서 언
제비동자꽃은 석죽과(Caryophyllaceae) 식물로 Lychnis속에 속하는 여러해살이 초본이다. Lychnis속은 약 30종이 유럽, 중 앙 및 동아시아 등에 분포하고 있으며, 우리나라에는 가는동 자꽃(Lychnis kiusiana Makino), 제비동자꽃[L. wilfordii (Regel) Maxim.], 동자꽃(L. cognate Maxim.), 털동자꽃(L. fulgens Fisch. ex Spreng), 총 4종이 자생한다고 보고되어 있다(Lee 2003;Oxelman et al. 2000). 제비동자꽃은 강원도 비교적 높은 산 지에서 서식하며 우리나라에서 확인된 자생지는 10곳 미만으 로 총 개체수는 약 300개체 미만으로 추정되고 있다(NIBR 2018). 현재 제비동자꽃은 환경부에서는 멸종위기 야생생물 2 급으로, 산림청에서는 지정 위기종으로 각각 분류되고 있다 (Lee et al. 2012;NIBR 2018).
제비동자꽃은 짙은 홍색의 꽃이 7~8월에 개화한다. 특히 꽃잎의 끝이 잘게 갈라지고 취산화서로 꽃이 많이 피어 분화 및 정원용으로서 활용가치가 높다(NIBR 2018). 제비동자꽃의 무분별한 채취를 막고 보존과 원예적 활용을 위해서는 대량번 식 기술 연구가 필요하다. 제비동자꽃은 근경과 종자로 번식 이 가능하다. 그러나 근경 번식은 발근까지 오랜 시간이 요구 되며, 종자의 기내･외 발아 소요기간은 약 2~3개월로 발아율 또한 낮다고 보고되고 있다(Bae et al. 2014). 제비동자꽃과 같은 속에 속하는 L. senno의 경우, 낮은 발아율로 종자 번식 은 비효율적 방법으로 제시되었고, L. cognate와 L. fulgens의 GA 처리된 종자도 1개월 내 발아율이 30% 미만으로 상업적 이용으로는 다소 낮은 편이다(Bae and Yoon 2015;Chen et al. 2006).
그러나 종자 번식은 대량번식 시, 공간, 관리 및 투입 노동력 이 적게 드는 경제적인 측면에서 가장 많이 이용되는 방법이다. 제비동자꽃이 속하는 Lychnis속 식물들의 종자는 Baskin and Baskin(2014)에 의해 생리적 휴면(physiological dormancy, PD)을 가지고 있다고 밝혀졌다. PD는 온대지방에서 가장 흔한 휴면 유형(Baskin and Baskin 2004)으로, 휴면의 깊이에 따라 deep PD, intermediate PD, non-deep PD, 총 3가지로 분류하고 있다(Nikolaeva 1977). 제비동자꽃의 종자는 non-deep PD 유 형으로 보고되었다(Ryu et al. 2017). Non-deep PD는 저온습윤 처리, GA3처리 등의 종자 전처리로 휴면을 타파하여 발아 촉진 이 가능하다(Baskin and Baskin, 2004;Lee et al. 2015). 제비동 자꽃 종자 발아 조건으로 Bae et al.(2014)은 25°C에서 GA3 100mg･L-1가 첨가된 MS 배지로 기내번식을 제안하였고, Ryu et al.(2017)은 GA3 1000mg･L-1과 6주 이상의 저온습윤 처리를 제시하였다. 그러나 성공적인 기내번식을 위해서는 숙련된 기술 이 요구되며, 저온습윤 처리는 일정한 기간이 소요되어야만 한 다. 또한 다양한 재배조건에서도 효과적이고 실용적인 종자 번 식을 위해서는 새로운 종자 전처리 기술 개발 시도가 필요하다.
종자 프라이밍(seed priming) 처리는 종자 내부의 다양한 효소 활성, 호르몬 변화 등 발아 전 대사과정을 진행시킴으로 써 휴면을 타파하여 발아율을 향상시킬 수 있다(Paparella et al. 2015). 형태생리적 휴면 유형을 갖고 있는 독미나리(Cicuta virosa L.) 종자는 프라이밍 처리를 하여 무처리구에 비해 약 60%까지 발아율을 증가시켰으며(Cho et al. 2018), 프라이밍 처리된 벌개미취 종자는 불리한 온도 조건에서도 높은 발아율 을 나타냈다(Kim et al. 2010).
따라서 본 연구는 제비동자꽃의 대량번식 기술 개발을 위해 GA3, 저온습윤 처리와 프라이밍 처리를 비교하여 효과적인 종 자 발아 처리 조건을 선발하고자 수행하였다.
재료 및 방법
식물재료
본 연구에서 사용된 제비동자꽃 종자 [Lychnis wilfordii (Regel) Maxim.]는 2014년 10월 경상남도 거창군에 위치한 금 원산생태수목원에서 채종하였다. 채종한 종자는 약 1달가량 음건 후 정선하여 실험 전까지 냉장(5°C) 보관되었다. 일부 종 자는 절단하여 배와 배유의 상태를 확인하였으며, 외형적 손 상이 없는 종자를 선별하여 실험을 진행하였다.
저온습윤 처리
정선된 종자는 직경 9cm의 페트리디쉬에 거름종이(Whatman No.2) 2장을 깔고 증류수로 충분히 습윤시킨 후에 치상되었다. 종자가 마르지 않도록 필요 시 증류수를 공급하였으며, 0, 4, 8, 12, 16주 동안 암상태, 5°C를 유지시켰다.
GA3 처리
종자는 25°C, 암상태에서 0, 500, 1000mg･L-1 농도의 GA3 수용액에 24시간 동안 침지 처리되었다. 침지된 종자는 몇 차 례 증류수로 세척한 후 거름종이로 물기를 제거하였다. 무처 리구는 GA3 처리구와 비교하기 위해 대조구로 사용되었다.
프라이밍 처리
종자는 25°C, 암상태에서 24시간 동안 0.1M과 0.2M의 NH4NO3, K2HPO4, KCl, KNO3 수용액에 침지되었다. 프라이밍 처리 종 자는 처리 중 종자 유근 돌출을 막고 종자 저장성 향상과 기 계 파종의 용이성을 위해 원래의 종자 수분함량으로 건조시킨 다(Parera and Cantliffe 1994). 프라이밍 처리 후 종자는 9cm 의 페트리디쉬에 거름종이(Whatman No.2) 2장을 깔고 치상 하여, 25°C, 암상태에서 24시간 동안 건조시켰다.
발아조건
모든 발아 실험은 25°C, 광주기 12시간, 광량 40μmol･m-2 ･s-1 으로 유지한 챔버(DS-13MCLP, Hanbaek, Hwaseong, Korea)에 서 진행되었다. 직경 9cm의 페트리디쉬에 거름종이(Whatman No. 2) 2장을 깔고 종자를 치상한 후 완전임의배치법으로 배 치하였다. 발아립은 유근이 약 1mm 출현한 것으로 산정하였 고 종자가 마르지 않도록 증류수를 공급하였다.
챔버 실험 결과와 비교하기 위해 GA3 처리 종자는 2015년 5~9월까지(평균 23.4°C) 공릉동에 위치한 서울여자대학교 비 닐온실에서 발아 실험을 수행하였다. 비닐온실 내부는 35% 흑색차광막 1장으로 차광하였다. 종자는 플러그트레이(105공) 에 원예범용상토(Baroker, SeoulBio, Eumseong, Korea)를 채 워 파종되었다. 파종된 종자는 약 1cm의 깊이로 복토를 하였 으며, 매일 관수하여 흙이 마르지 않도록 관리하였다. 떡잎이 완전히 전개된 종자를 출현립으로 선정하였다.
모든 발아실험은 50립 3반복으로 진행되었다. 발아율 측정 은 매일 진행되었으며 필요 시 발아한 종자는 측정한 후 즉시 제거하였다. 처리 간 발아율과 평균발아일수를 비교하였으며, 평균발아일수(MGT, mean germination time)는 다음과 같은 식으로 산출하였다.
위 수식에서, ti는 발아실험을 진행한 기간(일)을 의미하며, gi는 각 배양일에 발아한 발아립의 수를 의미한다(Ellis and Roberts 1981).
통계처리
실험의 결과들은 SAS version 9.2(SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)를 이용하여 ANOVA(analysis of variance) 및 Tukey 의 다중검정으로 5% 유의수준에서 각 처리 간의 유의성을 검증 하였다. 그래프는 SigmaPlot version 10.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하였다.
결과 및 고찰
종자의 PD 휴면은 주로 저온습윤 처리에 의해 휴면이 타파 되어 발아하게 된다(Geneve 2003). 저온습윤 과정에서 발아 에 관여하는 GA 생합성이 활성화되기 때문이다(Yamauchi et al. 2004). 제비동자꽃 종자는 저온습윤 0, 4, 8, 12, 16주 처리 에서 각각 1.3, 12.7, 20.4, 8.9, 1.8% 발아하였다. 저온습윤 처리 8주에서 발아율이 가장 높았으며 12주 이후에는 오히려 발아율이 급격하게 감소하였다(Fig. 1). Ryu et al.(2017)의 결 과에서 3주 이상의 저온습윤 처리에 의해 약 80%까지 발아한 것과 비교하면 본 연구에서 저온습윤 처리에 의한 제비동자꽃 종자의 발아 향상 효과가 굉장히 낮은 것으로 나타났다. 종자 는 다양한 환경조건에 의해 발아에 영향을 받는다. 개맥문동 (Liriope spicata) 종자의 경우, 10~12월까지 채종한 종자는 11.5~93.2% 범위로 다양하게 발아하였다(Lee et al. 2006). 벌 개미취 종자는 가을 채종 후 저장 3개월 미만일 때 특정 온도 에서 종자 발아율이 약 30% 미만이었으나, 11개월 이상 저장 시 발아율은 70% 이상 증가하였다(Kim et al. 2010). 본 연구 에서 제비동자꽃 종자는 10월에 채종하고 저온(5°C)에 저장된 후 25°C에서 발아시켰으나, Ryu et al.(2017)의 연구에서는 8 월에 채종하여 바로 20°C에서 발아시켰다. 제비동자꽃 종자의 저온습윤 처리에 대한 상이한 결과는 채종 및 저장 조건에 따 른 영향으로 추정된다.
Non-deep PD 휴면 유형의 종자들은 ABA와 GA의 양적 변 화, 민감도 등에 의해 발아가 조절된다(Baskin and Baskin 2004;Finch-Savage and Leubner-Metzger 2006). 종자에 인위 적으로 처리한 GA3는 발아율을 증가시키거나 발아를 촉진시 킨다(Kim et al. 2016). 본 연구에서 제비동자꽃 종자는 무처 리구와 GA3 0mg･L-1 처리구에서 거의 발아하지 않았다(Fig. 2A). 그러나 GA3 500, 1000mg･L-1 처리구에서 각각 약 44, 62% 발아하였다. 또한 GA3 0, 500, 1000mg･L-1 처리구에서 평균발아일수는 GA 농도가 증가함에 따라 수치상으로는 감소 하였으나, 통계적 유의성은 없었다. 제비동자꽃 종자의 발아 율은 GA3 농도가 증가할수록 향상되었다. 발아율에서 GA3 500mg･L-1 이상의 처리구가 무처리구와 GA3 0mg･L-1 처리구 와 비교하여 유의한 차이를 나타낸 것으로 보아, 제비동자꽃 종자의 발아 향상 효과는 종자의 수분 흡수에 의한 것이 아닌 GA3에 의한 것으로 판단된다. 또한 Ryu et al.(2017)에 의하면 0, 100, 1000mg･L-1 GA3 용액에 처리한 제비동자꽃 종자는 광 조건, 20°C에서 발아율이 각각 0, 0, 56.3%이었으며, Bae et al.(2014)의 연구 결과에서는 0, 100mg･L-1 GA3 처리 종자가 광조건, 25°C에서 각각 약 20, 46% 발아하였다. 제비동자꽃 종자는 20°C보다는 25°C에서 발아가 향상되는 것으로 보이며, 발아 온도가 높아져도 종자 전처리 없이는 발아가 촉진되지 않는 것을 알 수 있다.
온도, 습도, 광조건 등이 유동적인 환경에서도 제비동자꽃 종자의 GA3 처리 효과가 유지되는지 알아보기 위해 비닐온실 에서 발아 실험을 수행하였다. GA3 처리를 한 제비동자꽃 종자 는 챔버 실험 결과와 비슷한 경향을 보였다(Fig. 2B). 챔버 실 험 결과와 비교하여 발아율이 다소 감소하였지만, 무처리, GA3 0, 500, 1000mg･L-1 처리구에서 각각 2.2, 5.3, 16.7, 42% 발아 하였다. 평균발아일수는 무처리, GA3 0, 500, 1000mg･L-1 처리 구에서 각각 11.5, 11.5, 9.9, 10.4일로 나타났다. 비닐온실 환 경에서도 GA3 농도가 증가할수록 제비동자꽃의 종자 발아율은 증가되었다.
효과적인 종자 번식을 위해서는 다양한 환경조건에 무관하 게 발아율이 유지되어야 한다. 따라서 제비동자꽃 종자는 저 온습윤 처리보다 GA3 처리가 종자 전처리 방법으로 더욱 안 정적이라고 생각된다.
프라이밍 처리는 효과적이고 균일한 발아 촉진을 위해 상업용 종자에 이용되는 대규모 종자 전처리 기술로 야생식물 종자에도 그 이용 범위를 확대해가고 있다(Paparella et al. 2015). 효과적 인 프라이밍 처리 조건은 종자마다 다르다. 자생 숙은 노루오줌 [Astilbe koreana (Kom.) Nakai] 종자의 경우, 무처리구와 비교 하여 KCl-프라이밍 처리는 발아를 오히려 감소시켰으나, KNO3- 프라이밍 처리는 약 37% 증가시켰다(Jang et al. 2016). 반면, Nigella sativa 종자는 NaCl-프라이밍 처리가 KNO3와 CaCl2-프 라이밍 처리보다 발아와 초기 생육에 더욱 효과적이었다 (Gholami et al. 2015). 제비동자꽃 종자 발아 향상을 위한 프라 이밍 처리 조건을 선발하기 위해 NH4NO3, K2HPO4, KCl, KNO3 을 각각 0.1M과 0.2M 농도로 처리하였다. 그 결과, 무처리구 (12.0%)에 비해 0.2M KNO3 프라이밍 처리가 54.7%로 가장 높 은 발아율을 나타냈다(Table 1). 평균발아일수는 약 4.0일로 처 리 간의 통계적 유의성은 발견되지 않았으나 1주일 내로 발아가 원활하게 이뤄지는 것을 알 수 있다. KNO3는 프라이밍 삼투조절 제로 가장 많이 이용되며, 특히 질산염은 종자 내로 흡수되어 항산화 효소와 배의 대사작용을 활성화시킨다(Lara et al. 2014). 또한 흡수된 질산염은 종자의 영양분으로 이용되고 발아에 관여 하는 ABA와 GA 조절에 영향을 준다고 한다(Duermeyer et al. 2018;Hamidi and Pirasteh-Anosheh 2013). 24시간 0.2M KNO3-프라이밍 처리는 제비동자꽃 종자를 대량으로 발아 촉진 시키기 위한 기술로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
이상의 결과, 제비동자꽃 종자는 저온습윤 8주 처리에 의해 발아가 향상되었으나, 12주 이상의 처리는 오히려 발아가 감 소됨을 알 수 있었다. 안정적인 종자 전처리를 위해 저온습윤 처리보다는 24시간 GA3 1000mg･L-1, 또는 0.2M 농도의 KNO3-프라이밍 처리를 추천한다. 본 연구는 제비동자꽃의 종 자 대량번식 기술 개발에 유용한 자료가 될 것으로 생각된다.
