서 언

국화(Dendranthema grandiflorum)는 우리나라를 포함한 중국 동부지역 원산의 숙근화훼 작물로, 꽃이 화려하고 화색 이 다양하며 연중재배가 가능하여 장미와 함께 전세계적으로 가장 많이 이용되는 화훼작물 가운데 하나다(Choi and Shin 2002). 우리나라 역시 국화는 2019년 기준 국내에서 유통되는 화훼류 가운데 가장 많은 재배면적(354ha)과 생산액(557.4억 원)을 보유하고 있으며, 이는 국내 전체 화훼재배면적과 생산 액 대비 각각 8.3%, 10.7% 정도의 수준이다(MAFRA 2020). 국 내에서 유통되는 국화는 크게 꽃을 잘라서 이용하는 절화 국 화와 화분에 심겨진 채로 이용하는 분화 국화로 구분된다. 이 중 분화 국화는 전체 국화 산업에서 차지하는 비중은 약 13% 정도로 작지만, 최근 가정용 화훼 소비의 증가로 절화 국화의 재배면적이 감소하는 반면에 분화 국화의 재배면적은 소폭 증 가하는 추세에 있다.

국내에서 유통되는 분화 국화는 규격화된 포트의 크기에 따 라 거래되며, 포트의 크기에 따라 약간의 차이를 보이기는 하 지만 분화의 균형감과 치밀감을 위해 일반적으로 분화 국화의 초장을 20cm 정도 내외로 조절한다. 이를 위해 재배 농가에 서는 분화 국화의 절간신장을 억제할 수 있는 식물생장억제제 를 처리해왔다(Mastalerz 1977). 이 중 다미노자이드계열의 비 나인은 콤팩트한 초형의 분화 국화를 생산하기 위해 생산 농 가에서 많이 사용되던 식물생장억제제였으나, 최근 농약에 대 한 안전사용기준이 강화됨에 따라 분화 국화에 고시되어 있지 않은 비나인의 구매와 사용이 제한되고 있어 재배농가의 어려 움이 가중되고 있는 실정이다.

주야간온도차(DIF)의 조절은 식물생장억제제를 사용하는 대신 분화 국화의 초장 신장을 억제하여 상품 생산에 활용될 수 있는 생장조절 기술이다(Heins and Erwin, 1990). Karlsson and Heins(1992)는 국화 ‘Bright Golden Anne’ 품종에서 단일 기간 동안의 높은 일평균기온은 엽수를 증가시키고 개화를 지연시키며, 동일 일평균기온에서 양의 DIF는 국화의 초장을 신장시키고 음의 DIF는 초장 신장을 억제한다고 하였다. 또한 Pearson et al.(1993)은 DIF의 조절이 국화의 절간신장을 조절 하여 초장신장에 영향을 준다고 하였다. 그러나 자연환경을 기본으로 한 일반온실에서 DIF를 조절하여 콤팩트한 형태의 분화 국화 상품을 생산하는 것이 현실적으로 불가능하기 때문 에, 이를 극복하기 위한 수단으로 광, 온도 등 인위적인 환경 제어가 가능한 식물공장에 대한 관심이 높아지고 있으며, 특 히 작물의 생산을 위한 광원에 대한 연구도 다양하게 이루어 지고 있다.

국화는 대표적인 단일성 식물로, 개화조절을 위하여 대부분 의 농가에서 백열등과 삼파장형광등을 보조 광원으로 이용하 였다. 그러나 이들 광원들이 높은 발열량으로 인해 에너지 소 비가 많고 수명이 짧아 최근에는 에너지소비효율이 높고 수명 이 긴 light-emitting diode(LED)가 국화의 개화조절을 위한 보조 광원으로 주목받고 있다. 특히, LED의 경우에는 특정 파 장의 광을 선택적으로 조사할 수 있어 식물재배용 인공광원으 로의 이용성도 크게 증가되고 있다. 또한 최근의 변화되는 생 산환경과 기후변화에 따른 환경조절의 어려움을 극복하기 위 해서는 식물공장과 같은 인위적인 환경제어를 통산 생산시스 템의 개발도 필요한 시점이다. 그러나 아직까지 국화 재배에 있어서의 LED의 활용은 기상이변에 따른 일조부족 극복(Heo et al. 2006)과 단일성 식물인 국화의 개화시기조절을 위한 일 장연장(Choi et al. 2012;Jeong et al. 2014;Kwon et al. 2014;Nissim-Levi et al. 2019) 기술 개발에 한정되어 있다. 또한 식 물공장에서의 LED광에 따른 작물의 생산 연구도 주로 엽채류 에서 집중적으로 연구되는 반면 화훼 작물에서는 거의 이루어 지지 않고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 가 장 많이 유통되고 있는 분화 국화 ‘오렌지에그’ 품종을 이용하 여 서로 다른 LED 광원이 분화 국화의 생육 및 개화에 미치는 영향을 분석함으로써 식물공장에서 콤팩트한 분화 국화를 생산 하기 위한 시스템 구축에 필요한 기초 자료를 얻고자 하였다.

재료 및 방법

식물재료

분화 국화 ‘오렌지에그’는 경상남도농업기술원 화훼연구소 에서 2019년 7월에 분양 받아 모주로 활용하기 위하여 전라북 도 전주시 소재 국립한국농수산대학 화훼학과 온실에서 재배 하였다. 삽수채취용 모주는 화아분화를 방지하기 위해 삼파장 형광등을 설치하고 하루 4시간(22:00~02:00)씩 전등조명을 실 시하였다. 실험재료는 모주로부터 5cm 내외의 삽수를 채취하 여 삽수 절단면에 루톤(Dongbu Rootone^®, Dongbu Agrotech, Seoul, Korea)을 분의처리한 후 원예용상토(Baroker^®, Seoul Bio, Eumseong, Korea)가 충진된 7 cm 이색포트에 직삽하였 고, 발근이 완료되어 광 처리를 실시하기 전까지 하루 4시간 (22:00~02:00)씩 광중단 처리를 실시하였다.

LED 광원 처리

폐쇄형 식물생장상 내의 광합성을 위한 인공 광원으로는 동일 개수의 LED 소자로 구성된 모듈형으로 청색 LED(444nm)와 적 색 LED(652nm), 그리고 청색과 적색, 백색이 각각 2:5:1로 조합 된 혼합 LED(444+652nm)를 사용하였다(Fig. 1). 각각의 광원으 로부터 식물체 생장점까지의 거리는 생육단계에 따라 15~20cm 정도로 유지되었고, 광원으로부터 식물에 조사되는 광합성유 효광량자속밀도(PPFD)는 청색광이 145.1μmol･m^-2 ･s^-1, 적색광 161.4μmol･m^-2 ･s^-1, 혼합광 202.4μmol･m^-2 ･s^-1로 광원별 PPFD 는 차이가 있었다(Table 1). PPFD와 광파장은 광원으로부터 20cm 거리에서 광파장측정기(RPS900-R, International Light Technologies Inc, USA)를 이용하여 측정하였다.

생육 및 개화특성 조사

LED 광원에 따른 ‘오렌지에그’ 품종의 생육 및 개화특성 조 사는 2차에 걸쳐 실시되었다. 1차 조사는 2020년 6월 16일에 삽목하여 발근이 완료된 식물체를 6월 30일에 처리당 20개체 씩 인위적인 온도조절과 일장조절이 가능한 폐쇄형 식물생장 상에 입식하였고, 2차 조사는 8월 18일에 삽목하여 9월 1일에 입식하였다. 폐쇄형 식물생장상 내부 온도는 주야간 22±1℃ 의 항온으로 유지하였으며, 광주기는 주간 11시간, 야간 13시 간의 단일조건으로 처리하였다. 재배기간동안 양액은 하이포 넥스(HYPONeX Professional^®, HYPONeX Japan Co., Ltd, Osaka, Japan) 20-20-20을 1,000배액으로 조성하여 포트당 50mL씩 주 1회 관주하였다. 생육 및 개화조사는 단일처리 개시 일주일 후 부터 7주 동안 초장, 초폭, 엽수, 엽장, 엽폭 등의 생육특성과 꽃목길이, 개화율, 개화소요일수 등의 개화특성을 주 2회 조 사하였다. 통계분석 및 유의성은 SAS 프로그램(SAS 9.1, SAS Institute Inc., USA)을 이용하여 분산분석을 하였고, 처리평균 간 비교는 Duncan의 다중검정(p=0.05)으로 분석하였다.

결과 및 고찰

LED 광원의 파장이 분화 국화의 생육에 미치는 영향을 조 사하기 위하여 폐쇄형 식물생장상에서 7주간 단일상태로 재배 된 ‘오렌지에그’ 품종의 생육특성을 비교해 본 결과, 정식 이후 부터 개화까지의 분화 국화의 초장 신장은 LED 광원에 관계 없이 시그모이드 생장곡선의 패턴으로 생장하였고, 최초 조사 일과 최종 조사일의 초장을 각각 0.0과 1.0으로 변환한 상대 적인 초장의 비율을 기반으로 한 상대생장곡선의 경우에는 이 상적인 시그모이드 생장곡선의 패턴에 더 가깝게 나타났다 (Fig. 2). 그러나 분화 국화 ‘오렌지에그’ 품종의 개화 단계에 서의 초장은 LED 광원에 따라 다르게 조사되었다. 적색광에 서의 초장이 평균 9.43cm로 가장 길었으며, 청색광과 혼합광 의 초장은 각각 7.45cm와 8.17cm로 청색광에서 0.72cm 정도 짧았으나 통계적으로 유의성은 인정되지 않았다(Table 2). Im et al.(2013)은 스탠다드 국화 ‘Jinba’ 품종을 450nm의 청색광 에서 재배하였을 때 적색광과 백색광보다 초장이 가장 길게 신장한다고 하였고, 단일성 작물인 들깨에서도 초장은 청색광 에서 신장되었고 적생광에서 억제되었다고 보고한 바 있다 (Choi et al. 2003). 하지만 본 실험에서는 청색광에서 분화 국 화의 초장 신장이 가장 크게 억제되었다. 이는 Rajapakse and Kelly(1992)가 국화 ‘Bright Golden Anne’ 품종에서 청색광은 초장의 신장을 억제시키나 적색광은 청색광이 없은 조건에서 초장 신장의 억제 효과가 낮다는 결과와 일치하며, Choi et al.(2012)이 스프레이 국화 ‘Ilweol’과 스탠다드 국화 ‘Jinba’ 품 종의 LED 보광시 적색광이 다른 광원에 비해 초장 신장에 가 장 효과적이라는 결과와도 일치한다.

분화 국화 ‘오렌지에그’ 품종의 초폭과 엽수, 엽장, 엽폭에 대 한 생육 특성도 LED 광원에 따라 다르게 나타났다. 먼저 초폭과 엽폭은 초장에 대한 생육반응과 유사하게 적색광에서 7.90cm와 1.99cm로 가장 컸으며, 청색광과 혼합광에서는 유의적인 차이 를 보이지 않았다. 반면에 엽수와 엽장은 청색광과 적색광 등 단색광에서 각각 23.5개와 3.8cm로 혼합광의 21.7개와 2.90cm 보다 더 많고 길었다(Table 2). Karlsson and Heins(1994)는 초 장의 상대신장율이 낮을수록 화아발달이 지연되어 개화까지 더 많은 시간이 소요되며 발생 엽수도 더 많아진다고 하였다. 본 실험의 결과에서도 ‘오렌지에그’ 품종의 마지막 조사일 당시의 초장은 적색광에서 가장 길고 청색광에서 가장 짧았으나, 최초 조사일과 최종 조사일의 초장을 각각 0.0과 1.0으로 변환한 상대 적인 초장의 비율은 혼합광하에서 재배된 식물체의 개화가 시작 되기 이전인 단일처리 이후 35일까지는 적색광이 0.88로 가장 높았으나 혼합광에서 개화가 시작된 이후부터는 청색광과 적색 광 등 단일광에 비해 혼합광에서의 상대적인 초장의 비율이 0.95로 가장 높아졌다(Table 2, Fig. 2B). 이는 혼합광에서 ‘오렌 지에그’ 품종의 발생 엽수가 단색광에 비해 약 2매 정도 적은 것은 단색광에 비해 조기에 개화가 이루어지면서 개화 이후 초 장의 상대신장율이 단색광에 비해 높아졌기 때문인 것으로 판단 된다.

LED 광원의 파장에 따른 분화 국화 ‘오렌지에그’의 화아분화 는 광원에 관계없이 청색광과 적색광, 혼합광 모두에서 단일처 리 16~17일 사이에 화아분화가 완료되어 발뢰가 시작되었다. 그러나 혼합광에서 생육한 분화 국화의 경우 단일처리 37.5일 이후에 모든 식물체에서 개화가 이루어진 반면, 청색광에서는 발뢰 이후 화아발달이 정상적으로 이루어지지 않아 최종 개화 까지 이르지 못했다. 적색광에서도 개화율이 10% 정도에 지나 지 않았고, 꽃의 크기는 혼합광과 차이가 없었으나 개화소요일 수는 42.5일로 혼합광에 비해 약 5일 정도 지연되었다. 꽃목의 길이는 청색광이 0.90cm로 가장 짧았고 혼합광이 1.66cm, 적 색광은 2.15cm로 가장 길게 조사되었다(Table 3, Fig. 3). 광질 은 식물체의 초장의 신장이나 잎의 형태는 물론 광형태형성 등 다양한 식물의 생육반응에 영향을 미친다고 보고되고 있다 (Wongnok et al. 2008). 특히, 광질에 따른 광 수용체의 반응 에 따라 개화 유도나 개화시기조절 등 광 형태형성에 있어 일 정량의 청색광과 원적색광이 요구되고(Higuchia et al. 2012;Hoenecke et al. 1992), 적색광은 주로 식물체의 광합성에 미치 는 영향이 크고 청색광은 식물체의 건전한 생장에 필수적이라 고 보고되고 있다(Okamoto et al. 1996). 또한 Im et al.(2013) 은 스탠다드 국화 ‘Jinba’에서 청색광과 적색광 등 단일광보다 백색광처럼 다양한 파장대의 광원이 국화의 초장 및 엽면적, 생 체중, 건물중에 더 우수한 결과를 나타냈으며, Kim et al.(2004) 은 다른 파장대의 광원에 비해 청색광에서 국화 조직배양묘의 총광합성량이 가장 적다고 하였다. 본 실험의 결과 청색광이나 적색광과 같은 단색광에서는 개화가 정상적으로 이루어지지 않거나 지연되는 반면 혼합광에서만 개화가 이루어진 것은 분 화 국화의 화아발달 및 개화에 다양한 파장대의 광원이 관여하 며, 또한 동일한 개수의 LED 소자를 활용했을 때의 PPFD가 혼합광에서 가장 높아 단색광에 비해 분화 국화의 개화에 필요 한 총광합성량을 충족시켰기 때문일 것으로 판단된다. 다만 실 제 분화 국화의 식물공장생산시스템을 구축하기 위해서는 광 량과 광 조사시간에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료 된다.