Abstract
The effects of elevated atmospheric $CO_2$ on photosynthesis and growth of Chinese cabbage (Brassica campestris subsp. napus var. pekinensis) were investigated to predict productivity in highland cropping in an environment where $CO_2$ levels are increasing. Vegetative growth, based on fresh weight of the aerial part, and leaf characteristics (number, area, length, and width) of Chinese cabbage grown for 5 weeks, increased significantly under elevated $CO_2$ ($800{\mu}mol{\cdot}mol^{-1}$) compared to ambient $CO_2$ ($400{\mu}mol{\cdot}mol^{-1}$). The photosynthetic rate (A), stomatal conductance ($g_s$), and water use efficiency (WUE) increased, although the transpiration rate (E) decreased, under elevated atmospheric $CO_2$. The photosynthetic light-response parameters, the maximum photosynthetic rate ($A_{max}$) and apparent quantum yield (${\varphi}$), were higher at elevated $CO_2$ than at ambient $CO_2$, while the light compensation point ($Q_{comp}$) was lower at elevated $CO_2$. In particular, the maximum photosynthetic rate ($A_{max}$) was higher at elevated $CO_2$ by 2.2-fold than at ambient $CO_2$. However, the photosynthetic $CO_2$-response parameters such as light respiration rate ($R_p$), maximum Rubisco carboxylation efficiency ($V_{cmax}$), and $CO_2$ compensation point (CCP) were less responsive to elevated $CO_2$ relative to the light-response parameters. The photochemical efficiency parameters ($F_v/F_m$, $F_v/F_o$) of PSII were not significantly affected by elevated $CO_2$, suggesting that elevated atmospheric $CO_2$ will not reduce the photosynthetic efficiency of Chinese cabbage in highland cropping. The optimal temperature for photosynthesis shifted significantly by about $2^{\circ}C$ under elevated $CO_2$. Above the optimal temperature, the photosynthetic rate (A) decreased and the dark respiration rate ($R_d$) increased as the temperature increased. These findings indicate that future increases in $CO_2$ will favor the growth of Chinese cabbage on highland cropping, and its productivity will increase due to the increase in photosynthetic affinity for light rather than $CO_2$.
본 연구는 대기 중 $CO_2$ 농도의 증가가 배추(B. campestris subsp. napus var. pekinensis)의 광합성과 생리적 특성에 미치는 영향을 조사하여 미래의 대기중 $CO_2$ 농도 증가로 인한 고랭지 배추의 생산성을 예측해 보고자 수행하였다. 대기 $CO_2$ 농도를 달리하여 배추를 5주 동안 재배하였을 때, 지상부 생체량, 엽수, 엽면적, 엽장, 엽폭은 모두 대기 $CO_2$ 농도 조건($400{\mu}mol{\cdot}mol^{-1}$)에서 재배된 배추에서보다 고농도의 $CO_2$ 조건($800{\mu}mol{\cdot}mol^{-1}$)에서 재배된 배추에서 더 높게 나타났다. 그리고 증산률(E)이 다소 낮았지만, $CO_2$ 고정률(A), 기공전도도($g_s$)와 수분이용효율(WUE)도 고농도의 $CO_2$에서 높았다. 최대광합성률($A_{max}$)은 대조구인 대기 중 $CO_2$ 농도에서 보다 고농도의 $CO_2$ 조건에서 2.2배 더 높았다. 광보상점($Q_{comp}$)은 대조구에서보다 고농도의 $CO_2$ 조건에서 다소 낮았다. 순양자수율(${\varphi}$)은 고농도의 $CO_2$ 조건에서 재배된 배추에서 높았다. 그러나, $CO_2$반응곡선으로부터 얻은 광호흡률($R_p$), 최대카르복실화속도($V_{cmax}$), $CO_2$ 보상점(CCP), 최대전자전달률($J_{max}$), 탄소고정효율(ACE) 등은 $CO_2$ 농도에 따라서 차이가 없거나 있더라도 미미하였다. 그리고, 광계II의 최대 광화학적 효율($F_v/F_m$)과 잠재적 광합성능($F_v/F_o$)이 $CO_2$ 농도에 따라 유의한 차이를 보이지 않아 고농도 $CO_2$ 조건이 고랭지 재배시 배추의 생육에 스트레스로 작용하지 않는 것으로 보인다. 배추의 광합성을 위한 최적 온도는 고농도 $CO_2$에서 $2^{\circ}C$ 정도 더 높았으며, 최적온도 이상의 조건에서는 대기 $CO_2$와 고농도 $CO_2$에서 모두 $CO_2$ 고정률은 감소하고 암호흡은 증가하는 양상을 보였다. 이상의 결과로부터 미래의 대기 중 $CO_2$ 증가는 고랭지 재배시 배추의 생육에 있어서 스트레스 요인으로 작용하지는 않으며 수광량의 증가가 생산성을 향상시킬 것으로 보인다.
