높아질 수록 지상부와 지하부 모두 증가하는 경향이었으며 지상부 (2.89 - 3.51%)보다 지하부(4.59 - 6.77%)에 많이 축적되었다 (Table 2). P 역시 처리농도가 증가할수록 지상부(0.37 - 1.88%) 와 지하부(0.57 - 1.32%) 모두에서 증가하였으며 지상부보다 지하부에 더 많이 축적되었다. 노랑꽃창포는 질소 요구도가 높고 일반적으로 식물은 P보다 N를 약 5 - 10배 빠른 속도로 흡수하기 때문에 P보다 N가 더 높았다(Joun and Kim 1988). 나트륨염 NaCl 처리에서는 N는 농도가 높아질수록 지상부 (1.02 - 3.06%)와 지하부(3.70 - 5.48%) 모두에서 증가하는 경 향이었으며 지상부보다 지하부에 더 많이 축적되었다. 그러나 P은 처리농도와 상관없었으며 그 농도가 매우 낮았다(지상부: 0.28 - 0.43%, 지하부: 0.44 - 0 .72%). 식물이 염분의 영향을 받으면 N의 흡수량이 심하게 감소된다는 보고와 같이 나트륨 염 NaCl처리에는 영양염 처리에서 비해 N의 흡수량이 감소되 었다(Pressarakli et al. 1989). 그러나 잎과 뿌리 조직에서 인 산대사를 교란시켜 P의 축적이 감소된다는 연구결과와 달리 P의 흡수는 영향을 받지 않았다(Chavan and Karadge 1986). 고농도의 염은 식물 뿌리에서의 수분흡수를 감소시키며, 식물 조직에서 탈수현상을 유발하여 생장에 영향을 주고 이러한 염 에 의해 pH가 증가할 경우 NaCl은 N나 P의 과다 및 결핍 증 상을 유발할 수 있는데 노랑꽃창포의 경우 다량의 염 중 특히 P가 과잉 흡수되었으며, 나트륨염 NaCl에 의해 N의 결핍이 유 발된 것으로 보인다(Shim et al. 1999). 따라서 영양염 처리시 P의 과다에 의해서 색깔이 진녹색을 띤 상태로 말랐으나 나트 륨염 NaCl 처리시 Na의 과다 및 N의 결핍에 의해 황화된 것으 로 판단된다(Fig. 1). 이상의 생장 및 생리활성과 무기성분 함 량을 통해 노랑꽃창포의 내성범위는 영양염 EC 3mS·cm-1 이 하, 나트륨염 NaCl 0.5%(EC 1mS·cm-1) 이하로 영양염에 대 한 내성이 NaCl에 대한 내성보다 더 높은 것으로 판단되었다.

    Figure

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    Leaf damage characteristics of Iris pseudacorus treated by different salt groups. A: Nutritive salt group by Hoagland solution EC 7dS·m-1, B: Sodium salt group by NaCl 6%.

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    Effects of salt concentrations by nutritive salt group (A) and sodium salt group (B) on visual damage of Iris pseudacorus during treatment (n = 10).

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    Root tips of Iris pseudacorus grown at 21 days treated by different salt concentrations of nutritive salt group (NSG) and sodium salt group (SSG) groups. The observation was done by scanning electronic microscope (SEM. ×5,000, bar-100 μm). A-F: NSG EC 0.5, 1, 3, 5, 7, and 9dS·m-1 respectively; G-L: SSG NaCl 0, 0.5, 2, 4, 6%, and 8% respectively. The arrows of EP, RC, and RCC mean epidermis, root cap, and root cap cell, respectively.

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    Effect of different salt groups on relative plant growth of Iris pseudacorus at 21 days of treatment (n = 3).

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    Effect of different salt groups on net photosynthesis of Iris pseudacorus at 7 days of treatment. Vertical bars mean standard error (n = 3). A: nutritive salt group by Hoagland solution, B: sodium salt group by NaCl.

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    Effect of different salt groups on root activity of Iris pseudacorus at 21 days of treatment. Vertical bars mean standard error (n = 3).

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    Effect of different salt groups on proline contents of Iris pseudacorus at 21 days of treatment. Vertical bars mean standard error (n = 3).

    Table

    Effect of different salt groups on the contents of K and Na and K/Na ratio in the shoot and root parts of Iris pseudacorusat 21 days of treatment.

    zNSG: nutritive salt group by Hoagland solution.
    ySSG: sodium salt group by NaCl.
    xMean separation within columns by Duncan's new multiple range test at P = 0.05.

    Effect of different salt groups on the contents of N and P in the shoot and root parts of Iris pseudacorus at 21 days of treatment.

    zNSG: nutritive salt group by Hoagland solution.
    ySSG: sodium salt group by NaCl.

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      Frequency : Quarterly
      Doi Prefix : 10.11623/frj.
      ISSN : 1225-5009 (Print) / 2287-772X (Online)
      Year of Launching : 1991
      Publisher : The Korean Society for Floricultural Science
      Indexed/Tracked/Covered By :

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