봄파종을 위한 인삼 종자 저장 적정 온도 연구

1. 종자 저장

본 실험에 쓰인 종자는 2018년 (Table 1, 2), 2017년 (Fig. 1), 또는 2016년 (Fig. 3) 가을에 재래종 종자를 수확하여 개갑한 후 저온 저장고에 저장하였다가 이듬해 봄에 파종을 하였다. 종자 건조도가 저장성에 영향을 미친다고 하였으므로 (Suh et al., 2017, 2018) 시험에 따라 종자를 건조시켜 종자수분함량을 조절하고 종자를 지퍼백에 담아 스티로폼 상자에 넣어 저장고에 저장하였다 (Table 1).

Table 1.

Seed moisture content used for each experiment.

Table 2.

Germination characteristics for ginseng seedlings depending on the endocarp dryness and temperature during storage in winter.

Fig. 1.

Emergence rate of ginseng seeds depending on the seeding date.Left Axis; bar indicates emergence rate. Data presented are means ± SE of 4 replicates. *Means on the bar followed by the same letters are not significantly different based on the Duncan’s Multiple Range Test (DMRT, p < 0.05). Right axis; dot indicates average air temperature (■) and average of daily maximum air temperature (▲) for three weeks after sowing. †A1D; acclimation for 1 day. ‡A1W; acclimation for 1 week, *A2W; acclimation for 2 weeks.

파종 시기를 조사하기 위한 2017년 수확종자는 내과피를 반정도 건조시킨 후 (Half-Dry)에 -3.5℃ 저장고에 넣어 보관하였고, 저장 온도를 조사한 2016년과 2018년도 수확 종자는 무건조 (Wet)와 내과피를 완전 건조 시킨 상태로 (Dry) 각 온도, 즉 2℃, -2℃, 그리고 -3.5℃ 저장고에 넣어 보관하였는데, 2℃와 -3.5℃는 저장고 (Serbingo, Cheonan, Korea)를 사용하였고 -2℃는 김치 냉장고 (LG Electronics Inc., Seoul, Korea)를 사용하였다. 데이터로거 (T&D Co., Matsumoto, Japan)를 통해 실제 온도를 측정하였을 때 2℃, -2℃, 그리고 -3.5℃ 저장고의 실측치는 각각 2.4 ± 0.2℃, -2.1 ± 0.4℃, -3.8 ± 0.2℃이였다.

2. 파종

종자 파종은 국립원예특작과학원 인삼특작부에 설치된 비닐하우스와 유리온실에서 수행하였다. 비닐하우스는 90% 차광율을 가진 검정 차광막을 쳐서 광량을 조절하였고, 유리온실은 18℃ - 28℃을 유지하는 것을 목표로 하여 상부차광커튼과 하부 보온커튼, 지열 냉·난방 시스템을 이용하여 일사량과 온도를 조절하였다.

파종 시기별 출아율 조사는 2017년 11월과 2018년 3월 - 4월에 비닐하우스에 파종하였다. -3.5℃ 저장고에서 꺼낸 종자를 3 일간 2℃에 보관하였다가 파종 전 4 시간 침지 후 파종하였다. 51 ㎝ (W) × 33 ㎝ (L) × 20 ㎝ (H) 크기의 화분에 인삼 전용상토 (Hwanggmpuri, Nongkyung Co., Jincheon, Korea)에 3 ㎝ × 3 ㎝ 간격으로 파종 후 난괴법 4 반복으로 배치하였다.

저장온도 시험은 2019년 3월과 2016년 7월에 유리온실에 파종하였다. 종자를 각 저장고에서 꺼내 물에 24 시간 침지하여 2℃에서 2 주간의 순화과정을 거친 후 32 ㎝ (W) × 22 ㎝ (L) × 7 ㎝ (H) 화분에 위와 같은 방법으로 파종 후 난괴법 4 반복으로 배치하였다. 유리온실에서 시험한 경우 기온이 높아 발아에 불리할 수 있어 10℃ - 15℃로 유지되는 식물생장상 (WISE Control Inc., Seoul, Korea)에 2 주간 LED (LEO Co., Ltd., Cheongju, Korea)로 12 시간씩 백색광을 공급하며 배양하다가 온실로 이동하였다. 파종 후에는 물을 충분히 주어 수분함량이 35% (v/v) 이상이 되게 하였고 이후 상면이 건조하면 관수하였다.

3. 생육 특성 조사

출아율 (emergence rate, ER)은 파종 종자 수 대비 지상부가 출아한 수의 백분율을 구하였고 미개갑 종자가 있을 경우 개갑율로 나누어 출아율을 보정하였다. 평균발아일수 (mean germination time, MGT)는 MGT = Σ(t_i× n_i)/N의 식을 이용하였는데 t_i는 치상 후 조사일수, n_i는 조사일 출아수, N은 총출아수이며, 발아균일지수 (germination performance index, GPI)는 GPI = ER/MGT × 100으로 구하였다.

2019년 수행한 저장 온도 시험구의 경우 파종 후 2 개월에 생육조사를 하였으며. 엽록소 함량은 엽색계 (SPAD-502Plus, Konica Minolta Inc., Tokyo, Japan)를, 엽면적은 WindDIAS image analysis system (Delta-T Devices Ltd., Cambridge, England)을, 근장은 디지털 캘리퍼스 (Caliper 500-182, Mitutoyo Co., Kawasaki, Japan)를 이용하여 측정하였다. 지상부 무게는 잎과 줄기무게를, 근중은 뿌리 전체 무게를 전자저울 (Re260, CAS Co., Ltd., Sungnam, Korea)을 이용하여 측정하였다.

4. 기상 분석

동절기 지역 별 기온과 지중 온도를 분석하기 위해 기상청 (KMA, 2019)에서 제공하는 기상관측 정보를 활용하였는데, 기온은 지상에서 0.5 m 높이의 온도를 조사하였고 지중온도는 종자 파종 후 종자 위치에 해당하는 지중 5 ㎝ 깊이의 온도를 조사하여 월별 평균온도를 구하였다.

가을 파종을 한 모포의 지온을 측정하기 위해 2017년 11월 말에 충북 지역의 모포에 토양 센서 (SMEC 300, Spectrum Technologies Inc., IL, USA)를 두둑 내 종자가 위치한 약 5 ㎝ 깊이에 묻었으며 데이터 로거 (Watchdog 1000, Spectrum Technologies Inc., IL, USA)에 연결하여 온도를 측정하였다. 두둑은 짚으로 덮고 비닐을 피복하였다.

5. 통계처리

인삼의 출아율과 생육 조사 결과의 통계분석을 위하여 SAS v9.2 (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)을 이용하여 ANOVA분석 (Analysis of Variance)을 수행하였으며, DMRT (Duncan‘s Multiple Range Test) 5% 수준에서 일원분산분석과 이원분산분석을 하여 유의성을 검증하였다 (p < 0.05). 생육 조사 결과는 반복 당 15 개체의 평균을 구하고 반복들 간의 통계처리를 하였다.

1. 파종 시기에 따른 종자 출아율

가을 파종 대조구는 2017년 11월에 파종하였고, 같은 종자를 -3.5℃에 저장하였다가 2018년 봄에 10 일 간격으로 파종을 하여 출아율을 비교하였다. 가을에 파종 한 종자의 경우 73.1%의 출아율을 보인 반면 2018년 3월 2일 파종한 종자는 24.8%에 그쳤다 (Fig. 1). 이후 파종시기가 늦어질수록 출아율도 낮아져서 4월 12일은 0.2% 출아하였다.

봄파종 전에 2℃에 1 주 - 2 주 저장하였다가 파종할 경우 출아율이 증가한다고 하였는데 (RDA, 2017, Suh et al., 2017), 본 시험에서는 3월 12일 파종분 중 1 주일 순화구는 (3/22-A1W) 무처리 대비 약 3.5 배 출아율이 증가하였으나 여전히 저조하였으며, 4월 12일 파종분 중 2 주일 순화구도 (4/12-A2W) 무처리 대비 20 배 이상 높아졌지만 출아율이 향상되었다고 할 수는 없었다 (Fig. 1).

파종 후 출아하는데 소요되는 시간을 감안하여 파종일로부터 3 주간의 평균 온도를 조사하였는데 (KMA, 2019), 3월 2일은 5.3℃, 3월 12일은 8.4℃, 3월 22일은 10.2℃이였으며, 3월 2일과 3월 12일의 최고 기온은 각각 11.9℃와 15.9℃이였다. 이것은 3월 초 봄파종 출아율 하락 원인을 파종기 온도로 해석하는 것은 문제가 있으며, 더불어 본 실험 결과는 파종시기에 따른 출아율을 조사하기에는 적절하지 않다고 판단되었다.

종자 염색법을 이용한 예비 실험결과는 종자 활력은 문제가 주요 원인이 아니었던 것으로 생각되었다. 종자 발아 시 수분공급이 중요한데, 본 연구에서는 모든 처리구에서 파종 후 토양수분은 35% 정도가 되도록 충분히 관수하였고 일정정도의 답압도 가하였으므로 수분 부족은 원인에서 배제하였다.

각기 다른 연구에서 얻어진 결과이지만 선행 연구에서 -2℃에 저장한 종자에 비해 (Suh et al., 2017) -3.5℃에 저장한 종자의 출아율이 낮았던 점을 고려하면 (Suh et al., 2018), 파종 시기 시험에 사용한 종자의 저장 온도가 문제가 되었을 것으로 추측되어 저장 온도가 발아에 미치는 영향을 조사할 필요가 있었다.

2. 종자 저장온도에 따른 출아 특성 조사

적정 온도 시험 전에 가을 파종 후 종자가 겪는 온도를 알아볼 필요가 있었다. 2012년 12월에서 2017년 3월까지 동절기 기온과 지온을 조사하였을 때 익산과 오창의 경우 기온이 영하로 내려가도 지온은 0℃ 이상 이였으며 동절기 동안 0℃ - 3℃를 유지하였다. 철원의 경우는 기온이 다른 지역보다 낮았으며 동절기 지온도 영하로 떨어져 -3℃ - 0℃를 유지하였다 (Fig. 2A). 지역에 따라 온도는 다르지만 1월에 최저 기온을 보여주는 것은 공통적이었다. 한파가 닥쳤던 2017년 가을 파종을 한 음성 지역의 한 모밭의 종자 위치에서 지온을 측정한 결과 1월에 일평균 최저 -4℃를 기록하기도 하였지만 월평균은 -0.6℃에 머물렀으며 2월에는 다시 영상이 되는 온도 변화를 보였다 (Fig. 2B).

Fig. 2.

Average temperature in the air and soil during winter (2012 Dec - 2017 Mar) in Iksan, Ochang, and Cheolwon (A) and a ginseng nursery bed in Chungbuk (B).A; air temperature 0.5 m above from the ground and soil temperature 5 ㎝ beneath soil surface were obtained from the web site of KMA (2019). B; temperature 0.5 m from the ground and 5 ㎝ beneath soil surface in the ginseng nursery field were obtained using data logger.

Suh 등 (2017, 2018)의 결과와 지온 정보 (Fig. 2)를 토대로 볼 때 -3.5℃는 가을 파종 시 종자가 겪게 되는 온도보다 낮아 발아 장애를 일으킬 수 있다는 가설 하에 저장 온도의 영향을 조사하였다. 개갑이 끝난 인삼 종자를 2℃, -2℃, -3.5℃에 보관하거나 12월 까지 2℃에 보관하다가 이듬해 1월은 -3.5℃로, 다시 2월에 2℃로 저장하는 변온 처리를 한 후 출아율을 조사하였다.

전반적으로 종자 건조는 출아율에 영향을 주어 (p < 0.001) 내과피 건조구의 출아율이 높았으며, 저장 온도도 출아율에 영향을 주었지만 (p < 0.001) 저장온도에 따른 출아율 순위는 종자 건조 여부에 따라 달라 무건조 종자 중에서는 변온 처리구에서, 건조 종자 중에서는 -2℃ 저장구에서 출아율이 가장 높았다 (Table 2).

각 처리구별로 살펴보면 출아율이 가장 높은 것은 무건조 종자를 변온 (2℃ → -3.5℃ → 2℃)으로 저장한 처리구로써 91% 출아하였다. 다음 순으로 출아율이 높은 것은 내과피를 건조하고 2℃, -2℃, 변온에 저장한 처리구로 각각 81.5%, 86.6%, 81.0% 출아하였다. 2℃에 저장한 무건조 종자는 파종전에 발아를 시작하였었는데 파종 시 이들을 포함하여 무작위로 파종하였으며 이때 출아율은 73.6%에 그쳤는데, 이는 파종시기를 놓친 것으로 파종시기를 앞당기거나 더 늦어졌을 때는 출아율이 달라질 가능성을 배제할 수 없다. 무건조 상태로 -2℃에 저장한 종자는 70.4% 출아하여 2℃ 저장구보다 다소 낮았다. -3.5℃에 보관한 종자는 무건조구와 내과피 건조구 모두 출아율이 매우 저조하였으며 내과피 건조구가 무건조구 보다 높았다.

MGT도 종자 건조와 저장온도 및 이들의 교호 작용에 유의한 영향을 받았다 (Table 2, p < 0.01). 전반적으로 MGT는 무건조구가 내과피 건조구보다 짧았으며, 2℃ 저장구가 -2℃ 저장구보다 짧았다. 종자를 건조시키거나 0℃ 이하의 온도에 저장하는 것은 발아속도를 저하시키는 것으로 보인다. 변온 처리구는 무건조구와 내과피 건조구 모두 2℃ 저장구와 비슷한 것으로 조사되었다.

GPI도 종자 건조와 저장온도 및 이들의 교호 작용에 유의 한 영향을 받았다 (Table 2, p < 0.01). 2℃와 변온에서 무건조 상태로 저장된 종자들은 GPI가 각각 27.0%와 37.3%으로 같은 온도에서 저장된 내과피 건조 종자나, -2℃에 무건조 상태로 저장되었던 종자에 비해서도 높았다.

-3.5℃ 처리구는 MGT가 짧으면서 GPI도 낮았는데 특히 무건조 -3.5℃ 저장구의 GPI는 매우 낮아 0.5%밖에 되지 않았다. 이는 전반적으로 출아가 불량한 가운데 소수의 발아력이 좋은 종자들이 일부 발아하고 대부분은 제대로 발아하지 못해 발생한 것으로 보인다.

출아율만으로는 -3.5℃를 제외하면 무건조 또는 내과피 건조 상태와 상관없이 2℃, -2℃, 변온 조건 모두 양호하다고 할 수 있다. 그러나 MGT나 GPI 결과를 보면 2℃나 변온 조건에서 무건조 상태로 저장하는 것이 이후 묘삼의 균일성면에서 유리할 것으로 보인다. 특히 무건조 변온 처리구는 파종 전 발아를 방지하고 출아율, 발아 균일성 등에서 우수한 조건으로 판단된다.

파종 후 약 70 일에 생육 조사를 하였는데 엽록소 함량, 지상부 무게, 엽면적, 근장, 근중이 처리구간에 큰 차이를 보이지 않았으나, 내과피 건조구는 모든 항목에 대해 무건조구 보다 생육이 저조한 경향이었고 (p < 0.01), SPAD, 근장, 근중은 저장 온도에 영향을 받는 것으로 조사되었다 (p < 0.05) (Table 3). 2℃에 저장한 무건조구가 엽록소 함량을 포함한 모든 생육에서 가장 높은 값을 보여, 출아율이 높고 MGT, GPI는 유사하였던 무건조 변온 처리구에 비해 생육이 우수하였다.

Table 3.

Growth characteristics for ginseng seedlings depending on the endocarp dryness and temperature during storage in winter.

3. 변온 저장 변형

계절적 변온에 따른 저장 온도 시험을 수행하기 전에 2℃에 일정 시간을 저장하였다가 -3.5℃에 저장하는 2 단계 변온 시험을 수행한바 있었다. 개갑이 끝난 종자를 2℃에서 저장하였다가 -3.5℃로 옮겨 저장하는 시기를 달리하여 각각 11월 30일, 12월 20일, 1월 10일에 저장을 하였는데, 이때 종자 건조도와 상관없이 1월 10일 > 12월 20일 > 11월 30일 순으로 -3.5℃로 옮기는 시기가 늦춰질수록 출아율이 높았다. 이때 내과피를 건조하는 경우가 무건조 보다 출아율이 높은 결과를 얻었다 (Fig. 3). 수분이 높은 무건조 상태로 영하의 온도에 저장하면 시간이 경과할수록 점차 출아율이 감소하는 경향이 있는데, 이 시험에서 무건조구와 내과피 건조구의 차이가 큰 것은 이 시험이 7월에 수행되어 무건조 종자의 출아율이 더 많이 감소하였기 때문으로 보인다.

Fig. 3.

Emergence rate of endocarp wet and dry seeds stored at -3.5℃ after holding at 2℃ for different duration. Data presented are means ± SE of 4 replicates. Means on the bar followed by the same letters are not significantly different based on the Duncan’s Multiple Range Test (DMRT, p < 0.05).

휴면타파기간이나 발아 기간 동안 변온을 처리하는 것은 일정한 온도에 두는 것보다 발아를 촉진하는 결과를 낳기도 한다 (Christian and Goggi, 2012; Kumar et al., 2013; Duclos et al., 2014). 대부분의 변온 체계 (alternating temperature regime)는 밤낮의 일주기 안에서 이루어지는 온도 체계로써 본 연구에서 사용한 변온 체계는 이와 차이가 있다. 본 연구에서 시험한 변온은 계절 변화에 따른 변온 체계로써 가을에 노지에 파종된 종자가 겪게 되는 저온감응과 유사하다 (Kwon et al., 2001; Lee et al., 2016)(Fig. 2). 일부 농가에서는 저장고를 사용하지 않고 개갑이 끝난 후 종자를 개갑장에 보관하여 겨울을 지냈을 때 출아율이 높았다고 한다. 이 경우 개갑장내 일정 수분이 유지되면서 기온의 급격한 변화를 받지 않으면서 변온의 영향을 받았기 때문일 것으로 추측이 된다.

무건조-변온 처리구의 장점은 출아율 향상도 있지만, 2℃에 만 저장하는 것에 비해 약 한 달 정도 저장 중 발아를 지연시켜 선발아한 종자들이 파종 중에 손상되는 것을 방지할 수 있을 것으로 기대된다. 이는 -3.5℃ 저장으로 인해 생리적 현상이 둔화되어 출아를 지연시킬 수 있었기 때문인 것으로 추측된다. 본 연구에서 0℃ 저장의 영향에 대해서는 조사하지 못하였는데 앞으로 영하의 온도에서 인삼 종자의 휴면타파를 담보할 수 있는 온도 한계와 기간에 대한 좀 더 체계적인 연구가 필요하다.

인삼 종자 발아에 있어 영하의 온도에 저장할 경우 크게 두 가지 문제가 발생할 수 있는데 하나는 동결에 따른 피해와 휴면타파의 지연을 들 수 있다. 인삼 종자의 동결 한계 온도는 종자의 수분함량에 따라 다른데 -3.5℃ - -9.6℃에 분포한다고 한다 (Lee and Proctor, 1996). 동결에 따른 손상은 세포 내 수분이 얼었을 때 보다 해빙이 될 때 발생하게 되며 특히 동결과 해빙이 지속적으로 반복될 때 더 크게 발생하게 된다 (Lee and Proctor, 1996). 무건조 종자의 경우 -3.5℃보다는 Lee 등 (2016)과 같이 -2℃를 변온 체계로 사용하는 것이 더 안정성을 확보할 수 있을 것으로 보인다.

본 시험에서 동절기 저장에 영향을 주는 또 다른 요소는 종자 수분함량이었는데 Suh 등 (2017)의 연구 결과와도 일치한다. 인삼 종자는 건조에 민감하지만 적정 수분조건하에서는 장기 저장에도 도움을 주는 것으로 알려져 있다 (Lee et al., 2004; Proctor and Stechshyn-Nagasawa, 2008; Han et al., 2016). 종자 건조가 선발아를 억제하고 출아율을 담보해주며 장기간 저장에 유리하지만, 적정 수분함량으로 건조하는 것이 일반 농가에서 어려울 수 있으며 대량 건조 시 건조 균일성이 떨어지고, 건조 작업 및 파종 전 침지 작업 등으로 인해 노동시간을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있다. 변온 처리 역시 종자 저장에 있어 번거로움을 줄 수도 있으나 저장 중 발아를 막으면서 출아율과 출아 균일성을 높여 줄 수 있으므로 봄파종을 위한 저장 조건이 될 수 있을 것으로 생각된다.

위 결과를 통해 봄파종을 위해 인삼 종자를 저온 저장할 경우 저장 온도가 -2℃ 이하로 내려가지 않도록 주의를 기울여 야 하며, 좀더 높은 안정 입모율을 위해 변온 저장을 제시하고자 한다. 또한 저온창고가 크거나 환기가 원활이 이루어지지 않으면 위치에 따라 온도차가 생기며, 설정온도와 실측온도와의 차이가 심할 경우 저장이 종자의 생리적 상태가 봄파종에 부적합할 수 있기 때문에 저장고 내 온도 관리에 주의를 기울일 필요가 있다.