Change in Germination and Physiological Properties of Hippophae rhamnoides Seeds by Different Storage Period

갈매보리수나무 종자의 저장기간에 따른 발아 및 생리적 특성

Abstract

Germination properties, leachate electrical conductivity (EC), and inorganic compound leaching were analyzed to ascertain the storage ability and change of physiological characteristics during storage of Hippophae rhamnoides seeds. Seeds were placed in an incubator at 25℃ and sown in different soil media (sand, vermiculite and horticultural substrate) after being stored for 6, 18 and 30 months at 2℃. All germination properties decreased in accordance to an increase of the seed storage period. Compared with the seed storage for 18 months, germination percentage (GP), germination performance index (GPI), and germination value (GV) of seeds stored for 30 months decreased by more than 50%. When the seeds were sown in different soil media in a greenhouse, those germination properties were similar to the seeds germinated in an incubator, and mean germination time, GPI and GV had a significant difference except GP among soil media. EC and inorganic ion concentration had a strong positive correlation with the seed storage period, but the ratios of inorganic ions from stored seeds revealed that K⁺/Mg²⁺ and Na⁺/Mg²⁺ were inversely correlated with the storage period.

서 언

종자는 수종 및 품종에 따라 차이는 있으나 저장기간에 따라 활력이 감소한다. 이러한 과정에서 호흡감소, 지방산 증가, 발아율 저하, 비정상묘 증가, 효소활동 감소, 종자 침출물 증가, 저항력 감소, 변색 등의 변화들을 수반하는데 이를 종자의 퇴화라 한다(Bewley and Black, 1982).

일반적으로 종자는 저장특성에 따라 일반 건조 저장성 종자(orthodox seed), 난저장성 종자(recalcitrant seed), 중간 저장성 종자(intermediate seed)로 구분된다(Roberts, 1973; Ellis et al., 1990). 대부분 식물 종자는 건조가 가능하여 저장이 용이한데, 소나무나 가문비나무는 6~8%, 전나무, 향나무, 활엽수 종은 10~15%의 낮은 종자 수분함량에서 장기간 저장이 가능하며, 참나무류와 밤나무 같은 난저장성 종자는 수분함량 20~40% 이하에서 활력이 떨어지기 시작한다. 또한 최근 많은 정보들이 보고되고 있는 중간 저장성 종자는 10~12% 대의 낮은 종자 수분함량에서도 활력을 유지하나, 상대습도 40%의 건조 상태에서 저장시 활력이 감소되거나 영상의 온도에서 보다 0℃에서 활력이 급격히 저하하는 저장 특성을 보인다(Kim, 2009). 모든 종자는 저장할 동안 저장온도, 수분함량 등의 요인에 따라 퇴화한다(Tang et al., 1999). 종자의 활력 소실은 어쩔 수 없는 생리현상이며, 불가역적 현상으로 활력 소실을 되돌릴 수는 없으나 저장 환경조건을 조절해 줌으로서 활력감소 속도를 지연시킬 수 있다(Moore, 1955; Woodstock, 1973). 따라서 종자의 산업적 활용 및 생산 효율 증대를 위해서라도 수종별 종자의 저장성 및 적정 저장조건 등을 구명하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다. 또한 저장성이 없는 종자는 장기 저장 기술 개발을 통하여 고품질 유전자원의 장기 보존을 위한 노력을 지속해야 할 것이다.

갈매보리수나무(Hippophae rhamnodes L.)는 보리수나무과(Elaeagnaceae)에 속하는 낙엽활엽 관목으로서 비타민나무, 산자나무 등으로 불러지고 있다. 내한성이 매우 강한 수종으로서 –43~40 ℃의 온도범위와 다양한 기후 및 토양조건에서 생육이 가능하다. 질소고정능력이 뛰어나며, 잎과 열매 등에서 비타민, 플라보노이드, 아미노산 등의 풍부한 유효성분을 포함하고 있는 것으로 알려져 기능성 식품 개발 측면에서도 그 가치를 인정받고 있다(Baiey and Baiey, 1978; Geetha et al., 2002; Ganju et al., 2005; Tiitinen et al., 2006; Khatab et al., 2006). 이에 따라 갈매보리수나무를 상업적으로 활용하고자 임목의 대량생산 및 재배기술에 대한 연구에 관심을 기울이고 있으나 아직까지는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구는 갈매보리수나무의 재배확대를 위한 대량생산을 목적으로 종자 저장성을 구명하고, 이에 따른 생리적 특성을 분석함으로서 유용 유전자원의 장기보존에 도움을 주고자 실시되었다.

 

재료 및 방법

실험재료

본 연구에서는 몽골 중앙도 좀모토시 지역에서 2008년 10월에 채취한 갈매보리수나무(H. rhamnoides) 종자를 각각 6, 18, 30개월 동안 온도 2℃, 상대습도 30% 저온저장고에서 보관 후 2011년 4월 실험에 이용하였다. 저장 전 종자의 활력은 96%, 수분함량은 9.3%이었다. 이때 종자 활력은 테트라졸리움 1.0% 용액을 이용하였으며, 수분함량은 적외선 수분함량 분석기(FD-600, Japan)을 이용하여 분석하였다.

종자 발아특성 조사

갈매보리수나무 종자의 치상환경에 따른 발아반응을 알아보고자 2011년 4월 초에 저장기간별 종자를 각각 기내와 온실에 파종하였다. 기내 환경에서의 발아특성을 분석하기 위해 25℃로 설정된 incubator에 각각 50립씩 3반복으로 종자를 petri-dish에 치상하였다. 이때 광 조건은 명(明)조건 8 시간, 암(暗)조건 16시간으로 설정하였다. 온실 파종의 경우 토양 종류에 따른 반응을 살펴보기 위해 파종 상토로서 모래, 질석, 원예용 상토(2호, 농우바이오, 한국)를 이용하였다. 치상된 종자는 매일 발아 조사를 실시하였으며, 유근 또는 자엽이 2 ㎜ 이상 돌출하였을때 발아한 것으로 간주하였다. 발아특성으로서 발아율(germination percentage, GP), 평균발아일수(mean germination time, MGT), 발아균일지수(germination performance index, GPI), 발아치(germination value, GV)가 조사되었다. 또한 발아종자를 20일 동안 생장시킨 후 유근길이를 측정하여 비교하였으며, 발아율과 유근길이 데이터를 이용하여 종자활력지수(seed vigour index, SVI)를 산출하였다(Murthy et al., 2003). 발아율은 총 공시종자에 대한 발아종자의 백분율로 표시하였으며, 평균발아일수는 MGT=∑(tini)/N의 식을 이용하였다. 여기서 ti는 치상 후 조사일수, ni는 조사 당일의 발아수, N은 총 발아수이다(Scott et al., 1984). 발아균일지수는 GPI=GP/MGT의 식을 이용하였으며(Stundstrom et al., 1987), 발아치 GV=PV×MDG의 식을 이용하였다(Czabator, 1962). PV (peak value)는 누적발아율을 치상 후 조사일수로 나눈 값 중 최고치이며, MDG (mean daily germination)는 일평균발아율이다.

종자의 생리적 특성 조사

종자의 생리적 특성으로서 전기전도도(electrical conductivity)와 무기이온(K+, Na+, Mg2+, Ca2+)이 분석되었는데, 25 립의 종자를 25 ml증류수에 24℃에서 24시간 동안 침지한 후 각각 전기전도도 측정기(CM-30R, Japan) 및 원자흡광광도계(AAnalyst 100, USA)를 이용하여 실시하였다(Kim et al., 2010).

 

결과 및 고찰

종자 발아특성

저장기간별 갈매보리수나무 종자를 기내에 치상한 결과, 발아특성 대부분은 저장기간에 따라 감소하는 경향을 나타냈다(Table 1). 발아율의 경우 저장 6개월 종자가 92.7%, 18개월 저장종자 84.0%, 30개월 저장종자 30.0%였으며(p<0.01), 평균 발아일수는 저장기간에 따라 각각 8.1일, 7.6일, 6.3일이었다(p<0.05). 발아균일지수는 6개월 저장종자는 11.4, 18개월 저장종자는 11.1, 30개월 저장종자는 4.8을 나타내었고(p<0.01), 발아치는 각각 36.6, 32.4, 7.8을 나타냈다. 모든 발아특성에서 18개월 이후 큰 폭으로 감소하는 경향을 보여주었는데(p<0.01), 발아율, 발아균일지수, 발아치는 30개월 저장했을 때 18개월 대비 50% 이상 크게 낮아지는 것으로 나타났다. 특히, 발아치의 경우 감소율이 75.9%로 가장 컸다. 또한 저장기간에 따른 발아 유근길이(p<0.05) 및 종자 활력지수(p<0.01) 역시 유의적인 차이를 보이며 감소하는 경향을 나타내었는데(Table 1), Murthy et al. (2003)도 Vigna radiata 종자의 저장기간별 종자 활력지수를 조사한 결과, 저장기간이 길어질수록 급격히 감소하였으며, 이는 수분함량과 밀접한 관계를 보였다고 하였다. Jeong et al. (2007)은 저장조건에 따른 비타민나무(갈매보리수나무) 종자 발아율을 조사한 결과, 채종 직후 98%, 6개월 저장시 90.0%, 10개월 저장시 50% 수준으로 낮아졌다고 보고하였는데, 본 연구와 감소하는 경향은 유사하였으나 감소 폭에서는 차이를 나타내었다. 또한 발아 소요일수의 경우 10개월 종자의 T50(치상종자의 50%가 발아할 때까지 소요되는 일수)은 1개월 저장종자 대비 1.6배 길어졌다고 하였으나 본 연구에서의 평균발아일수는 오히려 짧아지는 경향을 보였다. 이는 Jeong et al. (2007)의 연구에서는 저장기간이 길어질수록 발아가 지연된 반면 본 연구에서는 조기 고사 종자가 증가하였기 때문으로 판단된다. 보리수나무과 종자는 대부분 건조저장성 종자로 건조상태에서 저온에 쉽게 저장된다고 알려져 있는데, 특히 비타민나무속(HippophaeL.) 종자는 상온에서 1~2년(Slabaugh, 1974), 0~5℃에서 2년 이상 활력을 유지하고(Wyman, 1953), 4~5년간 60% 활력을 유지(Smirnova and Tikhomirova, 1980)한다고 보고되었다. 그러나 본 연구와 Jeong et al. (2007)의 연구를 통해서도 알 수 있듯이 갈매보리수나무 종자의 저장기간에 따른 활력 소실은 기존의 연구결과 보다 더 컸다. 한편, 본 연구에서 나타난 것과 같이 저장기간이 짧은 종자는 오래된 종자 보다 종자 활력이 더 우수하여 발아율 및 유묘 출현율이 더 높다는 결과는 Yoon (1999), Han et al. (2004), Lee et al. (2006)의 보고에서도 잘 나타나 있다.

Table 1.zGP: germination percentage, yMGT: mean germination time, xGPI: germination performance index, wGV: germination value, vRL: radicle length, uSVI: seed vigour index.

저장기간이 다른 갈매보리수나무 종자를 모래, 질석, 인공배양토에 각각 파종한 후 나타난 발아반응에 대해 ANOVA를 실시한 결과(Table 2), 발아율의 경우 저장기간에서만 유의성이 인정되었으며(p<0.01), 평균발아일수는 저장기간, 토양종류, 두 요인간 상호작용 모두 통계적 유의성이 인정되었다(p<0.01). 발아균일지수 역시 저장기간(p<0.01) 및 토양종류(p<0.01), 상호작용(p<0.05) 모두에서 유의적 차이를 보였으나 발아치는 저장기간(p<0.01)과 토양종류(p<0.01)에서만 유의성이 인정되었다. 발아특성에 있어 6개월 저장된 종자는 토양종류에 따라 82.7~88.0%(평균 84.9%)의 발아율을 나타내었으나, 18개월 저장했을 때 66.0~67.3%(평균 67.1%)로 감소하였다(Fig. 1A). 이것은 6개월 저장했을 때와 비교할 때 18~25% 가량 감소한 수치이다. 30개월 저장종자의 발아율은 27.3~32.9%(평균 30.0%) 로 18개월 저장종자와 비교했을 때 약 51~59%의 감소율을 보여 기내 발아와 마찬가지로 저장 18개월 이후 큰 폭으로 감소함을 알 수 있었다(Fig. 1A). 한편, 갈매보리수나무 종자는 온실에 파종했을 경우 기내에 치상했을 때 보다 저장기간에 따라 약 0~20% 낮은 발아율을 보였는데, 저장기간에 따라 활력이 감소될수록 외부 스트레스에 취약함을 추측할 수 있다. 온실 파종 종자의 평균발아일수는 토양종류에 따라 상이한 결과를 나타내었는데, 모래와 원예용 상토에 파종한 경우 발아일수가 짧아진 반면, 질석에 파종한 경우는 발아일수가 길어져 발아가 지연되는 모습을 보였다(Fig. 1B). 발아균일지수 및 발아치 역시 발아율과 유사한 감소 경향을 보였는데(Fig. 1C, D), 발아균일지수의 경우 18개월 저장종자는 6개월 저장 대비 평균 14.7%, 30개월 저장종자는 18개월 저장 대비 평균 56.2% 감소하였다. 발아치는 6개월 및 18개월 대비 18개월, 30개월 저장시 각각 평균 31.3%, 평균 80.7% 감소율을 나타내어 기내에 치상했을 때와 마찬가지로 18개월 이후 급격히 감소함을 알 수 있었다.

Table 2.zGP: germination percentage, yMGT: mean germination time, xGPI: germination performance index, wGV: germination value.

Fig. 1.Germination response of H. rhamnoides seeds with different storage period sown at different soil media

종자의 생리적 특성

저장기간에 따른 종자의 생리적 특성으로서 누출액의 전기전도도와 무기이온 함량이 분석되었는데, 모두 종자 저장기간이 늘어날수록 증가하는 경향을 보였다(Fig. 2A). 종자는 수분을 흡수할 때 100MPa의 압력을 받게 되며, 이때 세포막이 손상되어 저장양분의 누출이 일어난다(Simon and Raja-Harun, 1972; Taylor et al., 1993; Lee and Hong, 1995a; Lee and Hong, 1995b; Lee and Hong, 1997; Lee et al., 1997). 건전종자의 경우 손상받은 세포막이 곧 회복되어 누출 저장양분은 많지 않으나, 죽은 종자나 활력이 낮은 종자는 세포막 기능이 상실되어 가용성 당(Abdul-Bake and Anderson, 1970)이나 아미노산(Taylor et al., 1995), 무기성분(Loomis and Smith, 1980; Woodstock et al., 1985) 등의 누출량이 증가하게 된다. 본 실험에서도 저장기간에 따라 종자 활력이 감소(McDonald, 1999)되어 전기전도도 및 무기이온 함량이 증가한 것으로 판단된다. 종자 활력 소실과 전기전도도 증가에 대한 결과는 대두, 목화, 옥수수 등(Matthews and Powell, 2006)과 파툴라소나무(Pinus patula) 종자(Demelsh et al., 2004), 유럽 너도밤나무(Fagus sylvatica) 종자(Pukacka and Ratajczak, 2007)의 연구에서도 많이 나타나있다. Woodstock et al. (1985)도 종자 퇴화와 저장양분과의 관계에 대해 분석한 결과에서 목화의 경우 저활력 종자에서 K+와 Ca2+ 누출량이 증가하였다고 보고하였다. 그러나 Kim et al. (2010)이 참느릅나무 종자를 대상으로 한 연구에서는 전기전도도만 증가하였을 뿐 무기이온은 활력감소에 따라 감소되거나 변화가 없어 본 연구와 차이를 나타내었다. 한편, 무기이온 비율 중 K+/Mg2+, K+/Ca2+, Ca2+/Mg2+, Na+/Mg2+는 저장기간이 길어질수록 감소하는 경향을 나타낸 반면, K+/Na+, Ca2+/Na+는 뚜렷한 경향을 나타내지 않았다(Fig. 2B). 종자로부터 누출된 무기이온 구성물은 종자 활력과 밀접한 관계가 있다고 보고되었는데, 무기이온의 누출은 목화(Woodstock et al., 1985), 무, 양배추, 브로콜리(Min, 1995), 옥수수(Miguel and Marcos-Filho, 2002), 콩(Cheng et al., 2005) 등을 대상으로한 연구에서 세포막 보전(cell membrane integrity)의 지표가 된다고 하였다. 특히, Woodstock et al. (1985)은 K+와 Ca2+가 종자 생리적 잠재력(physiological potential)을 평가하는 지표로 이용된다고 하였다. 세포막 보전은 종자 퇴화 과정 중 변화 인자의 하나로 간주되고 있는데(McDonald, 1999; Matthews and Powell, 2006), 저활력 종자에서 무기이온과 같은 세포 구성물질의 손실이 더 높다고 보고되기도 하였다.

Fig. 2.Change of electrical conductivity (EC), inorganic ion concentration (A) and ion ratio (B) in electrolyte leakage from H. rhamnoides seeds with different storage period.

갈매보리수나무 종자의 전기전도도나 무기이온 함량 및 무기이온 비율이 종자 저장기간에 따른 종자 활력 지표로서 적정한지 확인하고자 상관분석을 실시하였다(Table 3). 그 결과, 발아특성은 종자 저장기간과 매우 높은 유의성을 나타내었는데(p<0.01), 발아율, 평균발아일수, 발아균일지수, 발아치의 상관계수는 각각 −0.82, −0.83, −0.90, −0.86이었다. 전기전도도 및 무기이온 함량 역시 모든 항목에서 종자 저장기간과 높은 유의성 상관성을 나타내었으나 무기이온 비율의 경우에는 K+/Mg2+와 Na+/Mg2+만이 유의성이 인정되었다(p<0.01). 무기이온 비율은 모두 종자 저장기간과 부(−)의 상관을 나타내었는데, K+/Mg2+(r=−0.85), Na+/Mg2+(r=−0.81)의 상관계수는 Ca2+/Mg2+(r=−0.61), Ca2+/Na+(r=−0.37) 보다 높았다. 그 동안 종자 활력과 전기전도도 및 무기이온과의 상관관계에 관한 연구가 여러 차례 보고된 바 있는데, 참느릅나무 종자(Kim et al., 2010)의 경우, 전기전도도 및 Mg2+, K+/Mg2+, Ca2+/Mg2+, Na+/Mg2+에서 종자 활력과 높은 상관성을 나타내었다고 하였으며, 피라칸다 종자(Kim and Han, 2010)는 Ca2+, Na+ 및 K+/Ca2+, K+/Na+, Mg2+/Ca2+, Mg2+/Na+에서 상관성이 높게 나타났다고 보고되었다. 그리고 비술나무와 결구배추 종자(Wang et al., 2003)는 K+와 Ca2+에서 종자 활력과 높은 상관성을 나타내었다고 하였다. 이 같은 자료는 종자 누출액의 전기전도도 및 무기이온은 종자 활력을 판단하는 지표는 될 수 있으나 종에 따라 차이가 나타날 수 있음을 보여준다.

Table 3.zEC: electrical conductivity. *, **significant at p<0.05, or 0.01, respectively.

결과적으로, 갈매보리수나무 종자는 저장기간에 따라 발아 특성이 급격히 감소하며, 이에 수반된 생리적 특성 또한 변화가 심하여 장기보존 대책이 필요한 것으로 사료되었다. 또한 생리적 특성인 전기전도도 및 무기이온 함량의 경우 종자활력을 판단하는 지표로 많이 사용되고 있는데, 식물 종에 따라 차이가 나타나므로 종별 적용 가능한 항목을 구명한 후 활용해야 할 것으로 판단되었다.

 

적 요

갈매보리수나무의 재배확대를 위한 대량생산을 목적으로 종자 저장성을 구명하고, 이에 따른 생리적 특성을 분석하였다. 종자를 6, 18, 30개월 저장한 후 발아특성을 조사한 결과, 기내 치상의 경우 모든 발아특성에서 18개월 이후 큰 폭으로 감소하는 경향을 보여주었는데, 발아율, 발아균일지수, 발아치는 30개월 저장했을 때 18개월 대비 50% 이상 크게 낮아졌다. 특히, 발아치의 경우 감소율이 75.9%로 가장 컸다. 온실 내 토양 종류별로 파종한 경우, 발아특성은 기내 치상과 마찬가지로 저장기간에 따라 감소하는 경향을 보였다. 토양종류 간에는 발아율을 제외하고는 평균발아일수, 발아균일지수, 발아치 모두 차이를 나타내었다. 종자 저장기간에 따른 전기전도도 및 무기이온(K+, Na+, Mg2+, Ca2+) 함량은 저장 기간이 늘어날수록 증가하는 경향을 보였다. 무기이온 비율의 경우 K+/Mg2+, K+/Ca2+, Ca2+/Mg2+ , Na+/Mg2+는 저장기간이 길어질수록 감소하는 경향을 나타낸 반면, K+/Na+, Ca2+/Na+는 뚜렷한 경향을 나타내지 않았다. 또한 종자 저장기간은 발아특성과 높은 부(−)의 상관을, 전기전도도 및 무기이온 함량과 높은 정(+)의 상관을 나타내었다. 무기이온 비율은 K+/Mg2+, Na+/Mg2+만이 높은 부(−)의 상관을 나타내었다. 결과적으로, 갈매보리수나무 종자는 저장기간에 따라 발아특성이 급격히 감소하며, 이에 수반된 생리적 특성 또한 변화가 심하여 장기보존 대책이 필요한 것으로 사료되었다.