서 언
현재 전세계에 식물은 약 20만여 종이며, 이 중 우리나라에 자생하는 식물은 약 4,200여 종으로 알려져 있다(KBIS, 2018). 자생식물은 관상용, 약용 및 식용으로 이용이 증가하고 있어 경제적 가치가 상승하고 있으며, 최근 자생식물의 장점인 환경적응성과 뛰어난 번식력을 이용하여 기능성 자원식물의 활용을 위한 다양한 연구가 수행되고 있다(Kim et al., 2012). 특히, CAM 식물은 자생력이 강하고 생장이 빨라 대량 재배가 가능하다는 강점이 있기 때문에 다양한 연구가 요구되고 있다(Cheon, 2016). 기능성 자원식물에 관한 대표적인 연구 사례로 CAM 식물 중 다육식물은 페놀화합물과 플라보노이드를 다량 함유하고 있어 지질의 산화, 활성산소의 공격 및 노화의 방지에 효과적인 것으로 보고되었으며(Cheon, 2016), 돌나물과의 와송(Orostachys japonicus)은 높은 항산화력으로 기능성 식품, 화장품, 의약품 소재로의 적용 가능성 연구가 이루어지고 있다(Lim et al., 2017). 돌나물과 식물은 우리나라 전역에 분포하고 있으며, 산지나 계곡 근처, 평지에서도 흔히 볼 수 있는 식물이다(Ryu et al., 2011). 국내의 돌나물과 식물 연구는 자생지에 따른 외부형태 분석 및 식생(Ryu et al., 2011), 토양반응(Seo et al., 2006), 차광 정도와 삽목용토(Kim and Kim, 2015)에 대한 연구 등이 이루어졌으며, 기능성 자원식물에 관한 연구는 미흡한 실정이다.
광은 환경을 구성하는 필수 요소로 식물의 광합성을 위한 주요 에너지원일 뿐만 아니라 식물의 생장과 발달을 조절하는 주요 요인으로 식물은 광의 세기와 광질에 의해 생육에 영향을 받으며(Zheng and Van Labeke, 2017), 여러 광질 중 적색광(600 - 700nm)과 청색광(400 - 500nm)이 광합성에 필수 에너지원 역할을 하는 것으로 보고되었다(Lin et al., 2013; Bae et al., 2017). 또한, 광질은 식물의 형태형성과 방어물질 합성에 영향을 미치며, 광합성을 하는 과정에서 광 스트레스에 의해 산화물질이 발생시키고, 식물은 이를 방어하기 위해 항산화물질 합성효소를 자극하여 항산화물질을 합성해 체내에 축적한다(Quail, 1991). 축적된 항산화물질은 천연 항산화제로서 가치가 있기 때문에 주로 기능성 화장품, 식품 및 의약품으로 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다(Qian et al., 2016).
광 스트레스에 의한 식물의 물질 합성을 위해 파장 조합이 용이한 저소비·고효율의 LED (light-emitting diode)를 이용한 연구들은 2011년 이후부터 급격히 증가하고 있는 추세이며, 토마토, 상추, 페튜니아, 밀, 대마 등 채소, 관상용 식물, 약용작물 위주로 진행되고 있다(Stutte, 2015). LED는 특정 단파장뿐만 아니라 여러 파장들을 원하는 비율로 혼합하여 사용할 수 있고, 식물은 LED 파장 조합에 따라 생육과 항산화물질 합성에 영향을 받기 때문에(Son and Oh, 2013; Zha and Liu, 2018) 최근에는 식물에 적합한 파장을 구명하기 위한 연구가 이루어지고 있다. Im et al.(2013)의 연구에 따르면, 청색 단색광 LED를 국화에 처리 시 엽면적이 커지고 적색 단색광 LED 처리는 뿌리길이가 길어지며, 여러 광질의 LED 처리는 형광등보다 항산화물질 함량 및 활성 증진에 효과적이라고 보고하였다. 또한, 미나리 재배 시 LED의 적색, 청색, 녹색 및 백색 혼합광의 조합 비율에 따라 잎과 줄기의 총 페놀 함량이 다르며, 안토시아닌의 구성 성분과 함량이 변화하는 것으로 연구되었다(Jeon et al., 2017). 이 외에도 아이스플랜트와 같이 기능성 물질이 다량 함유되어 있는 고부가가치 작물의 LED 광질에 따른 생육과 기능성 물질 축적에 관한 연구가 진행되고 있다(Kim et al., 2016, Kim et al., 2018). 그러나 대부분의 LED에 관한 연구는 시설 재배가 가능하고 식용이 가능한 식물 위주로 연구가 집중되었으며, 우리나라 자생식물과 LED 광원 하의 재배와 관련된 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구는 우리나라 특산종인 돌나물과 섬기린초의 LED 광질에 따른 생육과 항산화물질 함량 및 활성에 미치는 영향에 대하여 알아보고자 수행되었다.
재료 및 방법
실험재료 및 추출물 제조
본 실험의 공시재료는 돌나물과 식물의 항산화물질 함량 및 활성 분석 선행연구를 통해 섬기린초(Sedum takesimense)를 선발하여(Oh et al., 2017) 2017년 10월 한택식물원으로부터 삽목 후 4주된 식물을 제공받아 지름 9cm 화분에 펄라이트와 피트모스를 2:1로 혼합한 토양으로 옮겨심어 4주간 순화처리하였다. 관수는 3일 간격으로 50mL씩 두상관수하였으며(Kim and Kim, 2015), 챔버 내 같은 광질 하에 10반복으로 완전임의배치하였다. 챔버 내 광질 처리가 끝난 섬기린초의 잎은 동결건조한 후 냉동보관하였으며, 냉동보관한 시료는 80% 메탄올을 용매로 하여 균질기로(T18D, IKA, Germany) 3분씩 3회 균질하여 혼합하였다. 혼합물은 여과지(Whatman #2, Whatman International Ltd., England)를 사용하여 여과한 후, 40°C에서 감압식 회전농축기(N-1200A, EYELA, Japan)를 이용하여 농축하였다. 농축된 혼합물은 -25°C에 보관한 후 항산화물질 함량 및 활성 분석 시 사용하였다.
챔버 내 생육환경 및 광질 처리
챔버 내 환경은 생육 특성에 따라 온도 23.4 ± 2°C, 상대습도 30.0 ± 6%로 조성하였으며, 광주기는 16/8시간(명기/암기)으로 광합성유효광량자속밀도를 분광광도계(MK350S, UPRtek, Taiwan)를 이용하여 식물체의 상부 잎을 기준으로 100µmol·m-2·s-1 PPFD로 고정하였다(Table 1). 실험에 사용된 광질은 형광등을 대조구(control, fluorescent lamp)로 red LED(R, 660nm), blue LED(B, 450nm), white LED(W)의 단색광과 red LED:blue LED = 1:1(RB), red LED:blue LED:white LED = 1:1:1(RBW) 혼합광으로 총 6 처리를 분광광도계를 이용하여 광파장을 측정한 후 설정하였다(Fig. 1).
Table 1. Light intensity for combinations of LED light quality
생육조사
섬기린초의 초기 생육특성은 Table 2와 같으며, 14주간 광질 처리에 따라 섬기린초의 초장, 엽장 및 엽폭, 엽수, 줄기 수, 줄기당 엽수, 줄기 직경, 절간장, 생체중 및 건물중을 조사하였다. 또한, 엽록소측정기(SPAD 502, Minolta, Japan)를 이용하여 엽록소 함량을 측정하였다.
Table 2. Plant growth characteristics of Sedum takesimense used in this study as materials (n = 10)
항산화물질 함량 분석
섬기린초 잎의 초기 항산화물질 함량은 Table 3과 같으며, 14주간 광질 처리 후 총 안토시아닌 함량, 총 플라보노이드 함량, 총 페놀 함량을 조사하였다. 총 안토시아닌 함량은 pH differential method에 따라 측정하였고(Meyers et al., 2003), mg cyanidin 3-O-glucoside equivalents(CGE)/100g fresh weight(FW)를 단위로 하였으며, 다음과 같은 공식을 통해 환산하여 표기하였다.
Table 3. Antioxidant concentration and activity of Sedum takesimense by plant part before LED treatment
ymg of catechin equivalents (CE) per 100g fresh weight (FW).
xmg of gallic acid equivalents (GAE) per 100g fresh weight (FW).
wmg of vitamin C equivalents (VCE) per 100g fresh weight (FW).
vMean separation within columns at p ≤ 0.05 confirmed by Duncan's multiple ranges test (n = 15).
| $$총\;안토\mathrm{시아닌}\;함량(mg\;CGE/100g\;FW)\;=\frac{(A\times MW\times D\times1000)}\varepsilon$$ |
A (absorbance value) = [(A510nm-A700nm)pH1.0-(A510nm-A700nm)pH4.5]
MW: cyanidin 3-O-glucoside 분자량, 449.2
D: dilution factor (희석배수)
ε: cyanidin 3-O-glucoside 몰 흡광계수, 26,900
총 플라보노이드 함량은 colorimetric assay에 따라 분석하였으며(Meyers et al., 2003), 분광광도계(Libra S22, Biochrom, UK)를 이용하여 510nm 파장에서 흡광도를 측정하였다. 단위는 catechin을 표준물질로 하여 mg catechin equivalents (CE)/100g FW로 환산하여 표기하였다.
총 페놀 함량은 Folin-Ciocalteu colorimetric method에 따라 분석하였으며(Singleton et al., 1999; Meyers et al., 2003), 750nm의 파장에서 흡광도를 측정하였다. Gallic acid를 표준물질로 하여 총 페놀 함량을 mg gallic acid equivalents (GAE)/100g FW로 단위를 환산하여 표기하였다.
항산화 활성 분석
섬기린초 잎의 초기 항산화 활성은 Table 3과 같으며, 14주간 광질 처리 후 DPPH(2, 2 Diphenyl-1-picrylhydrazyl) radical 소거 활성과 함께 페놀화합물의 활성을 알아보는 대표 지표인(Lim et al., 2017) ABTS[2, 2'-Azinobis-(3-ethylbenzothiazoline- 6-sulfonic acid)] radical 소거 활성을 추가적으로 분석하였다. DPPH radical 소거 활성은 분광광도계를 이용해 517nm 파장에서 흡광도를 측정하였으며(Brand-Williams et al., 1995), vitamin C를 표준물질로 하고 단위는 mg vitamin C equivalents (VCE)/100g FW로 환산하여 표기하였다. ABTS radical 소거 활성은 ABTS 분석 방법에 따라 734nm 파장에서 흡광도를 측정하였으며(Re et al., 1999), vitamin C를 표준물질로 단위를 mg vitamin C equivalents(VCE)/100g FW로 환산하여 표기하였다.
통계처리
각 조사에 따른 측정값의 통계분석 및 유의성은 SAS 프로그램(SAS 9.0, SAS institute Inc., Cary, USA)을 이용하여 Duncan의 다중검정 p≤0.05 수준에서 분석하였다. 또한, SPSS 프로그램(SPSS 23.0 Statistics, SPSS Inc., Chicago, USA)을 이용하여 ANOVA 분석을 실시하였으며, Pearson’s 상관분석을 이용하여 항산화물질 함량과 활성 간의 요인별 상관관계 분석을 실시하였다.
결과 및 고찰
섬기린초에 LED 광질을 14주간 처리한 후 생육 상태를 조사한 결과(Table 4), 엽장 및 엽폭, 줄기당 엽수, 엽록소 함량, 생체중 및 건물중은 0.01 유의수준에서 영향을 받으며, 엽수는 0.05 유의수준 내에서 광질에 따라 영향을 받는 것으로 조사되었다. 6가지 광질 처리 중 blue LED가 포함된 처리가 줄기 당 엽수 조사 결과, blue LED 단색광 처리 32.4개, RB LED 혼합광 처리 32.4개, RBW LED 혼합광 처리 32.5개로 다른 처리에 비해 높게 조사되었다. 특히, blue LED 단색광 처리 시 엽장 및 엽폭이 각각 2.1cm과 1.2cm로 다른 처리보다 크게 나타나 blue LED 단색광 및 혼합광 처리가 섬기린초의 엽생장에 효과적인 것으로 판단된다. 이는 Zheng and Van Labeke(2017)의 연구에서 red LED 단색광 처리보다 blue LED 단색광 및 RB LED 혼합광 처리가 국화의 엽생장에 효과적이었다는 연구 결과와 같았다. 광질은 식물의 형태형성 관여에 영향을 미치며, 적색광은 식물의 파이토크롬(phytochrome)을 자극하고 청색광은 크립토크롬(chryptochrome)을 자극하여 잎의 배축을 신장시키고 자엽의 팽창을 촉진시키는 것으로 보고되었다(Neff and Van Volkenburgh, 1994). 또한, Son and Oh(2013)의 연구에 의하면, red LED와 blue LED의 혼합광보다 작물에 따라 단색광이 생육에 효과적인 것으로 보고됨에 따라 본 연구에서 blue LED가 포함된 처리에서 섬기린초의 엽생장에 효과적인것으로 판단된다. 또한, 엽록소 함량 조사 결과, RB LED 혼합광 처리가 유의차가 크지 않으나 58.0 SPAD value로 다른 처리보다 높은 것으로 나타났다. Blue LED는 식물의 엽록소 생합성에 질적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 엽록소 함량은 식물의 생장률과 높은 상관관계가 있는 것으로 보고되었다(Son on Oh, 2013). 그러나 본 연구에서 사용된 엽록소 함량 지표인 SPAD value는 잎의 엽록소 함량만 알 수 있는 지표이기 때문에 식물의 생육과 관련한 구체적인 분석에는 한계가 있어(Son on Oh, 2013) 추후 엽록소의 활성을 자세히 알 수 있는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 생체중과 건물중을 조사한 결과, RBW LED 혼합광 처리 시 다른 처리보다 높게 나타났으나 처리간의 유의성은 크지 않았으며, 이는 white LED가 녹색광과 청색광을 포함한 넓은 스펙트럼을 가지고 있어(Fig. 1) RBW LED 혼합 시 다른 파장보다 청색광의 비율이 높아 처리간의 차이가 적은 것으로 판단된다. Jeon et al.(2017)의 연구와 같이 미나리 재배 시 RBW LED의 혼합광 처리가 LED의 파장 특성으로 인해 처리간의 생육 특성의 차이가 크지 않아 본 연구 결과와 유사하였다.
Table 4. Plant growth and development of Sedum takesimense as affected by different LED treatment for 14weeks
yMean separation within columns at p ≤ 0.05 confirmed by Duncan's multiple ranges test (n = 10).
xNS, *, **: Non-significant and significant at p ≤ 0.05 or 0.01, respectively (n = 10).
섬기린초의 항산화물질 함량이 가장 많은 부위로 조사된 잎을 광질 처리 후 분석한 결과(Table 5), 총 안토시아닌 함량은 처리 전보다 광질 처리 후에 약 1/3 감소하였으며, 총 플라보노이드 함량은 모든 처리구에서 약 2 - 3배, 총 페놀 함량은 blue LED 단색광과 혼합광 처리에서 약 1 - 2배 증가하는 경향을 보였다(Tables 3 and 5). 이는 다양한 광질 처리가 식물의 광수용체를 자극하여 물질 생성 조절에 관여하는 것으로 보고되었으며(Butler et al., 1964), Cheon(2016)의 연구에서 식물은 광합성을 하는 과정에서 광 스트레스로 인해 발생한 산화물질을 방어하기 위해 항산화물질을 합성한다고 한 것과 같이 다양한 광질 처리에 따라 항산화물질 함량이 처리 전에 비해 감소 및 증가한 것으로 판단된다. 또한, Oh et al.(2017)의 연구에서 돌나물과 식물의 항산화물질 함량은 대부분 총플라보노이드로 이루어진 총 페놀 성분으로 보고된것과 같이 섬기린초에 광질을 처리한 결과 총 플라보노이드와 총 페놀의 함량이 증가한 것으로 판단된다. 총 플라보노이드와 총 페놀의 생합성은 페놀계 물질대사 효소인 phenylalanine ammonialyase와 chalcone synthase의 관여를 받으며, 이 효소는 광질에 따라 영향을 받기 때문에 물질 함량 또한 광질에 따라 함량이 변화하는것으로 보고되었다(Nascimento et al., 2013).
Table 5. Antioxidant concentrations and activity of the leaves of Sedum takesimense as affected by LED treatment for 14weeks
ymg of cyanidin 3-O-glucoside equivalents (CGE) per 100g fresh weight (FW).
xmg of catechin equivalents (CE) per 100g fresh weight (FW).
wmg of gallic acid equivalents (GAE) per 100g fresh weight (FW).
v, umg of vitamin C equivalents (VCE) per 100g fresh weight (FW).
tMean separation within columns at p ≤ 0.05 confirmed by Duncan's multiple ranges test (n = 15).
총 플라보노이드 함량을 조사한 결과(Table 5), blue LED 단색광 처리가 다른 처리구에 비해 높은 것으로 나타났으며, 총 페놀 함량 또한 blue LED 단색광 처리 시 가장 높게 나타나 생육 조사 결과와 같이 엽생장뿐만 아니라 항산화물질 함량 증진에도 효과적인 것으로 판단된다. 이는 Nascimento et al.(2013)의 연구에서 돌나물과 칼랑코에 잎을 blue LED로 처리한 실험구에서 총 페놀 함량이 높았다는 결과와 일치하였으며, blue LED의 영향에 의해 칼랑코에 잎의 화학적 구조가 변형되어 총 페놀 함량이 향상된 것으로 보고되었다. 또한, blue LED 처리가 페놀화합물의 합성물질 생성이 촉진되어 페놀 성분이 향상된 것으로 연구되었으며(Qian et al., 2016), 잎은 광합성이 이루어지는 부위로 총 플라보노이드와 총 페놀은 광합성 과정에서 합성되는 페놀화합물이기 때문에(Lee et al., 2005) 섬기린초의 엽생장에 효과적이었던 blue LED 처리에서 항산화물질 함량이 높게 나타난 것으로 판단된다.
광질에 따른 항산화 활성을 조사한 결과(Table 5), 섬기린초의 DPPH radical 소거 활성은 광질처리 후 대조구와 white LED 처리구를 제외한 처리구에서 약 4 - 8배 증가하는 경향을 보였다(Tables 3 and 5). 특히, blue LED 단파장 처리구가 DPPH radical 및 ABTS radical 소거 활성이 가장 높게 나타났으며, 이는 위의 결과와 같이 총 플라보노이드로 이루어진 총 페놀 성분이 항산화 물질을 구성하고 있기 때문인 것으로 판단된다. Qian et al.(2016)의 연구에서 Chinese kale을 blue LED를 처리 했을 때 DPPH radical과 ABTS radical 소거 활성 표준 물질인 vitamin C의 함량이 증가하여 blue LED가 항산화 활성에 효과적이라고 보고한 결과와 같았으며, Zhan et al.(2012)의 연구와 같이 광합성 능력이 향상됨에 따라 vitamin C 합성 속도가 증가하여 섬기린초의 항산화 활성에 영향을 미친 것으로 판단된다. 이에 따라 blue LED를 처리한 섬기린초의 항산화물질 함량과 활성간의 상관관계를 분석한 결과(Table 6), 총 안토시아닌은 다른 요인과 상관관계가 없는 것으로 조사되었으며, 총 플라보노이드와 총 페놀은 서로 간의 상관관계가 높고(r = 0.821, p ≤ 0.05), DPPH radical 및 ABTS radical 소거 활성과도 상관관계를 가지는 것으로 조사되었다(r = 0.505, p ≤ 0.05; r = 0.767, p ≤ 0.01). 또한, 총 페놀과 DPPH radical 및 ABTS radical 소거 활성은 각각 r = 0.868, 0.862(p ≤ 0.01)로 상관관계가 높은 것으로 나타났다. 이를 통해 섬기린초 생육 시 blue LED 처리는 항산화물질 합성에 영향을 미치며 이로 인해 생성된 항산화물질은 항산화 활성의 주요 작용인자로 기여하는 것으로 판단된다. 식물의 총 플라보노이드와 총 페놀의 합성은 파이토크롬에서 이루어지며, 적색광이 파이토크롬 내 총 플라보노이드 및 총 페놀합성효소를 자극하고 청색광이 항산화물질 합성을 위해 촉매효소를 자극시키는 것으로 연구되었다(Schijlen et al., 2004). 또한, 크립토크롬은 청색광을 감지하는 플라보 단백질로 빛에 의해 활성화되어 총 플라보노이드와 총 페놀 합성에 영향을 미치고 청색광이 크립토크론을 자극시키는 것으로 보고되었으며(Zheng and Van Labeke, 2017), 본 연구 결과에서 이와 같은 영향으로 blue LED 처리가 섬기린초의 항산화물질 함량과 활성을 증가시켜 효과적인 것으로 판단된다.
Table 6. Correlation between antioxidant concentration and activities of the leaves of Sedum takesimense as affected by blue LED treatment
따라서, 돌나물과 식물 중 섬기린초 잎이 항산화 천연화합물을 다량 보유하고 있고, 항산화 활성이 높아 기능성 자원식물로서 활용 가치가 있는 것으로 판단된다. 또한, 돌나물과 식물의 최적 광조건(Kim and Kim, 2015)보다 저광도인 100µmol·m-2·s-1 PPFD에서 생육이 가능하고, 특히, blue LED 처리 시 항산화물질 함량 및 활성이 증가하였기 때문에, 추후 기능성 자원식물로 활용하기 위해 식물공장 시스템을 적용한 대량생산이 가능할 것으로 판단된다.
