search for




 

Evaluation of waterlogging tolerance using chlorophyll fluorescence reaction in the seedlings of Korean ginseng (Panax ginseng C. A. Meyer) accessions
J Plant Biotechnol 2022;49:240-249
Published online September 30, 2022
© 2022 The Korean Society for Plant Biotechnology.

Moo Geun Jee ・Young Ki Hong ・Sun Ick Kim・Yong Chan Park ・Ka Soon Lee ・Won Suk Jang ・ A Reum Kwon ・Bong Jae Seong ・Me-Sun Kim ・Yong-Gu Cho

(Ginseng & Medicinal Plant Research Institute, CNARES, Geumsan 32723, Korea)
(Department of Crop Science, Chungbuk National University, Cheongju 28644, Korea)
Correspondence to: e-mail: ygcho@cbnu.ac.kr
Received September 8, 2022; Revised September 13, 2022; Accepted September 13, 2022.
cc This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract
Measuring chlorophyll fluorescence (CF) is a useful tool for assessing a plant’s ability to tolerate abiotic stresses such as drought, waterlogging and high temperature. Korean ginseng is highly sensitive to water stress in paddy fields. To evaluate the possibility of non-destructively diagnosing waterlogging stress using chlorophyll fluorescence (CF) imaging techniques, we screened 57 ginseng accessions for waterlogging tolerance. To evaluate waterlogging tolerance among the 2-year-old Korean ginseng accessions, we treated ginseng plants with water stress for 25 days. The physiological disorder rate was characterized through visual assessment (an assigned score of 0-5). The physiological disorder rates of Geumjin, Geumsun and GS00-58 were lower than that of other accessions. In contrast, lines GS97-62, GS97-69 and GS98-1-5 were deemed susceptible. Root traits, chlorophyll content and the reduction rates decreased in most ginseng accessions. Further, these metrics were significantly lower in susceptible genotypes compared to resistant ones. All CF parameters showed a positive or negative response to waterlogging stress, and this response continuously increased over the treatment time among the genotypes. The CF parameter Fv/Fm was used to screen the 57 accessions, and the results showed clear differences in Fv/Fm between the susceptible and resistant genotypes. Susceptible genotypes had an especially low Fv/Fm value of less than 0.8, reflecting damage to the reaction center of photosystem II. It is concluded that Fv/Fm can be used as a CF parameter index for screening waterlogging stress tolerance in ginseng genotypes.
Keywords : Ginseng, Waterlogging, Genetic Resource, Genotype, Chlorophyll fluorescence (CF)
서 론

인삼은 세계적인 웰빙 트랜드 및 COVID19로 인해 농산물 중 단일 품목으로는 수출액(211백만불)이 가장 큰 작물로 세계적으로 효능을 인정받아 수출이 점차 증가하는 추세이다. 하지만 최근 경기침체로 인한 소비 부진으로 국내 1인당 소비량은 지난 10년 동안 430 g에서 380 g으로 내수시장 판매가 감소하고 그에 따른 인삼 가격하락으로 재배농가 및 신규 재배면적이 4,216 ha (2000년)에서 3,474 ha (2020년)로 점차 줄어들고 있다. 특히, 연작장해에 의하여 초작지 부족으로 인한 이동경작, 인건비, 농자재비 등 경영비 증가로 생산기반은 더욱 약화 될 것으로 전망된다(MAFRA 2021).

최근 기후변화에 따른 고온, 가뭄, 홍수 등으로 병해충 발생이 많아지는 등 인삼 생산성이 저하되어 인삼 재배에 어려움이 발생하고 있다. 인삼은 파종, 이식을 하게 되면 4년에서 6년을 한 토양에서 재배하는 다년생 작물로 다른 작물보다 환경영향이 심하며, 특히 토양수분 등이 가장 중요한 영향을 미치는 요인 중 하나이다. 인삼은 연작을 기피하는 작물로 밭에서는 10년, 논에서는 6년의 휴작기간을 설정(RDA 2001)해 연작을 피하려는 것은 뿌리썩음병으로 인한 생산량의 급격한 감소를 피하고자 하는 것으로, 이를 위해 매년 인삼재배가 가능한 새로운 경작지가 필요한 것이 현실이다. 특히 최근 토양배수 및 물리성이 열악한 답전환 재배가 1990년 1,850 ha에서 2020년에는 5,643 ha로 증가하고 있어 배수불량지의 생육저하 및 적변, 황증, 난발삼 발생 등 품질 악화 등의 문제점이 발생하고 있다(Lee et al. 2013). 우리나라의 논은 침수상태로 벼를 재배하기 때문에 논토양은 배수가 잘 되지 않고, 지하수위가 높으며 잦은 경운으로 인한 토양 입단이 파괴되어 관개수나 빗물의 토양침투 및 투수속도가 매우 느리다(Hur et al. 2009). 이로 인해 논 재배 인삼의 경우 습해에 의한 피해가 발생하고 있으나 밭 초작지 대비 생육 및 수확량에는 차이가 없었으며, 인삼 재배 후 4년 벼 재배를 한 다음 인삼을 재작을 하여도 연작장해 현상이 뚜렷하게 나타나지 않고 비교적 안전한 재작이 가능하다(Jo et al. 1996)는 이점이 있어 논에서의 경작면적이 1990년 1,850 ha, 2020년 5,643 ha로 증가하는 상황이다(MAFRA 2021).

장기적인 토양과습은 토양 내 산소량을 급격히 감소시키고(Kozlowski 1997), 호흡 장해를 받는 뿌리는 양・수분 흡수가 저해되며 기공전도도의 감소로 기공이 폐쇄되어 광합성과 같은 생리반응이 저하된다(Choi 2018; Pettigrew 2004; Snider et al. 2014). 식물의 생리 특성과 스트레스 수준을 분석 및 평가할 수 있는 기법 중 엽록소형광(Chlorophyll Fluorescence; CF) 측정 기법은 광합성 과정 중 광 에너지효율, 열 및 형광을 측정할 수 있다(Cen et al. 2017). 일반적으로 광합성 과정이 비생물적 및 생물적 스트레스 영향에 의해 민감하게 반응하는 것에 기인한 것이며, 식물의 광에너지 이용 효율을 다양한 엽록소 형광 매개변수로 표현할 수 있다(Maxwell and Johnson 2000). 엽록소형광 기법을 이용한 생물적 스트레스의 평가에는 Fv/Fm (maximum quantum yield of PSII), ΦPSII (effective quantum yield of PSII), qP (photochemical quenching), NPQ (non-photochemical quenching)의 매개변수가 주로 이용되며, 비생물적 스트레스 평가에는 Fo (minimun chlorophyll fluorescence), Fm (maximum chorophyll fluorescence), ΦPSII (effective quantum yield of PSII) 등이 이용된다(Baker 2008; Strauss et al. 2006; Streb et al. 2008).

따라서, 본 연구는 담수처리를 통해 인삼 논 재배 시 문제되는 습해 피해 설정을 확립하고 엽록소형광 분석을 통해 비파괴적으로 측정함과 동시에 습해 스트레스 수준을 정량화할 수 있는 지수를 선발하여 인삼의 생장에 미치는 습해의 영향을 진단하는 도구로 활용하고자 수행하였다.

재료 및 방법

실험재료 및 담수 처리방법

본 실험에 사용된 시험재료는 충남농업기술원 인삼약초연구소에서 2019년 11월 파종하여 2021년 3월에 생산된 묘삼을 이용하였다. 습해 저항성 품종 선발을 위해 유전자원 57점을 와그너포트(Ø160 × 19.5 cm, 3주)에 1:1의 원야토와 상토의 비율의 토양을 담고 이식하였다(Table 1). 5월 상순부터 8월 상순까지 인삼 하우스 재배시설에서 농촌진흥청 인삼표준경작법에 준하여 재배하였고 담수 처리전 균일한 생육수준을 보이는 식물체를 선발하여 담수처리구를 설정하고 처리구별로 각각 3 반복으로 실험에 이용하였다.

Information on the 57 Korean ginseng genotypes screened for waterlogging tolerance

No. Name Classification No. Name Classification
1 Goryeo Cultivar 30 GS98-1-4 Breeding line
2 Gopoong Cultivar 31 GS98-1-5 Breeding line
3 Geumseon Cultivar 32 GS98-3-2 Breeding line
4 Geumjin Cultivar 33 GS98-3-4 Breeding line
5 Kumpooung Cultivar 34 GS98-4-5 Breeding line
6 Sunun Cultivar 35 GS98-4-7 Breeding line
7 Yunpoong Cultivar 36 GS98-4-7-1 Breeding line
8 Chunpoong Cultivar 37 GS98-5 Breeding line
9 American ginseng Collected variety 38 GS98-6 Breeding line
10 Mimaki Collected variety 39 GS98-13 Breeding line
11 GS97-2 Breeding line 40 GS98-14-1-4 Breeding line
12 GS97-9 Breeding line 41 GS98-15 Breeding line
13 GS97-21 Breeding line 42 GS98-16 Breeding line
14 GS97-24-1 Breeding line 43 GS98-19 Breeding line
15 GS97-24-2 Breeding line 44 GS98-N4 Breeding line
16 GS97-25 Breeding line 45 GS98-N7 Breeding line
17 GS97-26 Breeding line 46 GS98-N9 Breeding line
18 GS97-30 Breeding line 47 GS00-9 Breeding line
19 GS97-32 Breeding line 48 GS00-10 Breeding line
20 GS97-39 Breeding line 49 GS0019-22 Breeding line
21 GS97-57 Breeding line 50 GS00-24 Breeding line
22 GS97-62 Breeding line 51 GS00-25 Breeding line
23 GS97-63 Breeding line 52 GS00-27 Breeding line
24 GS97-68 Breeding line 53 GS00-32 Breeding line
25 GS97-69 Breeding line 54 GS00-44 Breeding line
26 GS97-75 Breeding line 55 GS00-53 Breeding line
27 GS97-79 Breeding line 56 GS00-54 Breeding line
28 GS97-81 Breeding line 57 GS00-58 Breeding line
29 GS97-87 Breeding line


단기간 동안 습해 저항성 및 감수성 유전자원 선발을 위하여 포트를 수조에 담아 지제부까지 물이 차도록 수분포화 상태로 유지하였고 이를 습해 스트레스 내성 평가를 위한 엽록소 형광 매개변수를 선발하고자 하였다. 담수처리 기간은 30일로 한정하여 실험을 수행하였다. 습해 스트레스 처리 시점을 기준으로 담수처리 전, 0일, 담수처리 후 5일, 10일, 15일, 20일, 25일 6개 시점에 조사하였다. 담수처리 후 날자 별 인삼 유전자원의 묘삼을 식물 개체별로 3 반복으로 선정하여 엽록소 형광 측정에 이용하였다.

담수처리에 따른 인삼 유전자원 저항성 평가

담수처리에 따른 인삼 유전자원 57점의 습해 저항성 평가를 위하여 생리장해 정도를 조사하였다. 담수처리 후 5일부터 25일까지 5일 간격으로 Fig. 1의 증상과 같이 습해 발생 정도가 낮은 값을 1로 하여 5까지 달관 조사하였다. 포트에 심어진 개체를 달관 평가하여 평균값을 사용하였다.

Fig. 1. Description of scoring criteria for plant phenotypes after abiotic stress treatment. Stressed phenotypes are described separately for each plant part

지하부 생육특성 및 엽록소 함량 조사

인삼 유전자원 57개의 비교를 위해 담수처리 25일차에 근장, 생근중 및 건물중을 측정하였다. 식물생리 연구를 할 때 간이 스트레스 지수로 많이 사용되는 엽록소 수치(Barraclough and Kyte 2001; Filipović et al. 2013; Park et al. 2006; Percival et al. 2008; Vu et al. 2014)를 엽록소 측정기(SPAD-502 plus, Minolta, Japan)를 사용하여 엽맥을 피하여 식물 개체당 3 반복으로 측정하였다.

엽록소 형광반응 측정

엽록소형광 측정에는 엽록소 형광 측정기(OS1p, OPTI-SCIENCES, USA)를 이용하였고 5개의 엽록소형광 매개변수를 선발하여 분석하였다. Fo (Minimal fluorescence) 측정을 위해 Dark adaptation clip으로 측정할 부위를 20분 동안 암상태에 두어 광계II 반응중심을 열린 상태로 만들어 준 다음 1초 동안 1.0 μmol m-2s-1 이하의 modulated light (660 nm LED with 690 nm short pass filter)를 조사하였다. Fm (Maximal fluorescence)은 0.8초 동안 광계II 반응중심이 닫힐 정도의 포화광(11,000 μmol m-2s-1)을 조사 후 측정하였다. Fm과 Fo의 차인 Fv (variable fluorescence)를 계산하여 광합성 효율(maximal efficiency of photochemistry, Fv/Fm)을 도출하였다(Yang 2017).

통계분석

데이터 분석은 SAS EG (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA) 프로그램을 이용하여 각 측정군의 평균과 표준편차를 산출하고, p < 0.05 수준에서 Duncan’s Multiple Range Test (DMRT)로 유의성을 검정하였다.

결과 및 고찰

담수처리에 의한 인삼 유전자원 선발

습해 저항성 선발을 위해 인삼 유전자원 57점을 25일간 담수처리를 하였다. 그에 따른 습해 저항성 평가는 5개의 등급으로 나누었으며, 1단계는 엽색이 잘 유지되어 진녹색을 띠고 뿌리는 물뿌리가 잘 형성된 건강한 상태, 2단계는 잎은 엽록소 함량이 떨어져 연녹색을 띠고 뿌리는 물뿌리가 탈락되는 상태로 뿌리 끝이 적변되고 3단계에서는 물뿌리가 거의 탈락하고 뿌리 전체가 적변되어 부패가 진행되고, 지상부는 엽맥을 따라 황화되고 있는 상태이고, 4단계는 물뿌리는 없고 뿌리 끝부터 부패가 진행되어 길이가 짧아졌고, 지상부는 전체적으로 황화되고 엽맥을 따라 갈변되는 상태, 5단계는 뿌리는 전체적으로 부패가 진행되어 길이가 짧아졌고, 지상부는 잎과 줄기가 말라 고사된 상태이다(Fig. 1). 담수처리 후 20일을 기점으로 피해 정도를 기초로 하여 습해 저항성 유전자원은 피해단계 2 이하, 중도저항성 유전자원은 피해단계 2 초과 4 이하, 감수성 유전자원은 피해단계 5 이상으로 분류하였다.

Table 2에서 인삼 유전자원 57점 중 저항성 유전자원은 금진 등 10개 유전자원으로 17.5% 선발되었고 중도저항성 유전자원은 GS00-10 등 27개 유전자원으로 약 47.3%가 중도저항성으로 선발되었다. 감수성 유전자원은 GS97-62 등 20개 35%가 분류되었다. 저항성 계통은 담수 25일 후에도 지상부가 생존하였고, 중도저항성 및 감수성 유전자원은 담수 15일 전후로 지상부가 피해를 받기 시작하였으며 감수성 유전자원은 20일이 지나면서 지상부가 갈변되어 고사하였다. 담수 후 인삼 유전자원 57개 저항성 평가 결과를 토대로 습해 저항성 유전자원 3개 및 감수성 유전자원 3개를 선발하였다. 금진, 금선, GS00-58이 습해 저항성 유전자원으로 선발하였고, 충남7호, 충남8호, GS98-1-5는 감수성 유전자원으로 선발하였다. 선발된 습해 저항성 및 감수성 유전자원을 대상으로 지하부 생육특성, 엽록소 함량 및 형광반응분석을 진행하였다.

Evaluation of tolerance degree after flooding treatment for the 57 Korean ginseng genotypes



습해 스트레스에 따른 유전자원 지하부 생육특성 및 엽록소 함량 분석

인삼 유전자원 57개에 습해 스트레스를 주기 위해 담수처리하고 25일차에 지하부 생육특성, 엽록소 함량을 분석하여 스트레스 수준을 비교하였다. 담수 처리된 대부분의 유전자원은 대조구에 비해 근장, 생체중, 건물중 및 엽록소 함량(SPAD)이 감소하였다. 57개의 유전자원 중 습해 스트레스에 내성이 있다고 판단되는 습해 저항성 유전자원 금진, 금선, GS00-58, 감수성 유전자원 GS97-62, GS97-69, GS98-1-5를 선발하고 비교하였다(Table 3). 습해 저항성 유전자원인 금진, 금선, GS00-58의 대조구 대비 근장 감소율은 6~12%로 조사되었으나 감수성 유전자원 GS97-62, GS97-69, GS98-1-5의 근장 감소율은 22~37%로 유의적인 차이가 있었다. 또한, 습해 감수성 유전자원과 대조구와의 생근중 감소율은 43~56%으로 큰 폭으로 감소하였고 저항성 유전자원은 대조구 대비 23~32% 정도 감소하였다. 건물중도 습해 감수성 유전자원과 대조구와의 감소율은 49~53%로 조사되었고, 저항성 유전자원은 5~28%의 감소율을 보였다. 습해 감수성 유전자원에서 저항성 유전자원보다 엽록소 함량의 감소가 나타났다. 습해 감수성 유전자원 GS97-62, GS97-69, GS98-1-5의 엽록소 함량 감소율은 39.4%, 30.2%, 61.2%로 유의적인 차이를 보였으며, 저항성 유전자원 금진, 금선, GS00-58의 엽록소 함량 감소율은 14.7%, 10.5%, -1.4%로 금진만 대조구와 유의적인 차이가 있었다.

Effect of waterlogging on root growth traits and SPAD values of Korean ginseng

Genotypes Root length (cm) Root weight (g/plant) SPAD value

Fresh Dry
Control 15.0 ± 1.98 a 1.99 ± 0.16 a 0.71 ± 0.05 a 14.2 a
Geumjin (R) 14.0 ± 1.21 ab 1.49 ± 0.15 b 0.51 ± 0.09 b 12.1 b
Geumsun (R) 13.2 ± 1.50 ab 1.35 ± 0.21 bc 0.55 ± 0.04 b 12.7 ab
GS00-58 (R) 14.1 ± 0.95 ab 1.53 ± 0.18 b 0.67 ± 0.03 a 14.4 a
GS97-62 (S) 9.4 ± 1.97 c 0.87 ± 0.10 d 0.36 ± 0.13 c 8.6 c
GS97-69 (S) 10.0 ± 1.35 c 0.97 ± 0.22 d 0.33 ± 0.09 c 9.9 c
GS98-1-5 (S) 11.6 ± 0.60 bc 1.12 ± 0.11 cd 0.36 ± 0.03 c 5.5 d

* Mean ± SD, with different letters indicating significant differences at a 5% probability level, as determined by a Duncan’s multiple range test (DMRT, p < 0.05).



본 연구에서 조사된 지하부 생육특성과 엽록소 함량은 습해 스트레스에 따른 반응이라고 판단된다. 본 실험 결과 담수 처리시간이 길어질수록 뿌리의 길이는 짧아지고 무게도 감소하는 경향을 보였다(Fig. 3). 과습이 심해질수록 뿌리의 부패로 인해 생육이 저조해지고 뿌리표면이 적갈색으로 변하는 적변삼 발생 등 여러 피해가 보고된 바 있다(Kim et al. 2015). 과습 상태는 산소부족을 일으켜 특히 지하부 피해가 심해지는데 뿌리 길이가 짧아지고 연약해지며, 근직경은 굵어지고, 표피는 두꺼워진다(Lee et al. 2010a)는 보고와 유사한 결과를 나타내었다. 습해 스트레스에 노출되는 시간이 길어질수록 지상부 외형변화가 심하게 나타났다. 담수처리 후 엽맥을 중심으로 점차 말려들어가 지상부가 위축되고, 담수처리 후에는 엽색이 황화되는 경향을 확인하였다. 식물체가 습해를 받게 되면 건조해를 받을 때와 마찬가지로 수분포텐셜이 감소하고 수분손실을 최소화하기 위해 기공을 닫게 되어 증산량 등 광합성 기능이 감소한다고 알려졌다(Bennett and Albrecht 1984; Boyer 1970; Lee et al. 2010b). 극심한 습해 스트레스에 노출된 식물은 알콜, 젖산발효 등 체내 생리기작의 저하로 세포 내 엽록소가 파괴된다. 따라서 인삼은 담수상태가 오래 지속될수록 피해가 커지고 특히 뿌리에서는 물뿌리가 탈락하고 뿌리 끝부터 부패가 일어나며 결국에는 뿌리가 썩어 생산량 감소로 이어지기 때문에 인삼의 건전한 생육을 위해서는 무엇보다 적습조건이 되도록 배수관리를 철저히 해야 된다.

Fig. 3. Comparison of the growth of Korean ginseng genotypes after 25 days of waterlogging treatment

습해 스트레스에 따른 유전자원 별 엽록소 형광반응 변화

인삼 유전자원 57개의 습해 스트레스 수준을 평가하기 위해 엽록소형광을 측정하였으며, 내습성 평가에 효과적인 엽록소형광 매개변수의 선발을 위하여 습해 저항성 자원인 금진, 금선, GS00-58, 감수성 자원 GS97-62, GS97-69, GS98-1-5을 각각 저항성 및 감수정 대표 자원으로 선정하였다(Fig. 2). 습해 스트레스를 처리한 57개의 유전자원에 대해서 5개 엽록소형광 매개변수의 수준 차이를 확인하였다. 습해 스트레스 조건에서 감수성 유전자원의 Fm (암적응 시 최대 형광) 및 Fv (최대 변동형 광량)은 처리 후 15일부터 습해 저항성 유전자원과 유의적으로 감소하였고, Fo (암적응 최소 형광)는 습해 저항성 및 감수성 유전자원 간 유의적인 차이는 없었다. Fv/Fo (최소양자수율)과 Fv/Fm (최대양자수율)의 변화로 살펴본 습해 감수성 유전자원의 스트레스 발현은 담수처리 기간이 길어질수록 민감하게 반응하는 것으로 나타났으며, 저항성 유전자원들은 담수처리 기간에 관계없이 Fv/Fo과 Fv/Fm 값의 변화가 없어 습해에 대한 저항성을 가지고 있는 것으로 보인다. 즉, 습해 저항성 유전자원들은 처리기간 동안 대조구와 유의적인 차이를 보이지 않고 Fv/Fo 값은 3.5~3.9, Fv/Fm 값은 0.78~0.79으로 높게 나타났으며, 감수성 유전자원들의 Fv/Fo 값은 1.7~1.8, Fv/Fm 값은 0.60~0.62로 대조구와 유의한 차이가 나타났다(Fig. 4). 일반적으로 Fv/Fm 값이 0.8보다 낮을 때는 광계II의 반응중심이 손상을 입은 상태이거나 비가역적인 불활성 상태에 처해있다고 볼 수 있다 (Oh et al. 2009). 따라서 감수성 유전자원들은 15일 이후 Fv/ Fm 값이 감소하여 담수처리가 광합성효율에 크게 영향을 미침을 알 수 있으며, 저항성 유전자원들은 담수처리 하에서도 광합성 명반응에 저해를 입지 않은 것으로 생각된다.

Fig. 2. Comparison of the growth of Korean ginseng genotypes at 5, 15 and 25 days of waterlogging treatment

Fig. 4. Changes in the chlorophyll fluorescence (CF) parameters of Geumjin and GS98-1-5 as representative genotypes over the 25-day duration of waterlogging stress. Use of the same letter (“a” and/or “b”) above the point indicates that the results are not significantly different at α = 0.05 according to a Duncan’s multiple range test. Vertical bars represent the standard deviation (n = 3)

엽록소 형광은 식물의 광합성 반응 메카니즘 중 광계II에서 엽록소에 흡수된 빛 에너지의 전자전달과 관련된 반응으로, 광화학반응에 쓰이지 못한 빛 에너지의 일부가 다시 빛으로 방출되는 현상(Kim et al. 2020)으로 Fm은 암적응 시 광계II의 반응중심의 폐쇄 상태에서 얻어지는 최대 형광 값으로 광계II의 전자전달 수준을 반영하며, 비생물적 및 생물적 스트레스를 받을 경우 민감하게 반응하는 매개변수이다(Baker 2008; Fujii et al. 2016; Shin et al. 2021). 습해 스트레스를 처리한 모든 유전자원에서 Fm의 감소를 확인하였으며, 이는 광계II의 전자전달 수송 능력의 감소 때문으로 판단된다(Ranjbarfordoei et al. 2006). Fv/Fm은 가장 널리 사용하는 엽록소형광 매개변수로써 암적응을 거친 식물체의 1차 광화학 최대 양자 수율을 나타낸다(Baker 2008). 최대양자수율(Fv/ Fm)은 광이 억제된 잎에서 PSII의 기능을 측정할 수 있는 지표로서 QA 환원의 광화학적 효율을 나타내는 비율로 사용한다. 최대양자수율(Fv/Fm)은 광 억제된 잎에서 PSII의 기능을 간단하게 측정할 수 있는 지표로 식물 잎이 광합성을 수행할 수 있는 최대값으로서 광합성의 잠재력을 의미한다. 정상적인 생육한 인삼의 Fv/Fm은 0.8에 가까웠고 스트레스를 받을수록 유의한 감소를 확인하였다(Oh et al. 2010). 담수 처리된 저항성 및 감수성 유전자원에서 Fo 값은 대조구와 유의차가 없었지만 감수성 유전자원에서 Fv/Fm 값의 감소를 확인하였다.

본 연구결과로, 인삼 유전자원의 습해 스트레스 수준을 보완적으로 평가할 수 있을 것으로 판단되는 매개변수로서 Fv/m를 선발하였다. 광 억제된 잎에서 PSII의 기능을 간단하게 측정할 수 있는 지표를 나타내는 최대양자수율(Fv/Fm)은 광합성의 잠재력을 의미한다. 습해 스트레스 처리 후 초기 단계에서 습해 스트레스에 저항성을 지닌 유전자원과 저항성이 없는 감수성 유전자원 간의 차이를 객관적으로 확인할 수 있었다.

본 연구는 인삼 유전자원의 묘삼 단계에서의 습해 스트레스 수준 평가를 위한 엽록소형광 매개변수 선발의 선도적인 연구로 판단되고 향후 인삼 논 재배에서 발생하는 염류장해, 생리장해 등 다양한 비생물적 스트레스의 수준을 판별할 수 있는 엽록소 형광 매개변수의 선발 관련 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.

적 요

본 연구는 인삼 습해 피해 설정을 확립하고 유전자원을 대상으로 엽록소형광 기법을 이용하여 습해 스트레스 수준을 평가하기 위해 수행되었다. 습해 스트레스 평가는 2년생 묘삼 57개 유전자원 대상으로 25일간 지제부까지 담수처리를 하였다. 피해 정도에 따라 5개 등급으로 분류하여 저항성 유전자원 3개, 감수성 유전자원 3개를 선발하였다. 인삼 유전자원 57개의 지하부 생체중 및 엽록소 함량은 대부분 감소하였고 저항성 유전자원보다 감수성 유전자원의 감소율이 크게 나타났다. 5개의 엽록소형광 매개변수는 습해 스트레스에 노출되는 기간이 길어질수록 증감하는 경향을 보였으며, 특히, Fv/Fm값이 0.8보다 낮으면 광계II의 반응중심이 손상을 입은 상태로 감수성 유전자원의 경우 습해 스트레스에 노출될수록 감소하였다. 본 연구결과에서 유전자원 57개의 최대양자수율(Fv/Fm)은 습해 스트레스 하에서 차이를 보였으며, 습해 스트레스에 저항성을 가진 습해 저항성 유전자원과 감수성 유전자원 간의 차이를 확인할 수 있는 매개변수로 판단되어 인삼 유전자원에 대해 습해 스트레스 수준을 평가할 수 있는 도구로 활용 가능하다고 사료된다.

사 사

본 연구는 농촌진흥청에서 주관하는 지역특화작목기술개발(과제번호 PJ016151)의 연구비 지원에 의해 이루어진 결과로 이에 감사드립니다.

References
  1. Baker NR (2008) Chlorophyll fluorescence: a probe of photosynthesis in vivo. Annual Review Plant Bio 59:89-113
    Pubmed CrossRef
  2. Barraclough PB, Kyte J (2001) Effect of water stress on chlorophyll meter readings in winter wheat. In: Plant Nutrition. Springer, pp.722-723
    CrossRef
  3. Bennett JM, Albrecht SL (1984) Drought and flooding effects on N2 fixation, water relations and diffusive resistance of soybean. Agron J 76:735-740
    CrossRef
  4. Boyer JS (1970) Differing sensitivity of photosynthesis to low leaf water potentials in corn and soybean. Plant Physiol 46:234-239
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  5. Cen H, Weng H, Yao J, He M, Lv J, Hua S, Li H, He Y (2017) Chlorophyll fluorescence imaging uncovers photosynthetic fingerprint of citrus huanglongbing. Front. Plant Sci 8:1509
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  6. Choi YM (2018) Exocarp characteristics and the effects of soil water status and fruit set level on growth and fruit quality in a nes cultivar ‘Jinok’ grape (Vitis labruscana). Doctoral Dissertation. Jeonbuk National University
  7. Filipović A, Poljak M, Skobic D (2013) Response of chlorophyll a, SPAD values and chlorophyll fluorescence parameters in leaves of apricot affected some abiotic factors. J Food Sci and & Eng 3(1):19-24
  8. Fujii R, N Yamano, H Hashimoto, N Misawa, K Ifuku (2016) Photoprotection vs. photoinhibition of photosystem II in transplastomic lettuce (Lactuca sativa) dominantly accumulating astaxanthin. Plant and Cell Physiology 57:1518-1529
    Pubmed CrossRef
  9. Hur SO, Lee YJ, Yeon BR, Jeon SH, Ha SG, Kim JG (2009) Assessment on Water Movement in Paddy-Upland Rotation Soil Scheduled for Ginseng Cultivation. Korean Journal of Medicinal Crop Science 17(3):204-209
  10. Jo JS, Kim CS, Won JY (1996) Crop Rotation of the Korean ginseng (Panax ginseng C.A.Meyer) and the Rice in Paddy Field. Korean Journal of Medicinal Crop Science 4(1):19-26
  11. Kim JU, Lee JW, Jo IH, Kim DH, Kim KH, Kim YC (2015) Growth characteristics of 2-year-old cultivars in Korean ginseng (Panax ginseng C. A. Meyer) conditioned artificial wet injury. CNU Journal of agricultural science 42(4):299-304
    CrossRef
  12. Kim KS, Seo YJ, Kim DC, Nam HH, Lee BY, Kim JH (2020) Effect of Soil Water and Shading Treatment on Chlorophyll Fluorescence Parameters and Photosynthetic Capacity in Cnidium officinale Makino. Korean Journal of Medicinal Crop Science 28(6):412-420
    CrossRef
  13. Kozlowski TT (1997) Response of woody plants to flooding and salinity. Tree physiology 17(7):490-490
    CrossRef
  14. Lee JE, Kim HS, Kwon YU, Jung GH, Lee CK, Yun HT, Kim CK (2010a) Responses of Photosynthetic Characters to Waterlogging in Soybean [Glycine max (L.) Merrill]. Korean Journal of Crop science 55(2):111-118
  15. Lee JE, Kim HS, Kwon YU, Jung GH, Lee CK, Yun HT, Kim CK (2010b) Responses of root growth characters to waterlogging in soybean [Glycine max (L.) Merril]. Korean Journal of Crop science 55(1):1-7
  16. Lee SW, Park KC, Lee SH, Park JM, Jang IB, Kim KH (2013) Soil chemical property and leaf mineral nutrient of ginseng cultivated in paddy field occurring leaf discoloration. Korean Journal of Medicinal Crop Science 21(4):289-295
    CrossRef
  17. MAFRA (Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs) (2021) Statistical Sourcebook of Ginseng 2020. pp.1-72. Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, Sejong, Korea
  18. Maxwell K, Johnson GN (2000) Chlorophyll fluorescence-a practical guide. Journal of experimental botany 51(345): 659-668.
    CrossRef
  19. Oh DJ, Lee CY, Kim SM, Li GY, Lee SJ, Hwang DY, Son HJ, Won JY (2010) Effects of Chlorophyll Fluorescence and Photosynthesis Characteristics by Planting Positions and Growth Stage in Panax ginseng C. A. Meyer. Korean Journal of Medicinal Crop Science 18(2):65-69
  20. Oh SJ, Zhin KL, Koh SC (2009) Characterization of Chlorophyll a Fluorescence of Hydrophytes under Cadmium Stress. Journal of the Environmental Sciences 18(12):1361-1368
    CrossRef
  21. Park EJ, Sohn YG, Park JC, Lee JJ (2006) Effects of NaCl on the growth and inorganic ion contents of green pepper ‘Nokwang’ and bell pepper ‘Newace’. Korean Journal of Horticultural Science Tech 24(1):1-7
  22. Percival GC, Keary IP, Noviss K (2008) The potential of a chlorophyll content SPAD meter to quantify nutrient stress in foliar tissue of sycamore (Acer pseudoplatanus), English oak (Quercus robur), and european beech (Fagus sylvatica). Arboric Urban For 34(2):89-100
    CrossRef
  23. Pettigrew WT (2004) Physiological consequences of moisture deficit stress in cotton. Crop Science 44(4):1265-1272
    CrossRef
  24. Ranjbarfordoei A, Samson R, Damme PV (2006) Chlorophyll fluorescence performance of sweet almond [Prunus dulcis (Miller)] D. Webb] in response to salinity stress induced by NaCl. Photosynthetica 44:513-522
    CrossRef
  25. RDA (Rural Development Administration) (2001) Revision notice on the standard of Ginseng cultivation method (Notice 2001-8). Suwon, Korea
  26. Shin YK, Jo JS, Cho MC, Yang EY, Ahn YK, Hwang ID, Lee JG (2021) Application of Chlorophyll Fluorescence Parameters to Diagnose Salinity Tolerance in the Seedling of Tomato Genetic Resources. Journal of Bio-Environment Control 30(2):165-173
    CrossRef
  27. Snider JL, Collins GD, Whitaker J, Perry CD, Chastain DR (2014) Electron transport throught photosystem II is not limited by a wide range of water-deficit conditions in field grown Gossypium hirsutum. Journal Agronomy and Crop Science 200(1):77-82
    CrossRef
  28. Strauss AJ, Krüger GHJ, Strasser RJ, Heerden PDRV (2006) Ranking of dark chilling tolerance in soybean genotypes probed by the chlorophyll a fluorescence transient O-J-I-P. Environmental and experimental botany 56(2):147-157
    CrossRef
  29. Streb P, Aubert S, Gout E, Feierabend J, Bligny R (2008) Cross tolerance to heavy-metal and cold-induced photoinhibiton in leaves of Pisum sativum acclimated to low temperature. Physiology and molecular biology of plants 14(3):185-193
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  30. Vu NT, Choi KY, Kim IS (2014) Effect of water content in the substrate of the scion and rootstock during pre-and post-grafting period on the survival rate and quality of tomato plug seedlings. Protected Hort Plant Fac 23(3):199-204
    CrossRef
  31. Yang EY (2017) Studies on Physiological and Genetic Characteristics and Breeding of Waterlogging Tolerancein Pepper (Capsicum annuum L.). Doctoral Dissertation, University of Seoul


September 2022, 49 (3)
Full Text(PDF) Free

Social Network Service
Services

Cited By Articles
  • CrossRef (0)

Funding Information
  • CrossMark
  • Crossref TDM