수경재배 양액조건이 2년생 인삼의 생육 및 진세노사이드 함량에 미치는 영향

1. 실험재료 및 처리

본 실험은 2014년 9월부터 2015년 2월까지 농촌진흥청 인 삼특작부 유리온실에서 실시하였다. 시설 내부 온도관리는 지 열 냉난방 시스템 (Turboenergy, Jeungpyeong, Korea)를 이용 하여 15 - 20℃ 범위를 목표로 관리하였고 내부온도가 30℃ 이 상 되었을 때에는 상부 차광커튼과 하부 보온커튼을 알맞게 조절하여 광량을 낮추고 일사량 유입을 줄였다. 흑색 차광망 을 설치하여 광 투과율을 10 - 15%로 조절하였다. 길이 50㎝, 폭 38㎝ 그리고 높이 25㎝의 스티로폼 포트에 피트모스 69.0%, 펄라이트 30.0% 및 퇴비 0.1%의 조성을 갖는 상토 (Nongkyung, Jincheon, Korea)를 시중에서 구입하여 넣었고, 3월에 채굴하여 0.8 - 1.0 g의 무게로 선별한 후 6개월간 저장 한 자경종 묘삼을 재식거리 8㎝ × 8㎝로 9월 12일에 이식하 여 처리당 5반복으로 수행하였다.

양액의 pH 및 EC실험을 위해 본 실험에서는 다량원소는 N 6.0, P 1.5, K 4.0, Ca 2.0, Mg 1.0㎎• L⁻¹, 미량원소는 Fe- EDTA 3.0, B 3.0, Mn 2.0, Zn 0.1 Cu 0.05, Mo 0.02㎎• L⁻¹으로 조제하여 사용하였다. 양액의 pH는 pH meter (Mettler Toledo, Schwerzenbach, Zürich, Switzerland)를 사용 하여 pH 5.0, 5.5, 6.0, 6.5로 조절하였으며 이때의 EC는 0.8 dS/m으로 유지하였다. EC는 EC meter (Mettler Toledo, Schwerzenbach, Zürich, Switzerland)를 사용하여 0.68, 0.84, 1.23, 1.41 dS/m 조절하였는데, 이 값은 조제한 양액의 EC 농 도인 2.1 ± 0.1 dS/m에 약 33, 44, 55, 66%에 해당하는 농도 이다. 이때의 pH는 5.5 ± 0.5로 유지하였다. 처리별 배양액은 포트당 200 ㎖씩 주1회 관주하였다.

인삼 (Panax ginseng C. A. Meyer)의 생육특성은 양액 처 리 약 45일 후인 10월 28일, 약 90일 후인 12월 11일 그리 고 약 135일 후인 2015년 1월 23일에 지상부와 지하부로 나 누어 처리별 10개체씩 3반복으로 조사하였다. 지상부 특성 중 경장은 뇌두 바로 위부터 잎자루 착생부까지의 길이를 측정하 였고 엽장과 엽폭은 각 개체당 가장 큰 잎의 길이와 폭을 측 정하였다. SPAD 값은 엽색계 (Konica Minolta, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였고 지상부 생체중은 잎과 줄기의 무게를 측정하였다. 지하부 특성 중 근장은 뇌두 바로 아래부 터 가장 긴 뿌리 끝까지의 길이를 측정하였고 근직경은 개체 당 가장 굵은 부분을 버니어캘리퍼스 (Mitutoyo, Kawasaki, Japan)로 측정하였으며, 근중은 주근과 지근을 모두 포함한 생 체 무게를 측정하였다.

2. 상토 화학성 분석

상토 화학성 분석을 양액 처리 45일과 90일 후의 상토를 채취한 후 농촌진흥청 농업과학기술원 토양화학 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여, pH, EC, NO₃-N,유기물, 유효인산, 치환성양이온 K, Ca, Mg, Na 등을 분석하였다. 상토 pH와 EC는 초자전극법을 이용하여 측정하였고, NO₃-N 분석은 풍건 상토 20㎖을 100㎖ 삼각플라스크에 넣고 2M KC1 50㎖를 가하여 30분간 진탕한 후 No. 2 여과지로 여과한 후 Auto analyzer (Bran Luebbe, Norderstedt, Germany)로 자동비색 정 량하였으며, 유기물 분석은 Tyurin법 (Tyurin, 1931)으로 측정하 였다. 유효인산함량은 Lancaster법으로 측정하였고, 치환성 양 이온 (K, Ca, Mg, Na)은 토양 5 g에 1 N-NH₄OAc (pH 7.0) 완충용액 50㎖를 넣고 30분간 진탕한 후 침출 및 여과하여 ICP OES (GBC Scientific, Braeside, Australia)로 측정하였다.

3. 식물체 분석

식물체 분석은 양액 처리 90일 후에 분석하였다. 시료 전처 리를 위해 Microwave digestion system (CEM, Matthews, NC, USA)을 사용하였다. microwave vessel에 분말시료 0.25 g 을 칭량한 다음 60% 질산 (Junsei, Tokyo, Japan) 10㎖를 가 한 후 용기를 밀폐하고 15분간 180℃까지 상승시킨 후 5분간 온도 유지, 10분간 240℃까지 상승시킨 후 분해하였다. 분해가 완료되면 vessel을 실온까지 내놓아 식힌 다음, 50㎖ 메스플라 스크에 깔때기와 No. 6 여과지로 여과한 후 ICP OES (GBC Scientific, Braeside, Australia)를 이용하여 무기성분 함량을 측 정하였다.

4. Ginsenoside 분석

양액 처리 45일, 90일 그리고 135일 후 묘삼의 지상부 및 지하부를 채취하여 10종의 진세노사이드를 분석하였다. 진세 노사이드 표준품 10종은 Re, Rg1, Rf, Rb1, Rg2, Rh1, Rc, Rb2, Rb3, Rd (Chroma Dex, Santa Anna, CA, USA)를 사 용하였다. 진세노사이드 분석을 위해 인삼 분말시료 0.2 g과 70% MeOH 2㎖를 넣고 잘 혼합한 후 50℃에서 30분 동안 초음파 추출한 뒤 4℃, 13,000 rpm에서 15분 동안 원심분리 하여 얻은 상등액을 2㎖ tube에 취한 다음 1㎖를 Sep-Pak C18 cartridge를 이용하여 정제한 후 추출액을 0.45㎛ membrane filter로 여과하여 분석시료로 사용하였다 (Kim et al., 2008). 진세노사이드 함량은 Agilent 1100 series HPLC system (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)을 이 용하여 측정하였고 이동상의 유속은 0.5 - 0.8 ㎖/min, 칼럼온 도는 50℃, UV 검출기의 파장은 203㎚였다. 분석을 위한 column은 Halo RP-amide column (4.6 × 150㎜, 2.7㎛, Wilmington, DE, USA)을 사용하였다.

5. 통계처리

모든 분석은 Statistical analysis system (SAS v9.2 SAS Institute inc., Cary, NC, USA)을 이용하여 분산분석 (ANOVA) 을 실시한 후 Duncan’s Multiple Range Test (DMRT)로 유 의성을 p < 0.05 수준에서 검증하였다.

1. 배양액의 , EC에 따른 인삼의 지상부 및 지하부 생육특성

양액 수준에 따른 인삼 (Panax ginseng C. A. Meyer)의 생육특성을 시기별로 조사한 결과는 Table 1과 같다. 처리 45 일 후에는 처리한 양액의 pH가 5.0에서 6.5로 높아질수록 경 장 및 지상부 생체중이 감소하는 경향을 보였다. 특히 지상부 생체중은 양액의 pH가 5.0일 때 1.90 g으로 가장 높았고 pH 6.5일 때 1.48 g으로 가장 낮았다.

Table 1

Growth characteristics of 2 year old Panax ginseng grown for 45, 90 and 135 DAT with different levels.

뿌리 세포의 효소 활성이 H⁺의 농도에 영향을 받고 pH가 높고 낮음에 따라 가시적인 장해를 나타내지는 않아도 생육에 영향을 미치며, pH가 낮아짐에 따라 옥신이나 사이토키닌의 활성이 낮아져 발근이나 뿌리신장이 나쁘다고 보고되었으나 (Taro, 1982) 본 실험에서는 처리한 양액의 pH 수준에 따른 근장의 증가 및 감소에 대한 일관된 경향은 없었다. 근중은 pH 5.5 처리일 때 1.87 g으로 가장 높았으며, pH 6.5 처리일 때 1.26 g으로 가장 낮았다. 처리 90일 후에는 pH 5.5 처리 일 때 지상부 생체중 및 근중이 1.88, 3.92 g으로 가장 높았으 며 pH 5.0 처리일 때 1.65, 3.04 g으로 가장 낮았다. 그러나 생육이 초기 (처리 45일 후)에서 중기 (처리 90일 후)로 진행 되었을 때 근중의 증감률은 pH 6.5 처리에서 165%, pH 6.0 에서 138%, pH 5.5에서 110%, pH 5.0에서 92%로서 처리 한 양액의 pH가 높을수록 컸다. Table 2

Table 2

Growth characteristics of 2 year old Panax ginseng grown for 45, 90 and 135 DAT with different EC levels.

지상부 생체중 또한 pH 6.5 처리에서 17%로 가장 큰 증가 율을 보였으나 pH 5.0 처리에서는 도리어 13% 감소하였다. 양액 내 pH의 변화는 작물의 영양소 흡수에 큰 영향을 준다. 수용액 중에 P는 pH 변화에 따라 H₂PO₄⁻나 HPO₄⁻² 등의 형 태를 띠는데 pH가 낮아지면 H₂PO₄⁻가 대부분을 차지하고 pH 가 높아지면 HPO₄⁻²의 비율이 증가한다. 작물이 주로 흡수하 는 형태는 H₂PO₄⁻이며 pH 5에서는 H₂PO₄⁻가 100%이나 pH 7.3부터 형태가 바뀌게 되고 pH 10이 되면 HPO₄⁻²로 전환된 다. K, Ca 그리고 Mg는 식물이 흡수 및 이용 가능한 범위는 비교적 넓고 pH 5.0 이하일 때는 흡수가 특히 저하된다 (Trejo-Tellez and Gomez-Merino, 2012).

처리 90일 후 양액 pH 수준이 지상부와 지하부 생육에 미 치는 영향을 알아보기 위하여 무기성분 함량을 Table 5와 같 이 분석한 결과 총 질산태질소 함량은 양액 pH 수준 간 유의 성은 없었으나 pH 5.0 처리에서 잎과 뿌리에서 함량이 높게 나타났다. 뿌리의 인산 함량의 경우 pH 6.5 처리에서 유의하 게 높았는데, 근권부의 pH가 높아질수록 Ca 또는 Mg의 가용 화가 촉진되고 이들과 결합하여 불용화되는 인산량이 증가함 으로써 식물체 흡수량 저하의 원인이 되었다는 Lee 등 (2015) 의 결과와는 일치하지 않았다. Ca 및 Mg 함량은 근권부의 pH가 낮아질수록 불용화되어 흡수량이 저하된다고 알려져 있 는데 본 연구에서는 일정한 경향을 찾을 수 없었다. pH 수준 에 상관없이 미량원소는 잎에 더 많이 함유되어 있었는데, 이 는 구리를 제외하고는 Park 등 (2012)의 결과와 일치했다.

인삼 재배에 적합한 pH는 5.0 - 6.0으로 (RDA, 2009) 본 시험에서 처리한 pH 수준은 재배 적합 범위에 포함되어 있을 뿐만 아니라 처리 후 상토의 pH도 Table 3에 나타난 것과 같이 인삼 재배 허용범위 (pH는 6.0 - 6.5)에 포함되어 있어 처리에 따른 큰 차이는 발견할 수 없었는데, 보다 다양한 결 과를 얻기 위해 처리 양액의 pH 수준 차이를 크게 둔 연구가 추후 필요할 것으로 보인다. 처리 135일 후에는 pH가 5.0에서 6.5로 높아질수록 근중이 4.26, 4.28, 4.78, 4.79 g으로 증가하 였으나 유의한 차이는 없었다. 이 시기에는 근중에 대한 양액 pH의 영향이 적다고 생각된다. 생육 초기에는 pH 5.0 처리에 서 인삼의 생육 특성이 대체로 우수했지만 생육 후기로 진행 되면서 pH 5.5 - 6.5 처리 인삼의 생육이 우수했는데 이는 배 지경 양액재배 시 근권부의 pH가 약 5.5 - 6.5를 유지할 경우 일반적으로 작물의 생육이 우수하다는 결과 (Lee et al., 2015)와 일치했다. 경과일수에 따른 지상부 생육 특성의 평균 치를 보면, 처리 90일 후에는 SPAD 값을 제외한 경장 등 모 든 특성이 처리 45일 후에 비해 근소하게나마 증가하였다. 지 하부 생육 특성의 평균치 또한 처리 후 경과일수에 따라 대부 분이 증가하였는데 처리 135일 후 근직경이 9.63㎜, 근중이 4.53 g으로 가장 큰 값을 나타냈으나 근장은 처리 90일 후 평 균 17.2㎝이었던 값이 평균 17.1㎝로 감소하였다. Table 4

Table 3

Chemical properties of before and after treatment of bed soil.

Table 4

Chemical properties of before and after EC treatment of bed soil.

인삼에서 염류농도 (EC)에 가장 직접적이고 민감하게 반응 하는 부위는 뿌리이다 (Volkmar et al., 1998). 처리 45일 후 양액 농도에 따른 인삼의 근중은 처리간 유의한 차이를 나타 내지 않았다. 그러나 처리한 양액의 EC가 0.68 및 0.84 dS/m 에서 근중은 1.62 g으로 높게 나타난 반면 EC 1.23 및 1.41 dS/m에서는 1.40, 1.42 g으로 낮게 나타났다. 근중 외에 경장, 엽장 그리고 지상부 생체중 또한 EC 0.68 및 0.84 dS/ m에서 높게 나타났는데, 양액재배 인삼의 경우 전엽 후 생육 초기에는 비교적 낮은 농도의 EC에서 양수분 흡수가 원활히 이루어져 생육이 왕성히 이루어 진 것으로 생각된다. 그러나 처리 90일 후에는 초기와 달리 EC 1.23 및 1.41 dS/m 처리 에서 근중을 포함한 대부분의 생육이 좋게 나타났다. 또한 근 중의 증감률도 EC 0.68 dS/m 처리일 때 91%, EC 0.84 dS/ m일 때 69%, EC 1.23 dS/m일 때 124%, EC 1.41 dS/m일 때 139%로 EC 1.41 > EC 1.23 > EC 0.68 > EC 0.84 dS/m 처리 순이었다. 지상부 생체중은 EC 1.41 dS/m 처리일 때 17% 증가한 것을 제외하고는 나머지 처리에서는 모두 감소하 였다.

처리 90일 후 양액 EC 농도가 지상부와 지하부 생육에 미 치는 영향을 알아보기 위하여 잎 과 뿌리의 무기성분 함량을 분석하였다 (Table 6). 총 질산태질소, 인산 그리고 칼슘 함량 은 잎과 뿌리 모두 EC 1.41 dS/m 처리에서, 칼륨은 EC 0.84 dS/m 처리에서 가장 높게 나타났다. 마그네슘의 경우 잎 에서는 EC 1.41 dS/m 처리에서 높았던 반면 뿌리에서는 EC 1.23 dS/m 처리에서 높게 나타났다. 생육이 왕성하면 식물체의 무기양분 함량도 높다는 것이 일반적이다 (Lee et al., 1996). 본 연구에서도 전반적으로 90일 경 EC 1.41 dS/m 처리에서 칼륨, 칼슘 및 나트륨을 제외한 무기성분의 함량이 타 처리구 에 비해 높은 것으로 나타나 생육과 무기양분 함량과의 관계 가 정상적으로 유지되었음을 알 수 있다. Table 5

Table 5

Concentration of mineral nutrients in the aerial and root of 2 year old Panax ginseng grown for 90 days after treatment with different levels.

Table 6

Concentration of mineral nutrients in the aerial and root of 2 year old Panax ginseng grown for 90 days after treatment with different EC levels.

일반적으로 무기성분의 흡수는 양액 내 무기성분 농도에 비 례하는데 (Adams, 1992) 본 연구에서도 뿌리에서 아연을 제외 한 미량원소 함량이 EC 1.41 dS/m 처리에서 높게 나타났다. 처리 135일 후 근중은 EC 1.41 > 1.23 > 0.84 > 0.68 dS/m인 양액 처리구 순으로 높았으며 유의한 차이를 나타냈다. 나트 륨 이온과 질산태질소는 EC 증가에 깊이 관여하는 성분이며 보통 토양의 EC가 높을수록 생리장해를 일으켜 인삼 뿌리의 생육을 급격히 감소시킨다 (Kim et al., 2015). 본 연구에서는 고농도의 양액 처리 후에도 상토의 나트륨 이온과 질산태질소 증가의 영향이 적었고, 처리 후 EC가 생리장해가 발생할 정 도로 높지 않았기 때문에 근중이 증가한 것으로 생각된다. 경 과일수에 따른 지상부 생육 특성의 평균치는 앞선 pH 결과와 는 달리 경장, SPAD 값 그리고 지상부 생체중이 처리 45일 후보다 처리 90일 후에 감소하였다. 반면 지하부 생육 특성의 평균치는 근장을 제외한 근직경과 근중이 경과일수에 따라 증 가하여 처리 135일 후 근직경이 9.44㎜, 근중이 4.00 g이었다 (Table 2).

앞의 실험 결과로 보아 인삼 양액재배 시 생육초기에는 저 농도로 재배하다가 생육이 진점됨에 따라 농도를 높여가며 재 배하는 것이 양액재배 시 인삼의 지하부 및 지상부 생체중을 증가시키는 효과적인 방법이라 생각된다.

2. 배양액의 pH, EC에 따른 인삼의 진세노사이드 함량 특성

진세노사이드는 품종 (Ahn et al., 2008), 연근 (Lim, 2005), 광 등의 환경 요인 및 재배방법 (Lee et al., 2005) 등에 영향을 받아 함량 변화가 크다. pH 처리에 따른 잎의 총 진세노사이드 함량은 처리 45일 후 평균 2.90%에서 처리 90일 후 5.96%로 증가하였다. 4년생 인삼 잎의 조사포닌 함 량은 7월에 채취한 잎이 17.17%, 8월 채취한 잎이 16.67%, 9월 채취한 잎이 15.58%로서 채엽 시기가 늦어짐에 따라 점 차 감소하였다는 Chang (1998)의 결과와는 일치하지 않았다.

Li 등 (2009)은 진세노사이드 함량은 뿌리의 중심부보다 피 층이 차지하는 비율이 클수록 많다고 하였는데 뿌리의 직경이 클수록 목질부의 비율이 피층의 비율보다 크기 때문에 뿌리 직경과 사포닌 함량은 부로 작용한다고 하였다. 그러나 처리 45일 후 pH 6.0 양액 처리구의 직경은 6.70㎜로 다른 처리 구에 비해 가장 컸으나 이때 뿌리의 총 진세노사이드 함량은 0.96%로 가장 높았다. 반대로 잎의 총 진세노사이드 함량은 1.72%로 가장 낮았는데 본 연구에서는 대체로 생육이 진행되 며 pH 처리구의 잎의 총 진세노사이드 함량이 높았을 때에는 뿌리의 총 진세노사이드 함량이 낮은 경향을 보였던 것을 가 장 잘 방증하였다.

처리 90일 후 잎의 총 진세노사이드 함량은 처리한 양액의 pH가 낮을수록 높았으며 뿌리의 총 진세노사이드 함량은 처 리한 양액의 pH가 6.0 이상일 때가 pH 5.0과 5.5보다 높았 다. 처리 135일 후 양액의 pH와 뿌리의 총 진세노사이드 함량 에 관한 경향은 찾을 수 없었다. 그러나 Rb3를 제외한 panaxadiol (PD)계열의 진세노사이드인 Rb1, Rb2, Rc, Rd 함 량이 줄고 panaxatriol (PT)계열 중 Rf 함량이 늘어 PD/PT 비 율이 0.5 - 0.6로 나타났는데 배지에 1년생 묘삼을 4개월간 수 경재배한 인삼 뿌리의 PD/PT 비율이 0.5 - 0.6인 Kim 등 (2010)의 결과와 일치하였다.

생육 경과일수에 따른 뿌리의 총 진세노사이드 함량은 처리 45일 후 0.84%, 처리 90일 후 0.79%, 처리 135일 후 0.59% 로 감소하였다. 인삼의 동체 중심 및 동체 주피의 진세노사이 드 함량은 출아 후 25일경 가장 높고 그 후 급격히 감소되며 수확기에 가까워질수록 더욱 감소하였다는 결과 (KGTRI, 1984)와 유사하였다 (Table 7).

Table 7

Amount of ginsenoside of 2 year old Panax ginseng grown for 45, 90 and 135 DAT with different levels (w/w%).

EC에 따른 총 진세노사이드 함량을 보면 처리 45일 후 잎 에서는 처리한 양액의 EC 농도가 낮을수록 총 진세노사이드 함량이 높았고 뿌리에서는 EC 0.68 dS/m과 EC 1.41 dS/m 처 리구에서 총 진세노사이드 함량이 0.95%, 0.94%로 높았다. 처 리 90일 후 잎의 총 진세노사이드 함량은 EC 1.23 dS/m 처 리에서 5.85%로 가장 높게 나타났다. 반면 뿌리의 경우 총 진세노사이드 함량은 처리 45일과 90일 후 EC 0.68 dS/m 처 리에서 0.95%, 0.82%로 가장 높았다. 처리 135일 후에는 EC 1.23 dS/m 처리에서 0.67%로 가장 높았지만 EC 0.84 dS/m 처리의 0.65%와 유의한 차이는 없었다. 경과일수에 따른 잎의 총 진세노사이드 함량 역시 처리 45일 후에 3.57%에서 처리 90일 후 5.66%로 증가하였고, 뿌리의 총 진세노사이드 함량은 감소하였다. 진세노사이드 중 Rf는 서양삼에는 존재하지 않는 고려인삼의 특이성분인데 (Ando et al., 1971), 모든 양액 처 리구의 뿌리에서 Rf 함량이 생육기간이 진행됨에 따라 증가하 는 경향을 보였다. 근권 온도와 광량의 차이에 의해 뿌리의 Rf을 포함한 진세노사이드 함량이 차이나는 것으로 미루어 보 아 (Lee, 2014) 생육기간에 따른 환경의 변화 역시 Rf 함량 에 영향을 준 것으로 판단된다 (Table 8).

Table 8

Amount of ginsenoside of 2 year old Panax ginseng grown for 45, 90 and 135 DAT with different EC levels (w/w%).

이상의 결과에서 생육초기에는 pH의 경우 5.0 및 5.5일 때, EC의 경우 0.68 및 0.84 dS/m와 같이 저농도로 재배하는 것이 유리하지만 생육이 진행될수록 pH와 EC의 농도를 높여 재배 하는 것이 지상부와 뿌리의 무게를 증가시키는데 효과적이라 할 수 있겠다. 본 연구결과는 양액재배 인삼의 재배기간 또는 사용하려는 부위에 초점을 맞추어 양액을 관리할 때에 필요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 생각된다.