건조 스트레스에 따른 황칠나무 유묘의 광합성과 수분특성인자 변화

서 언

최근 몇 년간 지속된 가뭄으로 전국이 많은 피해를 받고 있 으며, 특히 봄철은 식물의 생장이 가장 왕성한 시기로 이때의 가뭄은 식물의 정상적인 생육과 생산성에 큰 피해를 입힐 수 있다. 2017 년의 경우 전남, 경남 및 제주도 등 우리나라 남 부지역에서 봄철에 해당하는 2 - 5 월에 전년도 대비 약 34 - 48% 수준의 매우 적은 총 강우량을 보여 많은 피해를 겪었다 (KMA, 2018).

가뭄으로 인해 나타나는 토양수분 결핍은 식물의 지속적인 생존을 위협하면서 다양한 형태적, 생리적 변형을 이끌어낸다 (Hopkins, 1999). 건조 스트레스로 인해 나타나는 손상은 광합 성 기구의 기능 저하, 엽육세포의 탈수, 건조한 원형질의 대사 적 기능장애 등 세포내부의 광범위한 붕괴를 초래시킬 수 있 다 (Kwon et al., 2003; Taiz and Zeiger, 2006; Hopkins and Hüner, 2008).

많은 식물들은 삼투조절, 용질의 축적으로 건조 스트레스에 대처하는데 그 결과 더 큰 음의 수분퍼텐셜은 물의 이동을 유 지하게 해주고 결국 잎의 팽압을 유지하게 만든다 (Hopkins and Hüner, 2008). 그러나 이러한 건조 스트레스에 대응하는 전략이나 능력은 식물종 마다 차이가 있으며, 이들의 적응 기 작을 밝히고 영구고사점에 도달하는 기준을 밝히는 것은 건전 한 생육을 유지시키는데 필수적이다.

두릅나무과의 상록교목으로 완도, 거제도 등 우리나라의 남 부 해안 지역과 제주도 등 온화한 기후에 자생하는 황칠나무 (Dendropanax morbifera Lev.)는 우리나라 1 속 1 종의 특산 수종이며 흔히 수피에 상처를 내면 나오는 노란색 수지액을 황칠이라고 부른다 (Bae et al., 2009).

이 황칠나무의 수액은 오래전부터 천연도료로 이용되어 왔 으며, 생리활성을 증진시키는 각종 유용물질을 함유하고 있어 경제적가치가 높은 수종으로 평가된다 (Chun et al., 2010). 그동안 황칠나무에 관한 연구는 대부분 황칠나무 추출물을 이 용한 항당뇨 (An et al., 2014), 항산화 활성 (Lee et al., 2015), 항암활성 (Hyun et al., 2013), 미백활성 (Park et al., 2013), 고혈압 억제효과 (Jo and Lee, 2016) 등 생리활성이나 기능성 식품소재에 관해 이루어졌으나 다양한 환경요인에 따 른 생리적 반응, 생장특성 등 적지생육 조건에 대한 연구는 거의 이루어지지 않은 실정이다.

본 연구는 최근 남부지역에 재배가 늘어가고 있는 황칠나무 를 대상으로 인위적인 건조 스트레스에 따른 광합성 반응과 수 분부족에 대응하기 위한 방어기작을 조사하여 건전한 생육을 위한 적절한 수분공급의 기초자료를 제공하고자 수행하였다.

재료 및 방법

결과 및 고찰

1. 수분불포화도, 엽록소 함량 및 엽록소 형광반응 변화

건조 스트레스 처리기간의 평균기온은 19.1℃, 상대습도는 57.4%였으며, 실험기간 중 4월 21일부터 25 일 까지 4 일간 온실 외부의 강우로 인해 상대습도가 비교적 높게 나타났다 (Fig. 1).

Fig. 1

Changes of air temperature and relative humidity during the experimental period.Data were represented as the daily averages.

인위적인 단수처리를 통해 토양수분함량 (SWC)은 점진적으 로 감소하였는데, DS 7 부터 DS 14 기간에 비교적 큰 폭으 로 감소하였으나 DS 21 이후부터는 유의적인 변화를 보이지 않았다.

Hur (2010)에 따르면 사양토 (sandy loam)의 경우 과습되 기 직전의 토양수분장력은 –10 kPa 수준으로 이때 토양수분함 량은 22.1%로 나타났으며, 약간 건조한 상태인 –50 kPa에서는 15.6%, 건조한 조건인 ^–100 kPa에서 12.8%의 토양수분함량을 나타낸다고 보고하였다. 본 실험의 경우 DS 7 에서는 토양수 분함량이 26.2%로 비교적 과습한 상태였으나, DS 14 에서는 토양수분함량이 10.2%로 감소되어 토양수분장력의 감소에 따 른 건조 스트레스가 크게 증가됨을 알 수 있었다.

수분불포화도 (WSD)는 잎의 수분상태를 나타내는 유효한 지표로서 잎의 수분포텐셜의 감소와 높은 상관관계를 가진다 고 알려져 있다 (Lee et al., 1996, 2014). 토양수분함량 감소 에 따라 황칠나무 (Dendropanax morbifera Lev.) 잎의 WSD 는 증가하였으며, 단수처리 시작시점인 DS 1 에 비해 DS 28 의 WSD는 약 19.1 배 증가한 것으로 나타났다. 특히 DS 21 이후의 WSD 증가폭이 두드러져 이 시기 토양수분함량 감 소에 따른 잎의 수분불균형이 심해지는 것을 알 수 있었다.

일반적으로 식물이 스트레스를 받게 되면 초기형광 Fo는 증 가하고 최대형광 Fm은 감소하는 경향을 나타내는데 이를 통 해 Fo/Fm비 및 광화학반응효율 (Fv/Fm) 등은 환경스트레스의 중요한 지표로 사용되고 있다 (Rascher et al., 2000). 특히 Fv/Fm의 감소는 과도한 들뜬에너지의 처리능력을 저해시켜 산 화적 스트레스를 유발하는 것으로 알려져 있다 (Wise and Naylor, 1987).

황칠나무 잎의 경우 단수처리 초기인 DS 7 까지는 큰 변화 가 없었으나 토양수분함량이 12.5% 이하로 감소된 DS 14 이 후 Fo/Fm의 증가 및 Fv/Fm의 감소가 유의적인 변화로 나타 났다. 건조 스트레스 처리에 따른 엽록소 함량 (SPAD) 변화는 편차가 커 통계적인 유의성을 확인하지 못하였다 (Table 1).

Table 1

Changes of soil water contents (SWC), water saturation deficits (WSD), SPAD, Fv/Fm and Fo/Fm of Dendropanax morbifera by drought stress.

2. 광합성 및 기공반응

건조 스트레스의 증가에 따른 황칠나무의 광합성 관련 생리 적 변화를 Fig. 3 에 나타냈다. 단수처리 초기인 DS 1 에 비 해 DS 7 에서는 최대광합성속도 (P_{N max}), 기공증산속도 (E), 기공전도도 (g_s) 등이 큰 변화를 보이지 않았으며, 오히려 최 대광합성속도와 기공증산속도가 약간 증가하는 경향을 보였다.

그러나 가시적으로 잎의 팽압이 저하되는 것으로 관찰되었 던 (Fig. 2) DS 14 이후 전반적인 광합성 반응이 감소하는 것으로 나타났으며, DS 28 에서 측정된 최대광합성속도는 1.0 μmol·CO₂·m^–2·s^–1로 DS 1 의 3.5 μmol·CO₂·m^–2·s^–1에 비 해 약 28% 수준이었다. 이후 단수처리 30 일경 재측정하였으 나 유의미한 광합성 반응이 나타나지 않아 고사에 이른 것으 로 생각되었다. Fig. 3

Fig. 2

Comparison of visual damage of Dendropanax morbifera as affected by drought stress.(A); before stopping the supply of water, (B); 14 days, (C); 28 days. After stopping the supply of water.

Fig. 3

Changes of photosynthetic parameters of Dendropanax morbifera by drought stress (on PPFD 1,000 μmol·m–2·s–1).(A); maximum photosynthetic rate, (B); stomatal transpiration rate, (C); stomatal conductance, (D); water use efficiency, (E); intercellular CO2 concentration, (F); and stomatal limitation of Dendropanax morbifera by drought stress (on PPFD 1,000 μmol·m–2·s–1). Each point is expressed as the means ± SD (n = 10). Different letters indicated significantly different from WS 1 and P values were calculated by using paired t-test (*is p ≤ 0.05 and **is p ≤ 0.01).

기공증산속도와 기공의 개폐를 측정하는 수단인 기공전도도 (Hopkins, 1999)의 경우 DS 21 과 DS 28 에 측정된 값이 큰 차이가 없어 DS 21 시점에 건조 스트레스에 대응하는 기 공조절이 한계에 이른 것으로 생각된다. 엽육세포내 CO₂ 농도 (Ci) 역시 급격히 감소하여 건조 스트레스가 지속됨에 따라 광 합성을 수행하는데 필요한 가스교환이 원활히 이루어지지 않 고 있음을 알 수 있다.

이러한 결과는 건조 스트레스 초기인 DS 1 에서 기공제한 (Ls)이 41.5%이었으나 DS 28 에는 78.7%로 증가된 경향을 통해서도 알 수 있는데, 건조 스트레스가 지속됨에 따라 체내 의 수분손실을 줄이기 위한 기공전도도 감소가 이루어졌으며, 대기 중 CO₂를 엽육세포로 확산시키는 가스교환 과정 또한 영향을 받은 것으로 알 수 있다.

수분이용효율 (WUE)의 경우 DS 21 에서 비교적 큰 증가 를 보이다가 DS 28 이 되면서 급격히 감소하였는데 체내의 수분손실을 줄이면서 광합성은 효율적으로 유지하기 위해 일 시적으로 수분이용효율을 높였으나 토양수분함량이 약 6% 수 준으로 (Table 1) 극심한 건조 스트레스가 지속되면서 기공닫 힘으로 인한 엽육내 CO₂의 고갈 및 대사장애 등이 나타난 것 으로 생각된다 (Hopkins, 1999; Taiz and Zeiger, 2006).

3. 수분특성인자

P-V곡선법을 통해 건조 스트레스 처리 직후인 DS 1 과 극 심한 스트레스로 인해 고사 직전인 DS 28 의 수분특성인자를 비교하여 Table 2에 나타냈다.

Table 2

The effects of drought stress on water relations parameters in Dendropanax morbifera.

토양수분부족으로 인한 잎의 수분포텐셜 저하는 초기에 기 공조절로 인한 단순한 광합성속도 감소에 그치지만 극심한 스 트레스를 지속적으로 받게 되면 팽압을 상실하고 영구위조점 에 도달하게 되어 고사하게 된다 (Han and Kim, 1980).

따라서 건조 스트레스 하에서 팽압을 유지할 수 있는 능력 은 내건성의 중요한 기작으로, 식물은 세포내 용질 농도의 증 가를 통해 삼투포텐셜의 저하를 일으키는 삼투적 적응 (osmotic adjustment)과 세포벽의 탄성을 증가시키는 탄성적 적응 (cell-wall elastic adjustment)으로 팽압을 유지하고 있다 (Davies and Lakso, 1979; Fan et al., 1994).

이러한 삼투적 적응과 탄성적 적응은 서로 독립적으로 나타 나며, 삼투적 적응만 하거나 탄성적 적응만 수행하는 식물도 있다 (Fan et al., 1994; Marshall and Dumbroff, 1999; Lemcoff et al., 2002).

황칠나무의 경우 초기원형질 분리시의 삼투포텐셜 (Ψ_o^tlp)과 최대포수시의 삼투포텐셜 (Ψ_o^sat) 모두 건조 스트레스로 인해 감소하였는데 각각 –0.13MPa, –0.3 MPa의 삼투적 적응을 보 였다. 일반적으로 삼투조절이 이루어지는 동안 용질은 서서히 축적되고, 삼투 조절로 인한 삼투포텐셜의 감소는 –1.0MPa 이내로 알려져 있는데 (Hopkins, 1999), 황칠나무 역시 삼투포 텐셜의 감소가 –0.3 MPa를 넘어서지 않았다. 그러나 비교적 낮은 삼투조절이라도 건조 스트레스의 순응에 매우 중요한 역 할을 하며, 특히 물의 공급이 재개되면, 팽압이 회복하는데 도 움을 줌으로 기공을 열어 광합성에 필요한 CO₂를 계속 흡수 할 수 있도록 한다 (Hopkins, 1999).

삼투적 적응은 건조 스트레스에 대한 일반적인 반응이지만 모든 식물이 용질의 농도를 조절할 수 있는 것은 아니며, Lupinus atlanticus 등 Lupinus속 3 종의 식물은 뿌리의 삼투적 적응은 거의 없었다 하였고 (Turner, 1986), Vigna unguiculata 역시 삼투 조절이 거의 일어나지 않는 것으로 알려져 있다 (Shackel and Hall, 1983).

잎의 최대탄성계수 (E_max)가 높을수록 건조한 토양에서 수분 흡수율을 증가시켜 건조 스트레스에 높은 대응력을 가지는데 (Pardos et al., 2005), 황칠나무의 경우 유의적인 차이를 보이 지 않아 탄성적 적응이 나타나지 않았으며, 주로 삼투적 적응 에 의해 건조 스트레스에 대응하는 식물임을 알 수 있었다. 일반적으로 삼투조절에 관여하는 용질은 정상적인 물질 대사 과정을 심하게 방해하지 않는 특징을 가지는데 K>⁺와 같은 무 기이온을 비롯하여 프롤린 (proline), 당 알코올 (sugar alcohol) 등이 대표적인 삼투 조절 물질로 알려져 있다 (Hopkins, 1999).

초기원형질분리점에서의 상대함수율은 총 함수량 대비 상대 함수율 RWCsat과 총 삼투수량 대비 상대함수율 RWC^tlp 두 가 지로 나타낼 수 있는데 일반적으로 RWC^tlp이 높을수록 삼투 조절 기능이 좋다고 여겨진다 (Kwon et al., 2003; Taiz and Zeiger, 2006). 황칠나무의 경우 RWC^tlp이 다소 감소한 것으로 나타났으며, 이는 수리취와 유사한 결과를 보였다 (Lee and Lee, 2017).

Va/Vt는 세포내의 수분총량 (Vt)에 대한 세포막을 자유롭게 이동할 수 없는 apoplastic water (Va)의 비율을 의미하는데 (Turner, 1988), WS 28에서 WS 1에 비해 약 1.5 배 증가하 여 식물이 이용할 수 있는 수분의 비율이 상대적으로 줄어들 었음을 알 수 있다.

건중량당 삼투수량의 크기를 나타내는 Vo/DW는 Ψ_o^tlp, Ψ_o^sat 와 더불어 삼투적 적응을 나타내는 지표라고 알려져 있으며 (Miki et al., 2003), 건조 스트레스가 심한 계절에는 Vo/DW 의 값이 낮아지는데 (Deligöz, 2012), 황칠나무 역시 인위적인 건조 스트레스로 인해 Vo/DW값이 다소 감소한 것을 알 수 있었다. 삼투수량에 녹아있는 용질의 osmole 수 (Ns/DW), 건 중량당 수분총량 (Vt/DW) 및 메트릭포텐셜 (Ψm)은 유의적인 변화를 나타내지 않았다 (Table 2).

위의 결과를 통해 황칠나무는 토양수분함량의 감소로 잎의 수분불포화도 및 Fo/Fm이 높아지는 등 건조 스트레스가 증가 되었으며, 광화학반응효율과 최대광합성속도 역시 지속적으로 감소하였다. 황칠나무는 건조 스트레스에 견디기 위해 기공전 도도를 낮추면서 기공증산속도를 약 80% 이상 감소시켰으며, 수분이용효율을 최대 2.6 배까지 높여 효율적인 광합성이 이 루어지도록 반응하였고, 최대 –0.3MPa의 삼투포텐셜을 낮추 는 삼투적 적응을 통해 세포의 팽압을 유지하고자 하였다.

그러나 토양수분함량이 6.2%수준까지 감소하면서 기공전도 도, 기공증산속도, 엽육세포내 CO₂함량 등이 매우 낮은 값을 나타내어 기공조절이 한계에 이르렀으며, 이후 약 일주일간 지 속적인 건조 스트레스에 대응하였으나 잎의 수분불균형이 매 우 극심해져 종래에는 고사에 이르렀다.

결과적으로 황칠나무는 삼투적 적응을 통해 팽압을 유지하 는 식물로서 토양수분함량이 6% 이내로 감소한 상태에서 기 공조절 능력 및 광합성 활성의 저하가 크게 나타나고, 생육을 유지하기 위해서는 이 시기 관수 등 적극적인 수분공급을 통 해 건조한 환경을 개선해야 함을 알 수 있었다.

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