KR102399776B1 - 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법 - Google Patents

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신유경
조정수
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Abstract

본 발명은 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법에 관한 것으로, 이는 서로 상이한 NaCl 농도를 가지는 NaCl 농도별 용액을 N개 준비하는 단계; 다수의 상추 유묘를 N개의 NaCl 농도 그룹으로 나눈 후, NaCl 농도별 용액 각각을 통해 기 설정 기간 동안 반복적으로 저면 관수하는 단계; 엽록소 형광 측정기를 통해 상기 다수의 상추 유묘 각각에 대응되는 다수의 엽록소 형광 영상을 획득하는 단계; 상기 다수의 엽록소 형광 영상 각각으로부터 다수의 스트레스 지표를 산출하는 단계; 및 상기 다수의 스트레스 지표를 NaCl 농도 그룹으로 분류 및 통계 분석함으로써, NaCl 농도와 스트레스 지표간 상관관계가 정의된 내염성 평가 지표를 산출 및 저장하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법{Method for calculating the salt resistance evaluation index of lettuce genetic resources}
본 발명은 상추 유전자원의 NaCl 농도와 스트레스 지표간의 상관관계를 안내할 수 있도록 하는 내염성 평가 지표를 획득 및 제공할 수 있도록 하는 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법에 관한 것이다.
최근 시설 재배를 통해 다양한 채소가 재배되고 있으나, 연속적인 재배는 토양 염류 집적을 초래하고 이는 곧바로 작물의 생산성 저하로 이어진다고 알려져 있다.
상추는 국내에서 생산되는 엽채류 중 생산과 소비에 있어, 배추 다음으로 매우 선호도가 높은 채소이다.
일반적으로 상추는 다른 채소에 비해 내염성이 약하며, 토양 염류 집적에 직접적인 영향을 받게 된다.
이러한 문제점을 보완하기 위해 다양한 토양 제염 기술 및 시설을 통해 생산량을 관리하고 있지만, 실제로 농가에서는 시설 투자 대비 큰 차이를 얻지 못해, 농민이 실용적으로 활용할 수 있는 기술은 부족한 실정이다.
따라서 시설 재배를 위해서는 기본적으로 내염성을 지닌 상추 품종을 개발하여 농가에 보급하는 것이 필요한 실정이다.
국내공개특허 제10-2017-0090111호(공개일자 : 2017.08.07)
이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 엽록소 형광 특성을 이용하여 상추 유전자원의 NaCl 농도와 스트레스 지표간의 상관관계를 파악하고, 이를 기반으로 상추 유전자원의 내염성 평가 지표를 획득 및 제공할 수 있도록 하는 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면 서로 상이한 NaCl 농도를 가지는 NaCl 농도별 용액을 N개 준비하는 단계; 다수의 상추 유묘를 N개의 NaCl 농도 그룹으로 나눈 후, NaCl 농도별 용액 각각을 통해 기 설정 기간 동안 반복적으로 저면 관수하는 단계; 엽록소 형광 측정기를 통해 상기 다수의 상추 유묘 각각에 대응되는 다수의 엽록소 형광 영상을 획득하는 단계; 상기 다수의 엽록소 형광 영상 각각으로부터 다수의 스트레스 지표를 산출하는 단계; 및 상기 다수의 스트레스 지표를 NaCl 농도 그룹으로 분류 및 통계 분석함으로써, NaCl 농도와 스트레스 지표간 상관관계가 정의된 내염성 평가 지표를 산출 및 저장하는 단계를 포함하는 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법을 제공한다.
상기 스트레스 지표는 Fv/Fm, Fv'/Fm', Y(PSII), NPQ, qP, qN, qL, Y(NO), Y(NPQ), RFd 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 엽록소 형광 영상을 획득하는 단계는 다수의 상추 유묘 중 어느 하나를 선택하여 엽록소 형광 측정기에 위치시키는 단계; 명반응 유도를 위해, 상기 엽록소 형광 측정기의 LED 패널을 통해 활성 광을 1차 조사한 후 포화 광을 추가 조사하며, 포화 광 순간 조사 상태와 포화 광 조사 직후에 엽록소 형광 영상을 각각 획득하는 단계; 상기 엽록소 형광 측정기의 LED 패널을 구동 중지시켜 상추 유묘를 암적응시키는 단계; 및 암적응 상태에서 포화 광과 최소 광을 조사하면서 엽록소 형광 영상을 각각 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법은 상추 품종이 다수개인 경우, 상추 품종별로 상기 내염성 평가 지표를 산출 및 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 내염성 평가 지표는 스트레스 지표 각각에 대응되는 NaCl 농도 이외에 저염 관수 기간, 광 조사 조건을 추가 포함할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상추 유전자원의 NaCl 농도와 스트레스 지표간의 객관적 지표를 획득 및 제공할 수 있도록 한다.
또한 상추의 외적 생육량 변화가 아닌 엽록소 형광 특성을 이용하여 상추 유전자원의 내염성 평가 지표를 획득하므로, 상추 유전자원의 평가 재배 기간을 최소화할 수 있다. 특히, 비파괴 방식으로 측정 동작을 수행함으로써, 내염성 평가 지표가 보다 간단하고 신속하게 획득할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엽록소 형광 영상 획득 단계를 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법에 적용되는 엽록소 형광 측정기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 NaCl 농도에 따른 상추 유묘의 시각적 외관 변화와 엽록소 형광 파라메타 변화를 도시한 도면이다.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐만 아니라 특정 실시예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 예를 들어, 본 명세서의 블럭도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 서로 상이한 NaCl 농도를 가지는 NaCl 농도별 용액 다수개를 준비한다(S1). 이하에서는 설명의 편이를 위해, NaCl 농도는 0, 50, 100 200, 300 및 400mM의 총 6단계로 나누는 경우에 한해 설명하나, 이에 한정될 필요는 없다.
그리고 상추 유묘 다수개를 6개의 NaCl 농도 그룹으로 나눈다. NaCl 농도 그룹 단위로, 소정 기간(예를 들어, 8일) 동안 하루에 한 번씩 상추 유모를 해당 NaCl 농도별 용액에 소정 시간(예를 들어, 10분)간 저면 관수하는 동작을 반복 수행한다(S2).
이때, 다수개의 상추 유묘 모두는 인공광 챔버를 통해 동일 기간(약 10일) 동안 동일 환경 조건(동일 광량, 습도, 온도) 조건으로 재배되는 것이 바람직한데, 이는 상추 재배 조건에 따른 결과 편차 발생을 사전 방지하기 위함이다.
그리고 엽록소 형광 측정기를 통해 다수의 상추 유묘 각각에 대응되는 엽록소 형광 영상을 획득한다(S3).
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엽록소 형광 영상 획득 단계를 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 상추 유묘 중 하나를 선택하는 단계(S31), 선택된 상추 유묘를 엽록소 형광 측정기에 위치시키는 단계(S32), 기 설정된 감도(sensitivity), 셔터 온 시간(shutter), 명반응 유도를 위해, 상추 유묘의 상측에 위치된 LED 패널을 통해 활성 광(약, 200~300 μmol/m-2/s-1)을 1차 조사 후 포화 광(약, μmol/m-2/s-1)을 추가 조사하면서 Fm' 엽록소 형광 영상을 획득하고, 포화 광 조사 직후에 F0' 엽록소 형광 영상을 획득하는 단계(S33), 상추 유묘를 일정 시간(예를 들어, 약 20분) 동안 암적응시켜, 엽록소 형광 발생을 유도하는 단계(S34), 및 암적응 상태에서 포화 광을 순간 조사하면서 Fm 엽록소 형광 영상을 획득하고, 암적응 상태에서 최소 광을 조사하여 F0 엽록소 형광 영상을 획득하는 단계(S35), 다수의 상추 유묘 모두의 Fm 엽록소 형광 영상과 F0 엽록소 형광 영상을 획득할 때까지 단계 S31~S34를 반복 수행하는 단계(S36)을 수행한다.
그리고 상추 유묘 각각의 Fm 엽록소 형광 영상과 F0 엽록소 형광 영상으로부터 상추 유묘 각각의 Fm(최대 형광 값), F0(기저 형광), Fv(엽록소 형광 감소; Fm-F0)을 추출한다. 그리고 Fm, F0, Fv에 기반하여 Fv/Fm, Fv'/Fm', Y(PSII), NPQ, qP, qN, qL, Y(NO), Y(NPQ), RFd 중 적어도 하나를 포함하는 스트레스 지표를 산출하도록 한다(S4).
Fv/Fm는 암 적응 상태에서 측정된 광계Ⅱ(PSⅡ)의 최대 양자 수율로, 수학식 1에 따라 산출 가능하다.
[수학식 1]
Fv/Fm = (Fm - F0)/Fm
Fv'/Fm'는 광 적응 상태에서 안테나 안료에서 PSII의 반응 중심까지의 엑시톤 전달 효율로, 수학식 2에 따라 산출 가능하다.
[수학식 2]
Fv'/Fm' = (F'm - F'0)/F'm
Y(PSII)는 광화학 에너지 변환의 유효 양자 수율로, 수학식 3에 따라 산출 가능하다.
[수학식 3]
Y(PSII) = (F'm - Fs)/F'm
NPQ는 최대 형광의 비광화학적 형광 소멸 곡선으로, 수학식 4에 따라 산출 가능하다.
[수학식 4]
NPQ = (Fm - F'm)/F'm
qP는 광화학적 형광 소멸 곡선으로, 수학식 5에 따라 산출 가능하다.
[수학식 5]
qP = (Fm - F'm)/(Fm - F'0)
qN는 가변 형광의 비광화학적 형광 소멸 효율로, 수학식 6에 따라 산출 가능하다.
[수학식 6]
qN = (Fm - F'm)/(Fm - F'0)
qL는 PSII의 레이크 모델(lake model)에 의한 가변 형광의 형광 소멸 효율로, 수학식 7에 따라 산출 가능하다.
[수학식 7]
qL = qP x F0/Fs
Y(NO)는 PSII에서 미조절된 에너지 소산 양자 수율로, 수학식 8에 따라 산출 가능하다.
[수학식 8]
Y(NO)= 1/[NPQ + 1 + qL(Fm/F0 - 1)]
Y(NPQ)는 PSII에서 조절된 에너지 소산의 양자 수율로, 수학식 9에 따라 산출 가능하다.
[수학식 9]
Y(NPQ) = 1 -ΦPSII - ΦNO
ΦPSII = (F'm - Fs)/F'm
ΦNO= 1/(NPQ+1+qL(Fm/F0 ??1))
이때, ΦPSII는 PSII에서 광화학 에너지 변환의 유효 양자 수율, ΦNO은 PSII에서 미조절된 에너지 소산의 양자 수율이다.
RFd는 형광 감소 비율로, 수학식 10에 따라 산출 가능하다.
[수학식 10]
RFd = Fd/Fs = (Fm - Fs)/Fs
마지막으로, 상추 유묘 각각의 스트레스 지표를 NaCl 농도 그룹별로 분류한 후 통계 분석함으로써 NaCl 농도와 스트레스 지표간 상관관계를 산출하고, 이를 내염성 평가 지표로써 획득 및 저장하도록 한다(S5).
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법에 적용되는 엽록소 형광 측정기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 엽록소 형광 측정기(100)는 암막 환경이 형성된 내부 공간이 마련된 챔버(110), 챔버(110)의 하측 중앙에 설치된 상추 유묘 지지대(120), 상추 유묘 지지대(120)의 상측에 위치되도록 챔버(110)의 상측 중앙에 설치된 카메라(130), 상추 유묘 지지대(120)에 광이 집중 조사되도록 챔버(110)의 상측 중앙에 분산 설치된 다수의 LED 패널(140), 및 기 설정된 절차에 따라 다수의 상추 유묘 각각에 대응되는 엽록소 형광 영상을 획득한 후 영상 처리하여, 앞서 설명된 내염성 평가 지표를 획득 및 출력하는 프로세서(150)을 구성된다.
이와 같이 구성되는 엽록소 형광 측정기는 LED 패널(140)을 구동하여 빛 에너지를 엽록소가 흡수하고 물을 분해하는 명반응 유도 환경을 제공할 수 있으며, 이와 동시에 LED 패널(140)을 구동 중지시켜 이산화탄소를 환원시켜 유기물질을 얻는 암반응 유도 환경을 제공할 수 있도록 한다.
더하여, 카메라(130)와 상추 유묘 지지대(120)는 높이 조정 장치(미도시)를 추가 구비하여, 카메라(130)와 상추 유묘 지지대(120)간의 거리가 필요에 따라 수시 조정될 수도 있도록 한다.
예를 들어, 상추 유묘의 높이에 기반하여 카메라(130)와 상추 유묘 지지대(120)간의 최적 거리를 결정하고, 이에 따라 카메라(130)와 상추 유묘 지지대(120) 중 어느 하나의 높이를 조정할 수 있도록 한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 NaCl 농도에 따른 상추 유묘의 시각적 외관 변화와 엽록소 형광 파라메타 변화를 도시한 도면이다.
먼저, 도 4를 참고하면, 상추 유묘의 경우 NaCl 농도에 따라 염도 스트레스 수준이 증가하고, 이에 따라 NaCl 농도가 비례하여 성장 속도가 저해되며, 300M 이상에서는 정상 성장이 불가능해짐을 알 수 있다.
그리고 도 5를 참고하면, 상추 유묘의 외관 변화 뿐 아니라 Fv/Fm, Fv'/Fm', Y(PSII), NPQ, qP, qN, qL, Y(NO), Y(NPQ), RFd 각각의 변화 패턴도 NaCl 농도에 따라 상이해짐을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 NaCl 농도에 따라 달라지는 Fv/Fm, Fv'/Fm', Y(PSII), NPQ, qP, qN, qL, Y(NO), Y(NPQ), RFd 각각의 변화 패턴을 기반으로 NaCl 농도와 스트레스 지표간 상관관계를 산출하고, 이를 내염성 평가 지표로써 획득 및 저장하도록 한다.
또한 상추 품종별로 상기의 내염성 평가 지표 산출 방법이 반복 수행될 수 있으며, 이러한 경우 상추 품종별 내염성 평가 지표에 따라 염류 내성을 지닌 상추 품종을 역추적할 수 있게 된다.
더하여, 스트레스 지표 각각에 대응되는 NaCl 농도 이외에 저염 관수 기간, 광 조사 조건 등도 추가 고려하여 내염성 평가 지표를 획득 및 저장함으로써, 차후 내염성 평가 지표로부터 스트레스 지표와 저염 관수 기간간의 상관 관계, 또는 스트레스 지표와 LED 광 조사 조건간의 상관 관계 또한 역추적할 수 있도록 한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims (5)

  1. 서로 상이한 NaCl 농도를 가지는 NaCl 농도별 용액을 N개 준비하는 단계;
    다수의 상추 유묘를 N개의 NaCl 농도 그룹으로 나눈 후, NaCl 농도별 용액 각각을 통해 기 설정 기간 동안 반복적으로 저면 관수하는 단계;
    엽록소 형광 측정기를 통해 상기 다수의 상추 유묘 각각에 대응되는 다수의 엽록소 형광 영상을 획득하는 단계;
    상기 다수의 엽록소 형광 영상 각각으로부터 다수의 스트레스 지표를 산출하는 단계; 및
    상기 다수의 스트레스 지표를 NaCl 농도 그룹으로 분류 및 통계 분석함으로써, NaCl 농도와 스트레스 지표간 상관관계가 정의된 내염성 평가 지표를 산출 및 저장하는 단계를 포함하며,
    상기 엽록소 형광 영상을 획득하는 단계는
    다수의 상추 유묘 중 어느 하나를 선택하여 엽록소 형광 측정기에 위치시키는 단계;
    명반응 유도를 위해, 상기 엽록소 형광 측정기의 LED 패널을 통해 활성 광을 1차 조사한 후 포화 광을 추가 조사하며, 포화 광 순간 조사 상태와 포화 광 조사 직후에 엽록소 형광 영상을 각각 획득하는 단계; 및
    상기 엽록소 형광 측정기의 LED 패널을 구동 중지시켜 상추 유묘를 암적응시키는 단계; 및
    암적응 상태에서 포화 광과 최소 광을 조사하면서 엽록소 형광 영상을 각각 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스트레스 지표는
    Fv/Fm, Fv'/Fm', Y(PSII), NPQ, qP, qN, qL, Y(NO), Y(NPQ), RFd 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상추 품종이 다수개인 경우, 상추 품종별로 상기 내염성 평가 지표를 산출 및 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 내염성 평가 지표는
    스트레스 지표 각각에 대응되는 NaCl 농도 이외에 저염 관수 기간, 광 조사 조건을 추가 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법.
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JP2005326241A (ja) * 2004-05-13 2005-11-24 Research Institute Of Innovative Technology For The Earth 植物における環境ストレス耐性能力の評価法
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