서 언

호접란(moth orchid)으로 잘 알려진 Phalaenopsis(Doritaenopsis) 속은 착생형, 단경성인 난과 식물(Orchidaceae)로 주로 필리 핀, 인도네시아, 말레이시아를 포함한 열대아시아와 오스트레 일리아, 남태평양 섬에 걸쳐 분포하고 있다(Christenson 2001; Pridgeon 2000). Phalaenopsis속은 약 60여 종을 포함하고 있 으며, 클론 품종의 보급과 더불어 온도조절을 통한 개화 조절 로 연중 출하가 가능하게 되었다(De et al. 2015; Ichihashi and Mii 2006). 호접란은 다양하고 화려한 화색과 화형, 긴 꽃 수명 등이 특징이며, 독일, 일본, 네덜란드, 대만, 미국을 포함 한 많은 국가에서 상업적으로 매우 중요한 화훼작물로 여겨지 고 있다. 2007년 미국 농무부 보고에 따르면, 미국에서 판매 되는 15.4백만분 중에서 호접란이 차지하는 비중은 75%였으 며, 호접란의 소비는 지속적으로 증가하고 있다(Lopez et al. 2007). 국내에서는 2015년 판매액 21,878백만원으로 화훼 분 화류 품목에서 호접란의 규모가 가장 크다(MAFRA 2016).

관행재배에서 상품성 있는 개화주를 기르기 위해서 호접란 은 일반적으로 12개월이 넘는 생육기간을 거치며, 조기개화를 억제하기 위해 영양생장기간 동안 28℃ 이상의 높은 온도 유 지가 필수적이기 때문에 재배 농가에서는 많은 난방비가 소요 된다. 이로 인한 생육촉진 및 생육기간 단축, 고품질의 호접란 생산을 위한 환경 조절이 핵심 연구 주제였다(An et al. 2013; Lee et al. 2015; Pollet et al. 2011). 다양한 환경 조절 전략 중에서도 CO₂ 시비는 분화, 절화, 채소 등을 재배하는 온실에 서 품질을 증진시키는 방법 중 하나였고, 지구온난화와 더불 어 대기 중 CO₂ 농도 증가에 따른 작물의 반응과 농업생산성 에 관련된 연구가 다수 진행되어왔다(Mortensen 1987; Rogers and Dahlman 1993). 생산량과 개화 품질 증진을 위해 많은 화훼 농가에서 온실 내 CO₂ 시비를 하고 있지만(Liu et al. 2000), 난과 작물의 CO₂ 농도 환경에 대한 연구는 미비한 실 정이다(Endo and Ikushima 1997).

광합성 측정은 환경에 따른 생육 반응을 구명하는데 중요한 방법 중 하나지만(Ichihashi et al. 2006), C3 식물과 C4 식물 에 비해 CAM 식물의 CO₂ 환경에 대한 가스 교환 특성 연구 는 상대적으로 부족한 현실이다(Poorter and Navas 2003). 이 전 연구로는 기후변화에 대한 지속 가능한 농업과 관련해 일 부 CAM 식물의 대기 중 CO₂ 농도에 대한 연구가 진행된 바 있다(Drennan and Nobel 2000). 대기 중 2배의 CO₂ 농도 환 경에서 다육식물과 착생란 등을 포함한 10종의 CAM 식물의 생체중은 평균 35% 증가한 것으로 나타났으며, 일일 총 CO₂ 흡수량 또한 증가하였다. 그러나 Agave vilmoriniana(Isdo et al. 1986)와 Ananas comosus(Ziska et al. 1991)에서는 높은 CO₂ 농도 조건이 식물의 생체중 증가로 이어지지 않았고(Ceusters et al. 2008), CAM 식물에서 PEPC에 의한 1차적인 CO₂ 고정 이 현재 대기 중 CO₂ 농도에 대해 이미 포화되었다는 의견도 있었다(Winter and Englebrecht 1994). Phalaenopsis의 CO₂ 농 도에 대한 CO₂ 흡수 반응 연구도 진행된 바 있지만(Ichihashi et al. 2006), 고농도 환경에서의 순화 반응과 같은 장기간 동 안 관찰한 연구는 부족한 상황이다.

따라서 본 연구는 호접란 유묘를 대상으로 첫째, CAM 식물 인 호접란의 CO₂ 농도 환경에 적응하기 전과 후의 CO₂ 교환, 둘째, 고농도 CO₂ 환경에서의 생장을 조사하여, 호접란 유묘 가 장기간 고농도 CO₂ 환경에 노출되었을 때의 반응을 조사 하고자 수행하였다.

재료 및 방법

식물재료 및 재배환경

호접란 ‘Mantefon’(Doritaenopsis Queen Beer ‘Mantefon’) 6주 유묘를 상미원(Sang Mi Orchids, Taean, Korea)으로부터 2016년 11월 25일에 구입하였다. 식물체는 서울대학교(Gwanak, Seoul, Korea) 공동기기실의 식물생장상(HB303, Hanbaek Scientific Technology, Bucheon, Korea)으로 옮겨져 처리가 시작되는 2016년 12월 13일까지 순화 기간을 거쳤다. 식물생장상의 환경은 CO₂ 농도가 영양 생장에 미치는 영향만을 알아보기 위해 동일하게 조절하였다. 온도 28℃, 상대습도 70 ± 10%, 일장 12/12시간, 광원은 metal halide lamp(MH250W, Hanyoung Electric Co., Kwangju, Korea)로 광도는 130 ± 10μmol·m^-2·s^-1로 유지하였다. 구매 당시의 100% 수태 배지로 채워진 5cm 화분에서 처리 12주 후에 100% 수태(Lonquen Ltda., Puetro Montt, Chile)를 채운 9cm 투명 플라스틱화분으로 이식하였다. 양액(EC 0.8 ± 0.1mS·cm^-1; Technigro 20N-9P^-20K, Sun-Gro Horticulture, Agawam, MA, USA)은 매주 한번씩 충분히 두상관주하였다. 실험 시작 전 묘의 평균 엽장, 엽폭, 엽수는 각각 약 6.4cm, 3.2cm, 4매였다.

처리내용

식물 생장상 4대의 CO₂ 농도는 각각 400 ± 100, 900 ± 100, 1500 ± 100, 2100 ± 100μmol CO₂·mol^-1로 유지되었으며, CAM 식물의 CO₂ 흡수 반응을 고려하여 암기 이전 1시간과 암기 동안(20:00 ~ 09:00, 13시간) CO₂가 공급되었다. 각 처리 는 27주 간 유지되었다.

CO₂ 교환율 측정

호접란은 주로 밤에 CO₂를 흡수하는 전형적인 CAM(Crassulacean acid metabolism) 식물로 CAM 식물의 특징적인 4단계의 CO₂ 흡수 패턴이 관찰된다(Guo and Lee 2006; Ota et al. 1991). 야간에 는 기공을 열고 CO₂가 PEPC(phosphoenolpyruvate carboxylase) 에 의해 고정되어 액포에 저장되고(Phase I), 낮에 기공을 닫고 저장된 CO₂를 Calvin cycle을 통해 재고정한다(Phase III). 일몰 전 phase IV와 일출 전 phase II에서는 기공을 여닫는 전이 단계로, 효소의 활성이 변하는데 PEPC와 Rubisco(ribulose^-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase), 둘 다 활성을 가지지만 주로 Rubisco에 의한 동화가 이루어진다(Lüttge 2015; Osmond 1978).

총 27주간의 처리기간 중에서 처리에 들어가기에 앞서 이미 발달해 있었던 최상위 성숙엽(uppermost mature leaf)과 처리에 들어간 7주 이후 신엽이 발달하여 성숙한 최상위 성숙엽으로 CO₂ 교환율과 기공전도도를 각각 CO₂ 처리를 시작하고 2주차와 7주차에 측정하여 비교하였다. CO₂ 교환율 및 흡수량(CO₂ exchange rate and uptake)은 광합성측정기(Li-6400, Li-cor Inc., Lincoln, NE, USA)를 이용하여 측정하였고, 온도, 상대습도는 각각 28℃, 70 ± 10%로 유지하였다. Leaf chamber는 2×3cm clear top chamber를 사용하였다. 또한 각 처리 간의 CO₂ 환경 적응도 비교를 위해 CO₂ 반응 곡선 그래프를 측정하였다.

기공 및 세포의 수 측정과 기공 지수

식물생장상에서 27주 동안 재배된 호접란의 잎 윗면 선단 부위에 투명 매니큐어를 바른 뒤 15분간 말리고 잎을 본 뜬 매니큐어 조각을 떼어내어 슬라이드 글라스에 고정시켜 표 본을 제작하였다. 제작한 표본은 직립형광학현미경(Axiophot, ZEISS, Oberkochen, Germany) 50배율로 관찰하여 현미경카 메라(ZaxioCam HRc, ZEISS, Oberkochen, Germany)로 사진 촬영을 하였다. 기공 지수(stomatal index)는 다음과 같은 식 으로 산출하였다(Salisbury 1928).

데이터 수집 및 통계분석

신엽수, 초폭, 최상위 성숙엽의 엽장, 엽폭, 잎 두께 및 엽록소 함량을 측정하였고, 지상부와 지하부의 생체중 및 건물중을 처 리가 끝나는 시점에 측정하였다. 건물중은 80℃의 드라이 오븐 에서 72시간 건조 후 측정하였으며, 최상위 성숙엽의 엽록소 함량을 SPAD meter(SPAD 502, Konica Monolta Sensing Inc., Sakai, Osaka, Japan)를 사용하여 측정하였다.

모든 통계분석은 SAS(version 9.4; statistical analysis system, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)를 이용하여 ANOVA(analysis of variance) 분석을 실시하였고 각 처리 간에 통계적인 유의성 은 5% 유의수준에서 Tukey’s range test로 사후 검정을 하였다. 그래프는 Sigma Plot(version 10.0; Systat Software, Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 작성하였다.

결과 및 고찰

CO₂ 교환율을 측정하였을 때 모든 처리구에서 전형적인 CAM 식물의 광합성 기작을 관찰할 수 있었다(Fig. 1, 2). CO₂ 흡수는 Guo and Lee(2006)의 결과와 마찬가지로 암기 이전 (Phase IV)과 암기 동안(Phase I)에 두드러지게 나타났고, 암 기 이후(Phase II)에서는 약하게 나타났다(Fig. 1).

적응하기 이전의 야간 중 CO₂ 교환 반응을 살펴보면, PEPC에 의해 CO₂가 고정되는 Phase I에서 처리가 들어간 직후, 최상위 성숙엽의 CO₂ 흡수가 900μmol CO₂·mol^-1에서 증가하였으나, 1500μmol CO₂·mol^-1과 2100μmol CO₂·mol^-1에서는 보다 낮 은 흡수율이 관찰되었고, 1500μmol CO₂·mol^-1이상의 농도에 서는 매우 낮은 기공전도도 값을 확인할 수 있었다(Fig. 1). 12시 간 암기 동안 흡수한 CO₂ 총량은 900μmol CO₂·mol^-1에서 다소 증가한 것처럼 보이지만 통계적으로 유의한 차이는 없었다(Fig. 2A). 그러나 7주 이후 새로 발달한 최상위 성숙엽의 CO₂ 흡수율 은 처리 농도가 증가할수록 높아졌고, 기공전도도는 적응하기 이전보다 높은 값을 보였지만 처리 전과 마찬가지로 여전히 CO₂ 처리구에서 낮은 값이 관찰되었다(Fig. 1B). 12시간 암기 동안 흡수한 CO₂ 총량은 처리 농도가 높을수록 많았으며, 2100μmol CO₂·mol^-1에서 가장 높았다(Fig. 2B).

Ting(1994)은 CAM 식물에서 PEPC는 현재 대기 중 CO₂ 농 도에 포화되었기 때문에 CO₂ 농도의 증가가 야간 중 CO₂ 흡 수에 최소한의 영향만 미칠 것이라 가정한 바 있다. 그러나 Hylocerues undatus(Raveh et al. 1995), Opuntia ficus-indica (Cui et al. 1993), Ananas comosus(Zhu et al. 1999) 등 CAM 식물의 CO₂ 농도 환경에 따른 실험 결과에서 야간 중 CO₂ 흡 수량이 대기 중 CO₂ 농도가 증가함에 따라 유의미하게 증가 하였다고 보고하였다. 또한 Popp et al.(2003)은 많은 CAM 식물에서 PEPC보다 고농도 CO₂ 환경에 따른 말산(malate)을 저장하는 액포의 발달이 CO₂ 흡수량에 영향을 줄 수 있으며, 다육질이 많이 발달하지 않은 CAM 식물의 경우에 액포의 말 산을 저장하는 용량이 CO₂ 흡수의 제한 요인이 될 수 있다고 설명하고 있다. CAM 기작을 가진 다육성 식물의 경우 고농도 의 환경에서 전반적으로 식물체가 커지고, 다육질이 더욱 발 달하여 두께가 두꺼워진다는 보고가 있지만(Cui et al. 1993; Nobel et al. 1994), 호접란의 경우 초본성 식물로 다육질이 크게 발달했다고 보기 어렵고, 잎 두께에서 처리 간 차이는 없 었다(Table 1).

Phase IV에서는 다른 CAM 식물들과 마찬가지로 대기 중 CO₂ 농도가 증가함에 따라 CO₂ 흡수율이 높아지는데(Drennan and Nobel 2000), CAM 식물에서 일몰 전(Phase IV)에 고정되는 CO₂ 는 주로 Rubisco에 의한 반응으로 주로 C3 식물의 광합성 반응 을 따른다고 할 수 있다(Winter and Smith 1996). CAM 식물이 기공을 닫고 있는 동안(Phase III) 엽육 세포 내 CO₂ 분압은 대기 중 CO₂ 분압에 비해 수천 배 높게 유지되면서 광합성이 일어나는데, Phase IV에서는 기공을 점차 열면서 대기 중 CO₂ 농도가 Rubisco에 직접적인 영향을 주므로 대기 중 CO₂ 농도가 Phase IV의 광합성 제한 요인이 된다(Osmond et al. 1999). Phase IV에서 Rubisco의 활성은 대기 중 CO₂ 농도에 의해 높아 지므로, 대기 중 CO₂ 농도가 증가함에 따라 Rubisco에 의한 CO₂ 고정량이 많아졌을 것이라 해석할 수 있다(Fig. 1).

대조구와 처리구의 고농도 CO₂ 환경 적응도 비교를 위한 CO₂ 반응 곡선 그래프에서는 1200μmol CO₂·mol^-1 이상의 농도에서 대조구를 제외한 나머지 처리구에서 고농도의 CO₂ 에서도 CO₂ 흡수율이 감소하는 경향이 나타나지 않았으며, 고 농도의 CO₂ 환경에 적응한 반응을 보였다(Fig. 3). Phase IV 에서는 적응 이전과 적응 이후 모두 CO₂ 농도가 증가함에 따 라 CO₂ 흡수율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 1).

기공전도도는 고농도의 CO₂ 처리구에서 모두 대조구보다 낮 은 값을 나타냈는데(Fig. 1), 기공 발달은 900μmol CO₂·mol^-1 에서 더 많이 한 것처럼 보였으나 통계적으로 유의한 차이는 없었고 기공 지수(stomatal index)도 마찬가지로 유의한 차이가 없었다(Table 2). 일반적으로 CO₂ 농도가 올라갈수록 증산량을 제한하고 WUE(water use efficiency)를 높이기 위해 식물에서 기공을 조금 닫음으로써 기공전도도가 감소하는데, 17종 식물의 기공전도도와 기공 지수에 대한 연구에서는 본 연구의 호접란 유묘의 반응과 동일하게 고농도의 CO₂ 환경에서 17종 식물의 기공전도도가 낮아지는 것으로 나타났다. 그러나 CO₂ 농도에 따른 기공 밀도와 기공 지수에 있어서는 17종 중에서 2 ~ 3종을 제외하고 차이가 없었다. 그러므로 고농도 CO₂ 환경에 노출되었 을 때 기공전도도가 낮아지는 것은 기공의 개수가 줄어들기 때 문이란 가설은 모든 식물에 보편적으로 적용될 수 없으며, 고농 도 CO₂ 환경이 기공의 개수와 분포에 영향을 미치지 않을 수 있다고 서술하고 있다(Bettarini et al. 1998).

영양 생장의 측면에서는 고농도 CO₂ 환경 적응 후에 CO₂ 흡수량이 증가했음에도 불구하고, 새로 발달한 신엽만 고농도 CO₂ 처리구에서 증가했고, Kim et al.(2017)의 결과와 상이하 게 엽장, 엽폭은 줄어드는 것으로 나타났다(Table 1). 이와 같 은 결과는 실험에 사용된 묘의 품종이 달랐으며, 본 실험에서 는 6주 유묘를 사용한 반면에 Kim et al.(2017)에서는 15개월 성묘를 사용한 것에 따른 차이라고 생각된다. Croonenborgh et al.(2009)의 연구에서는 본 연구의 생육 결과와 비슷하게 고 농도 CO₂ 환경에서 관상용 파인애플과(bromeliads)의 CAM 식 물이 더 짧은 잎을 가지고 조밀한 형태를 형성한다고 보고하 고 있지만, 세포내 탄소화합물 신호전달 경로에 의한 잎의 형 태 결정에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 서술하고 있다.

생체중과 건물중 또한 고농도 CO₂ 환경에서 야간 중 CO₂ 흡수량이 증가했음에도 불구하고 감소했는데(Table 3), CAM 식물 에 대한 연구에서 결과들은 상이하다. Drennan and Nobel(2000) 은 대기 중 CO₂ 농도보다 2배 높은 환경에서 약 10종의 CAM 식물이 CO₂ 흡수량이 증가함에 따라 생체량도 증가했다고 했으나, Agave vilmoriana(Isdo et al. 1986)와 A. comosus(Ziska et al. 1991)의 생체량은 고농도 CO₂ 환경에서 다소 감소하거나 처리 간 차이가 없었다고 보고하고 있다. 호접란에 대한 실험에서도 1000ppm CO₂ 농도에서 기른 유묘에서 통계적으로 유의미한 생체량 차이는 나타나지 않았다(Kromwijk et al. 2014). CAM 식물의 CO₂ 환경에 대한 연구를 진행한 Ceuster et al.(2008)은 Aechmea ‘Maya’의 CO₂ 흡수량이 약 50% 증가했으나 생체량에서 는 차이가 없었고, 몇몇 CAM 식물들에서는 고농도의 CO₂ 환경에 서 고정한 여분의 탄소가 생체량으로 전환되지 못할 뿐만 아니라, 생체량의 증대로 이어지는 것을 기대하기 어렵다고 설명하고 있다.

고농도의 CO₂ 환경에서 CAM 식물이 더 많은 탄소를 고정하 지만, 생체량이 증가하지 않는 현상에 대해서는 호흡으로 인해 발생하는 CO₂의 감소를 한가지 원인으로 지목할 수 있다. 대기 중 CO₂ 농도가 높아지면 일반적으로 효소들의 활성이 저해되 고, 장기간 고농도 CO₂ 환경에 노출될 경우에는 호흡량이 더욱 저해된다. 그러나 호흡에 의해 발생하는 CO₂는 식물체 엽육세 포 내에서 광합성에 재사용(recycling of respiratory CO₂)하는 주요한 탄소 공급원이며, 종에 따라 탄소 고정량에서 많게는 50%까지 호흡에 의해 발생하는 CO₂를 사용한다. 또한 암호흡 (dark respiration)은 대기 중 CO₂ 농도의 2배인 환경에서 약 20% 감소한다고 보고되었다(Bowes 1993; Drake et al. 1997). 특히 CAM 기작은 탄소 고정 효율을 증진시키기 위해 호흡으로 발생하는 CO₂를 재고정하는 것에서 기원했고, 총 탄소 고정량 에서 재고정되는 탄소 비율이 상당히 높다(Griffiths 1988). 즉, 대기 중 CO₂ 농도가 증가할수록 호흡량이 감소하면 엽육세포 내에서 재고정에 사용할 수 있는 CO₂ 양이 줄어들며, 이로 인해 식물은 대기로부터 더 많은 CO₂를 흡수하기 때문에 고정하는 탄소량이 많아 보일 수 있다.

위의 내용들을 종합해봤을 때, 고농도 CO₂ 환경에 적응한 호접란 유묘의 야간 중 CO₂ 흡수량이 실제로 식물이 고정하는 순수 탄소고정량이 아닐 수도 있다는 점을 시사한다. 고농도 CO₂ 환경에서 적응한 호접란에서 암호흡이 저해되거나 감소되 었다면, 재고정에 사용할 수 있는 CO₂(recycling of respiratory CO₂)가 줄어들어 대기로부터 흡수하는 CO₂ 양을 늘릴 수밖에 없게 되고, 결과적으로 CO₂ 흡수량 측정 시에 증가한 것처럼 보일 수 있기 때문이다. 그러므로 흡수한 CO₂ 양에 따라 생체량 이 증가하는 경향이 나타나지 않았을 것이다. 결론적으로 고농 도의 CO₂ 환경에서 CAM 식물인 호접란 유묘는 야간 중 더 많은 CO₂ 흡수하지만, 총 CO₂ 고정량은 차이가 없을 수도 있기 때문 에 생육 촉진에 있어서 효과를 보기 어렵거나, 생장, 발달 반응에 서는 큰 변화가 없었다고 판단된다. 다만 호접란과 CAM 식물의 CO₂ 환경에 대해 보다 나은 해석을 위해 CO₂ 흡수량과 호흡으로 인한 CO₂ 재고정량의 상관관계, CAM 식물의 암호흡량 측정 방법, 그리고 대기 중 CO₂ 농도에 따른 생장, 발달에 관여하는 효소 활성에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

초 록

본 연구는 고농도 CO₂ 환경에 순응한 호접란 유묘의 CO₂ 교환 및 생장 반응을 조사하기 위해 실시하였다. 환경 조절이 가능한 식물생장상에서 6주령 호접란 ‘만천홍’을 27주 동안 야 간에 각각 400 ± 100, 900 ± 100, 1500 ± 100, 2100 ± 100 μmol CO₂·mol^-1 농도로 유지해주었다. 처리에 앞서 발달해 있었던 최상위 성숙엽으로 측정한 야간 중 CO₂ 흡수량은 900 μmol CO₂·mol^-1 처리구에서 가장 높았고, 이어 2100, 1500, 400μmol CO₂·mol^-1 순으로 높았다. 그러나 처리 7주 이후 새로 발달한 성숙엽에서 측정한 결과, 2100μmol CO₂·mol^-1 처리구가 야간 중 가장 높은 CO₂ 흡수량을 보였으며, CO₂의 흡수량은 처리 CO₂ 농도가 높아질수록 증가하는 경향을 보였 다. 생장 반응에서는 최상위 성숙엽의 엽장, 엽폭 및 생체량은 900, 1500, 2100μmol CO₂·mol^-1 등 고농도 처리구에서 감소 하였으나, 신엽 발달은 고농도 CO₂ 처리 하에서 촉진되었다. 이러한 결과들은 호접란 유묘의 높은 CO₂ 환경에 대한 적응 이 CO₂ 흡수와 신엽 발달을 증진시킬 수 있다는 것을 보여준 다. 그러나 900μmol CO₂·mol^-1 이상의 고농도에서는 잎의 생장과 생체량이 다소 줄어드는 경향이 있어 이에 대한 원인 구명 등 추가적인 연구가 필요하다.