1. 개요

1. 개요

□ 연구목적

○지역 특성

- 본 탐구의 책임기관인 충주고등학교와 자문기관인 건국대학교가 위치한 충주시는 충청북도 북부 중앙에 위치하며 우리나라에서는 중앙부와 동북부에 위치한다. 인접 지역으로는 동북 방향으로 제천 시, 서쪽으로는 음성군, 남쪽은 괴산군과 경상북도, 북쪽 방향으로는 경기도 및 강원도와 경계를 이루며 예로부터 수운이 편리하고 수자 원이 풍부한 내륙분지에 위치하고 있다. 기후 상으로는 이러한 지역 적 위치조건으로 인하여 온대 계절풍 지대를 형성하여 사계의 구별 이 뚜렷하다. 충주시의 연평균기온은 11.2℃이고, 1월 평균기온 － 4.1℃, 8월 평균기온 24.8℃로, 연교차가 큰 대륙성 기후이다. 연평균 강수량은 1,187.7mm이며, 충주시의 관광명소중 하나인 충주댐 건설 로 안개의 발생일수가 79일로 건설 전보다 72.5％ 증가한 기후적 특징을 보인다.

- 본 연구의 주제와 연관되는 충주 지역의 농업현황을 살펴보면 농

가 수는 12,329농가이며 농업인구는 충주시 전체인구의 16.5%인 34,673명이다. 주요 재배 작물은 사과와 복숭아 등이며, 특히 사 과의 경우 충북지역 중 가장 많은 면적에서 재배되고 있다 (http:

//www.cja.go.kr/cja). 그러나 본 과제와 관련된 충주지역의 화 훼 농가 수는 수십여 농가에 불과하며, 충북 지역 자체가 대한민 국 전체농업인구의 7%를 차지하는 비교적 작은 규모에다 본 연 구과제의 주 대상인 화훼류는 그 작물도 국화, 장미, 백합 및 일 부 호접란 및 심비디움류 등에 불과하며, 그 비중도 전국 생산량 대비 1% 내외로 미미한 실정이다.

- 그러나, 2013년도 9월 충주 인접지역인 음성에 국내 두 번째 규 모의 화훼유통경매장이 완공될 예정이며, 이와 동시에 화훼 경매

/출하/집하장, 원예 치료 아카데미, 자재 백화점 및 교육장 등이 같이 들어서면 음성지역과 인근 지역인 충주지역의 화훼산업 활 성화가 예상된다. 음성군을 비롯한 관련 지자체들도 이번 화훼유 통경매장의 건설을 계기로 인근 지역을 국내 최대의 화훼종합타 운으로 개발할 계획을 제시하고 있으며, 이로 인해 향후 수도권 및 영남권에 위치한 주요 화훼 생산 및 재배 농가 및 관련 자재 회사들의 이주 및 이전을 촉진시켜 충주와 음성, 나아가 충북지 역 전체의 화훼산업 활성화에 기여할 것으로 예상된다.

○ 학교여건

- 본 탐구의 책임기관인 충주고등학교는 2010년부터 교육과학기술 부 지정 과학중점학교로 선정되어 과학의 다양한 영역에 대한 심 도 있는 비교과활동의 탐구활동을 지향한다. 이러한 활동지도방 향에 부합하고자 현재 충주고등학교 학생들이 쉽게 접근할 수 있 는 건국대학교 글로컬캠퍼스와 협력하여 고등학교 과정에서 접 하기 어려운 실험 및 기자재들을 적절히 이용할 수 기회를 마련 하였다. 또한 본 탐구를 수행하기 위해 참여한 외부자문역의 김 종보 교수는 박사학위 이후부터 백합과에 속하는 알스트로메리 아 그리고 같은 단자엽 화훼류인 난과 식물, 튤립 및 잔디류 등의 다양한 작물의 식물생장 및 번식 등에 관한 연구를 수행하고 있 어 연구과제 진행 및 자문에 큰 도움을 얻었으며, 본 과제 책임연 구자와는 지난 2009년도 이후로 과학전람회 등 다양한 분야에서 공동 실험프로젝트를 수행한 실적이 있어 본 과제를 수행하는데 있어서도 원활한 상호 협력과 실험 계획, 의견 교환 등 최적의 환 경에서 심도 있는 실험을 진행할 수 있었다.

○ 연구동기 및 필요성

- 한미 FTA 체결과 더불어 세계 각국과의 자유무역 협정으로 국 내 농업생산성 및 국제경쟁력을 확보하는 것이 최우선과제로 대 두되고 있다. 또한 환경오염으로 인한 이상 기후와 재배면적 감

소는 인류의 생존과 직결되는 식량 부족 문제를 초래하고 있다.

일조량, 기온, 비 등 환경조건에 영향을 받는 기존의 농업시스템 만 고집할 경우 이러한 문제들에 대처하기 어려울 수 있어 최근 생산 및 재배과정에서의 첨단화 및 자동화를 이루기 위한 새로운 농업시스템에 관한 연구들이 많이 수행되고 있다. 그 중 LED 광 원을 이용하여 외부 기후 변화에 관계없이 식물을 일정하게 배양 할 수 있는 식물공장에 대한 관심이 급증하고 있다. LED 광원은 상대적으로 가격이 높아 식물공장 건설시 초기비용이 높은 단점 이 있지만, 식물 생육에 최적의 파장을 조사하고 열이 적게 발생 하며, 소형의 장치로 설치가 가능한 장점으로 식물공장용 새로운 광원으로 이용되고 있다(이, 2010).

- 이러한 여러 장점으로 인해 많은 작물에서 LED 광원을 이용한 특정 파장의 광이 식물체의 생육과 발달에 미치는 영향에 대한 연구에 대한 관심은 증가 중이며, 그에 관한 연구도 진행되고 있 다. 하지만 이러한 선행 연구에도 불구하고 식물의 형태 형성에 일어나는 기작에 대해서는 아직 정확하게 밝혀지지 않았으며, 특 정 작물과 품종별 연구는 더 많은 연구가 필요한 실정이다. 본 연 구에서 실험재료로써 사용된 백합은 백합과에 속하는 단자엽 식 물로 130여 종이 북반구 온대지역에 분포하고, 국내에서는 10여 종이 자생하고 있다. 백합은 품종과 계통 및 자생종이 많으며, 좋 은 향기와, 다양한 화색을 가지는 특징 때문에 유럽을 포함하는 세계 거의 모든 지역에서 인기가 많은 튤립, 글라디올러스와 함 께 세계 3대 절화 중의 하나이다. 국내에서도 백합은 국내 주요 5 대 절화 중의 하나로 화훼산업에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. 그러나 백합 작물재배의 기술적 측면에서 현재 조직배양 기술을 이용한 화훼작물의 대량 생산이 상당히 진척되어 실제 생 산에 응용되고 있으나, 조직배양 체계를 통해 생산된 기내 백합 유묘의 생육환경과 생육상태에 대한 탐구가 부족한 실정이다.

- 따라서 본 탐구를 통해 다른 농업에 비해 충주지역에서 상대적 으로 취약한 화훼작물 재배와 관련된 기술에 대한 기초적인 탐구 를 수행함으로써, 2013년 완공될 충북 음성 화훼경매유통단지에 서 발생될 긍정적인 효과와 더불어 충주지역 화훼재배의 활성화 와 농가소득 증대, 궁극적으로 충북지역 화훼재배의 활성화 및 국내화훼수출의 경쟁력 재고에 이바지할 것이라 생각한다.

○ 목적

- 본 탐구에서는 대표적인 식물대량번식 기술인 조직배양기술을 이용하여 LED 광원의 다양한 파장이 기내에서 증식된 백합 자구 와 신초의 생육 그리고 광합성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보 고 이러한 탐구에서 도출된 결과들이 충북지역 백합재배 농가들 의 생산비 절감을 통한 농가소득 증대에 어느 정도 기여하는지 알아보는데 목적을 두었다.

□ 탐구범위

○ 탐구 분야 및 범위

- 식물조직배양

식물의 대량 증식과 무균묘의 생산, 유전자원의 보존 등 식물분 야에서 다양하게 사용되는 기술인 식물 조직배양 기술은 현재 많 은 식물관련 분야에서 이용되고 있다. 특히, 국내에서는 산삼과 인삼의 세포를 대량 증식시킨 후 유용물질은 사포닌을 추출하기 위한 방법으로 많이 사용되며, 화장품, 제약 분야에서도 특정 물 질을 추출하기 위해 사용된다. 감자에서도 씨감자 생산을 위해 조직배양기술을 이용하여 무균씨감자를 생산하며, 최근에는 첨 단기술인 생명공학기술과 접목되어 유용 유전자가 도입된 식물 체 개발에 기초적인 기술로 사용된다. 식물생명공학기술을 이용 하여 최근 에너지 및 식량 문제를 해결하기위해 바이오에너지용

작물의 개발에도 응용되며 작물의 생산성 증대와 수확시기의 조 절, 병 및 환경스트레스 저항성 등의 특정 형질이 도입된 작물의 개발에 관한 연구도 활발히 진행 중이다.

- LED

LED는 Light Emitting Diode의 약자로써 기존 광원대비 에너지 소모량이 적고 광원의 조절이 가능하여 현재 많은 분야에서 친환 경적 광원으로 사용되고 있다. 가로등, 자동차의 전조등, 독서등 등 생활에 밀접히 관련된 분야부터 식물공장의 광원까지 폭넓게 응용되며 연구 중에 있다. 이 중 식물분야에서는 여러 가지 환경 적 제약을 극복하고자 인공적인 환경에서 안정적으로 재배가 가 능하며 식물의 생육까지 조절 가능한 식물공장에서 사용될 광원 으로써 연구가 활발히 진행 중이다. 현재 특정 광원이 식물이 생 육에 미치는 영향에 대한 분석이 작물마다 이루어지고 있으며, 특히 상추에서는 어떤 조합의 광원을 조사하였을 때, 항산화물질 인 안토시아닌이 많이 축적되는가에 대한 연구가 진행 중이다 (이 등, 2010). 앞서 언급하였듯이 현재 LED는 산업 및 생활 분야 뿐만 아니라 농업에서도 중요한 위치를 차지하며 활발하게 연구 중에 있다.

2. 탐구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 이론적 배경 및 선행 연구

- 환경오염과 이상기후로 인한 경작지의 감소로 인한 식량부족 문 제를 해결하기 위해 세계 각국에서는 많은 연구가 진행 중이다.

여러 방안 중 하나인 식물공장은 경작지 부족을 해결함과 동시에 외부적인 환경요소에 직접적인 영향을 받는 현 농업방식을 인공

적으로 최적화된 환경에서 재배되는 방식으로 바꿈으로써 안정 적인 식물의 재배가 가능하여 현재 이에 관한 연구가 활발히 진 행 중이다. 특히, 식물의 필수적인 대사과정인 광합성과 밀접하 게 연관된 광원에 대한 연구 또한 진행 중이며, 그 중 LED를 이 용한 방법이 가장 각광을 받고 있다. 현재 식물대량증식의 대표 적인 방법으로 이용되는 식물조직배양기술과 식물공장의 차세대 광원으로 각광받는 LED를 이용한 식물의 생육패턴 조사는 미래 를 이끌어나갈 현 고등학생들에게 아주 소중한 경험이 되었다.

- 이미 국내에서 농업분야에서 LED 관련 연구가 활발히 진행 중 이다. 상추(이 등, 2010), 거베라(조 등, 2012), 파프리카(안 등, 2011), 백합(염 등, 1999) 등 많은 작물에서 LED광원이 생육에 미 치는 영향 분석과 안토시아닌 같은 항산화물질의 식물 내에서의 생산을 증가시키기 위한 연구가 진행 중이다.

□ 탐구주제의 선정

○ 탐구주제 선정

- 탐구주제를 선정하기 위해 학생들과 토의를 한 결과 실험적 경 험과 더불어 지역사회에 이바지할 수 있는 주제를 선정하기로 결 정하였다. 주제 선정 중 음성화훼단지 조성관련 기사를 접하게 되었고 충주시의 화훼재배에 도움이 될 수 있는 주제를 선정하기 위해 국내 화훼재배 현황 통계자료를 분석하였다. 그 결과 충주 지역의 소규모 화훼 재배 현황과 국내 5대 절화류 중 하나인 백 합의 자구의 수입으로 인한 생산비 증가 등의 문제점을 발견하게 되었고 이를 해결하기 위한 주제 선정을 위해 지도교사와 자문위 원인 김종보 교수님과 토의를 하였다. 안병은 선생님의 건국대와 의 이전 LED 실험 수행 경험과 김종보 교수님의 화훼분야 전공 등 많은 자문을 얻을 수 있는 최적의 환경이 조성되었다고 판단 하여 이번 탐구주제를 선정하였다.

□ 탐구 방법

○ 실험 기법 및 전문가 자문

- 식물의 대량 증식과 무균묘의 생산, 유전자원의 보존 등 식물분 야에서 다양하게 사용되는 기술인 식물 조직배양 기술을 이용하 여 화훼 농가의 소득 증대 및 경쟁력 재고를 위해 대표적인 화훼 작물인 백합을 이용하여 실험을 진행하였다. 또한 석유자원의 고 갈에 따른 에너지비용 상승과 이에 맞물린 여러 가지 어려움을 극복하고자 최근 거의 모든 분야에서 환경 친화적인 연구가 이루 어지고 있다. 그 중 LED는 에너지 소모량이 기존 광원에 비해 적 고 다양한 파장의 광원을 조사할 수 있어 여러 분야에서 응용되 고 있으며, 현재 사용되는 형광등이나 백열등을 대체할 광원이 다. 특히 농업 분야에서 식물의 생육과 광합성에 필수적인 광원 으로써 이에 대한 관심이 증가하고 있으며, 여러 작물에서 관련 실험이 진행 중이다. 따라서 본 실험에서는 대표적인 화훼 작물 인 백합의 구근 절편을 이용하여 친환경적 광원인 LED가 식물의 생육과 광합성에 미치는 영향을 조사하였다.

- 전문가 자문

LED를 식물 생육에 적용하기 앞서 왜 LED의 사용이 중요한가 에 대한 인식이 필요하다고 판단되어, 식물의 중요 대사 작용인 광합성 작용을 이해하고 각 광합성 단계별 식물이 흡수하는 특수 한 파장에 대한 강의를 하였다. 그리고 식물의 생육 단계별로 사 용되는 특수한 파장을 숙지함으로써, 본 연구의 결과가 어떻게 농업분야에 적용될 수 있는지를 여러 연구 사례를 통해 알려주어 연구 목적과 응용에 실제적인 구상을 할 수 있게 도와주었다. 또 한 현재 활발하게 연구 중인 식물공장의 전체적인 목표와 원리, 필요성, 본 실험에서 사용되는 식물조직배양의 원리와 응용에 대 해 주위에서 쉽게 접할 수 있는 작물을 이용하여 설명 하였다. 실

험 전 정확한 목표 설정과 관련 분야를 이해하여 본격적인 실험 시 정확한 상황판단과 효과적인 실험 참여를 유도하였다. 식물조 직배양의 다양한 응용과 장점을 숙지하고 이러한 기술을 직접 체 험해 볼 수 있게 학생들이 조직배양에 기본적인 장비들을 사용하 고 배지를 제조함으로써 생생한 경험을 얻을 수 있게 하였다. 실 험 중 마주치는 어려움과 오류 등은 원인 분석과 조언을 통해 스 스로 해결하는 방향으로 지도하였다.

□ 탐구 활동 및 과정

○ 가설 설정 및 실험설계

식물생장에 최적의 조건을 형성하기 위해 식물 생육에 가장 중 요한 요소 중 하나인 광조건을 주목표로 정하였다. 식물이 생장 하는데 특정 파장이 쓰이는 선행연구의 결과를 토대로 특정한 단 일 파장을 조사하였을 경우 식물의 생육이 극대화될 것으로 추측 하였다. 따라서 광원의 조절로 식물체 생육조절이 가능할 것이며 그 영향이 어느 정도인지 파악하기로 하였다. 다른 환경적인 조 건의 동일성을 유지하고자 조직배양기술을 이용하여 기내배양을 실시하여 광조건 만을 다르게 하여 실험을 진행하기로 결정하였 다. 백합의 생육변화를 관찰하기 위해 자구의 생체중과 신초의 개수와 길이, 마지막으로 광합성에 필수요소인 엽록소 함량의 변 화를 조사 기준으로 설정하였다.

○ 실험 과정

실험을 시작하기에 앞서 식물 생리와 식물조직배양 기술에 대한

전반적인 이해를 갖기 위해 세미나를 통해 기본적인 원리를 습득 하였다. 또한 백합의 생육적 특징과 실제 LED가 응용되어지는 여러 분야, 특히 LED 광원이 식물 생리에 미치는 영향에 대해 서 로 파트를 나누어 분석하고 발표하여 공유하였다. 기본적인 사전

자료의 조사 후 토의를 거쳐 백합생육에 LED가 미치는 영향에 대한 가설을 설정하였다. 실험기간과 학교생활 그리고 자문기관 인 건국대학교의 상황을 고려하여 실험 스케줄을 작성하여 실험 을 수행하였다. 실험 도중 발생한 오류나 어려움은 자문위원과 지도교사의 도움을 받아 토의하며 해결하였다. 실험은 실험재료 준비 및 LED 설치, 식물조직배양 기술 습득 후 수행하였다. 실험 후 습득한 결과는 자문위원의 도움을 받아 관련 논문 및 자료를 이용하여 본 실험의 결과와 비교 분석 및 정리하였다.

- 광원 : LED 적색광(660nm), LED 청색광 (470nm), LED 혼합광 (적색광+청색광), 암조건, 형광등(612nm, 대조구)

- 광 조건 : 16시간 / 암 조건 : 8시간, - 광도 : 2,500 ~ 2,800lux

- 온도 : 25±1℃

- 관찰 기간: 약 4~8주간 배양 및 관찰

<자구 이식(7.19), 백합 신초 형성 청색광(8.2),(8.30), 생장 측정(10,25)>

○ 시행착오 및 극복

기내배양을 처음 체험하는 학생들의 실험기구 조작 미숙과 경험 부족으로 인해 기내 식물체 배양 시 오염이 발생하였다. 어렵게 실험한 식물체의 오염으로 실험을 다시 시작해야 하는 어려움을

예산계정 지출내역 금액 기자재 및 시설 ․Orion 3-Star Plus pH Meter 외 13종

200만원x1회=200만원 2,000,000 재료비 및 전산

처리비

․MS MEDIUM B5-VITAMINS 외 7종 100

만원x1회=100만원 1,000,000 시작품 제작비 ․ PLANT AGAR외 7종 100만원x1회 1,000,000 경험하였다. 이를 해결하기 위해 실험기구의 소독 철저와 개인위 생 관리 및 실험 시 올바른 복장 착용 및 자세 유지 등에 더욱 주 의하였다. 특히, 자문위원인 김종보 교수님의 개인 지도하에 실 험 기술 실습 및 클린 벤치 오염도 측정을 하였고, 실험자의 손이 얼마나 곰팡이에 오염되어 있는가를 직접 확인하기위해 무균 배 지위에 각자의 손을 찍어 개인의 오염도를 측정하는 실험을 하였 다.

○ 월별 연구 추진 실적

주요 활동 시기 비고

- 실험 재료 준비(백합자구 및 캘러스) 및 선행연구 자료조사

- LED 광원 설치

- 식물배양에 대한 이론 지도

2012. 5. 1.

~2012. 6. 30.

- 탐구실험 진행

- 백합 자구 캘러스의 이식 및 증식 실험 - 생육조사(생체중, 신초 개수와

길이조사, 엽록소 함량 조사)

2012. 7. 1.

~2012. 10. 31.

주1회 관찰, 총 17주간 관찰 및 조 사

- 탐구 결과에 대한 결과 분석 및 중간 보고서 작성 및 제출

- 최종 보고서 작성 지도

2012. 10. 20.~

2012. 11. 30

○ 연구비 사용 내역

=100만원

여비

학생활동교통비(7.10~8.25) 18,100 학생활동식비교통비(7.19~10.25) 187400

학생활동식비,간식비 80,000

인쇄, 복사, 사무

용품 등 보고서 인쇄 250,000

기술정보활동비

학생활동간식비(7.10) 35,000 학생활동식비(7.10~8.25) 174,400 보고서 최종검토 협의 120,000

연구수당

책임지도교사 1,200,000

공동지도교사 700,000

자문수당 1,000,000

간접비 ․간접비 0

합 계 7,764,900

3. 탐구 결과 및 시사점

□ 탐구 결과

○ 탐구 과정

- 실험을 시작하기에 앞서 대학원 선생님들과 적색, 청색, 적+청 색, 형광등(대조구) 총 네 가지 LED 광원 조사 장치를 설치하였 다. 다른 조건의 통일성을 유지하기 위해 조직배양 기술을 이용 하여 동일한 성분이 함유된 배지위에 백합의 자구를 배양하였다.

이를 위해 재료의 소독, 실험재료의 준비 및 치상, 생육배지의 제 조 등 식물조직배양 기술의 기본적인 실험들을 수행하였다. 또한 품종 간 동일한 광조건에서의 생육차이를 비교하기 위해 ‘레드플 레임’과 ‘러블리걸’로 두 품종을 이용하여 실험을 실시하였으며, 각 처리구는 6주 후 생체중(Fresh weight) 및 크기, 신초개수, 엽 록소 함량을 측정하였다.

○ 실험 결과 및 탐구 결론

1. LED 광원에 따른 백합구근의 생체중 변화 조사

- 나리의 두 품종 (레드플레임, 러블리걸)의 구근을 이용하여 광 원에 따른 생육속도를 비교하기 위해 6주까지 2주 간격으로 구근 의 생체중을 측정하였다. 적색, 청색, 적+청색, 형광등, 네 가지 조건으로 실험을 진행하였다. 실험결과 적+청색 처리구에서 가 장 높은 생체중 증가 속도와 생체중을 보였다(그림 1). 6주 후 생 체중 증가는 앞서 말했듯이 적+청색 처리구에서 가장 높았으며 적색, 청색, 형광등 순으로 생체중 증가를 보였다. 이와 같은 결 과를 토대로 백합 구근의 생육에 있어 일반적인 광원인 형광등 (612nm)에 비해 LED를 사용한 특정광원 (적+청색, 적색, 청색)이 더욱 생육을 촉진한다는 것을 확인할 수 있었다. 특히 적색 (660nm), 청색(470nm)을 단독으로 사용하는 것보다 두 광원을 같이 백합에 조사하였을 때 생체중의 생육속도를 더욱 촉진 시킬 수 있어 이를 화훼 농가에 적용 시 높은 소득 증대를 창출할 수 있을 것 이라 기대된다. LED를 이용한 상추의 생육비교 실험에 서도 적색광과 적+청색광을 처리한 개체에서 생체중이 가장 높 았다고 보고하여(이 등, 2010) 본 실험과 동일한 결과를 보였다.

조 등(2012)은 거베라에서 적색광은 생장을 촉진하고, 청색광은 뿌리 생육과 엽록소 함량을 높인다고 보고하였다. 따라서 적+청 색 처리구에서는 식물의 생장과 광합성대사가 같이 촉진되어 다 른 처리구에 비해 생체중이 높은 것으로 생각된다.

- 품종에 따른 백합 구근의 생육비교 실험에서는 ‘레드플레임’이

‘러블리걸’보다 생체중 증가가 더 높았다 (그림 1). 품종에 따른 생체중 증가의 차이는 향후 품종별로 최적화된 광원 탐구에 기초 적인 자료로 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 추가적인 탐구를 통해 품종별 최적화된 광원의 개발을 통해 품종별로 생육속도를 향상시켜 적은 자구를 이용하여 많은 개체수의 확보가 가능하게

되면, 현재 백합재배 농가의 재료비에 상당부분을 차지하는 자구 구입비용의 절감 효과와 이로 인한 농가소득 증대에도 영향을 미 칠 것이라 생각한다.

2. LED 파장에 따른 자구 및 신초 개수 조사

- 광원이 백합 구근의 신초 및 자구 형성에 미치는 영향을 확인하 기 위해 6주간 기내 배양한 절편체의 신초 및 자구 개수를 측정 하였다. 측정 결과 두 품종 모두 적+청 광원 처리구에서 가장 많 은 신초수를 보였다. 조 등(2012)도 LED를 이용한 거베라의 생육 조사에서 적+청색 처리가 신초수의 증가에 효과적이라고 보고하 였다. 그러나 자구 수의 경우 품종 간 다소 다른 결과를 보였다 (그림2). ‘러블리걸’에서는 적색 처리구에서 가장 많은 자구 수를 보였지만, ‘레드플레임’의 경우 적+청색 처리구에서 자구수가 가 장 많았다. 그러나 백합 ‘Pesaro' 품종에서는 청색광을 처리한 개 체에서 자구의 생육이 양호하고 구직경, 생체중, 건물중 모두 다 른 처리에 비해 높은 결과를 보여(염 등, 1999) 본 연구와는 다른 결과를 보였다. 본 실험에서도 품종 간 광원에 따른 자구 수가 차 이를 보여 동일한 작물에서도 품종 간 최적화된 광원에 대한 연 구가 필요하다고 생각한다.

<그림 1> LED 파장에 따른 나리의 품종(레드플레임, 러블리걸) 생체 중의 무게

<그림 2> 6주 생육 후 광원에 따른 나리 품종의 자구 및 신초 비교

<그림 3>　광원에 따른 품종별 개체 길이 조사

3. LED 광원에 따른 백합 자구에서 발생된 신초의 길이 조사 - 특정 광원이 백합의 신초 생장에 미치는 영향을 확인하고자 광 원에 따른 신초의 길이를 비교하였다. 두 품종 모두에서 청색을 조사하였을 경우 신초의 길이가 가장 긴 것으로 나타났다. 이러 한 결과는 이전 보고와는 상반된 모습을 보였다. 상추에서는 적 색광을 조사하였을 때 잎의 생육이 가장 촉진되었고(이 등, 2010),

거베라에서도 기내 생육시 적+청 혼합 처리구에서 가장 신초길 이가 길었으며, 적색광을 처리하였을 경우 전반적으로 잎의 형태 가 길어진다고 보고되었다(조 등, 2012). 그러나 본 실험에서는 적색광과 적+청색광 처리구에서 다른 광원에 비해 신초길이가 짧게 나타났다. 이러한 결과, 작물 간 단일 파장의 광원이 식물의 생육에 다른 영향을 줄 수 있으며, 최적의 생육조건 확립을 위해 서는 추가적인 관련연구가 필요하다고 판단된다. 본 결과를 토대 로, 화훼 농가에서 백합재배 시 생육과정에서 청색광원의 비중을 늘려 조사할 경우 식물생장이 촉진되어 수확시기를 단축할 수 있 을 것으로 판단되며, 이를 통해 연간 수확횟수의 증가와 관리비 절감으로 추가적인 소득증대를 할 수 있을 것으로 기대된다.

[레드플레임]

적색 청색 적+청색 형광등

[러블리걸]

적색 청색 적+청색 형광등

<그림 4> 백합 레드플레임과 러블리걸의 광원비교 사진 (6주 후)

4. LED 광원에 따른 엽록소와 카로티노이드 함량조사

- 식물체의 가장 중요한 특징은 광합성이다. 식물은 광합성을 통 해 영양분을 생성하여 생장하며 이는 식물 생존에 필수적인 요소 이다. 본 실험에서는 식물의 가장 필수적인 대사활동 중 하나인 광합성에 LED 광원이 미치는 영향을 확인하고자 수행하였다. 광 합성에 직접적으로 영향을 미치는 엽록소 (Chlorophyll) A와 B, 카로티노이드 (Carotenoid) 함량을 분석하여 식물의 광합성 변화 를 측정하였다. 각 처리구별 잎(가로 1cm×세로 1cm)을 채취하여 95% 에탄올 용액에 침지하고, 각 샘플을 80℃ 항온수조 (JSResearch Inc. Korea)에서 20분간 진탕배양 하여 엽록소를 추 출하였다. 추출된 엽록소는 spectrophotometer(Libra S22, Biochrom. U.K.)을 이용하여 OD (Optical density) 470, 648, 664 nm를 측정·분석하였다.

- 엽록소 함량 계산법 (남 과 안, 2000) Chl. A= 13.36×A664 - 5.19×A648

Chl. B= 27.43×A648 - 8.12×A664

Carotenoid= (1,000×A470 - 2.14×Chl. A - 97.64×Chl. B) / 209

- 분석 결과 엽록소 A 와 B, 카로티노이드의 함량이 품종별로 차 이를 보였다. ‘레드플레임’에서는 적+청색광이 ‘러블리걸’에서는 적색광 처리구에서 가장 높은 엽록소 함량을 보여 품종 간에도 엽록소함량을 증가시키는 광원에서 차이를 보이는 것을 확인하 였다. 그리고 적색광과 청색광 비교시 적색광에서 보다 높은 엽 록소 함량을 보여 백합의 생육시에는 적색광이 엽록소 함량의 증 가에 효과적으로 나타났다. 이러한 결과는 거베라(조 등, 2012)와 Doritaenopsis(Shin et al., 2008)에서는 다른 양상을 보였다. Shin et al. 은 청색광에서 자란 식물에서 엽록소 함량이 높게 나타난 다고 보고하였으며, 조 등(2012)도 청색광이 식물의 엽록소 함량 을 높인다고 하였다. 그러나 두 품종 모두에서 적색광이 광합성

함량 증가에 효과적인 것으로 판단되며 백합 광합성 증가를 위해 서는 품종에 따라 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다(표 1).

<표 1> LED 광원에 따른 엽록소 함량 분석

품종 광원 엽록소 A 엽록소 B 카로티노이드

레드플레임

적 9.017 2.397 2.357 청 8.401 2.310 2.127 적+청 11.306 3.203 2.953 형광등 7.422 2.238 2.070

러블리걸

적 8.603 2.491 2.148 청 5.489 1.640 1.455 적+청 6.023 1.850 1.713 형광등 8.031 2.389 2.172

□ 시사점

○ 탐구 활동을 통해 얻은 학습 효과 및 개선점

-본 탐구는 식물생육 및 실험결과 등에 대한 관찰과 분석을 직접 체험하고 이로 인해 식물에 대한 관심과 이해를 높이며, 그동안 관심이 감소하고 있는 이공계 분야에 대한 깊이 있는 경험을 얻 을 수 있는 좋은 기회였다. 특히 단순하다고 생각했던 농업관련 분야에 대해 과학적인 시각을 가지고 접근할 수 있었으며, 현재 각광을 받고 있는 LED와 이를 이용한 응용분야에 대해서도 경험 할 수 있었다. 특히 LED는 미래에 농업분야에서부터 우주공간의 식물공장에 이르기까지 광범위한 분야로 확장 하리라 예상되는 현 시점에서 관련 탐구에 직접 참여하고 경험한 이번 기회는 현 재 진로의 결정에 많은 도움을 주었다고 생각한다. LED 자체 소 자 개발 등 관련 기자재 제작 기술이 주 관심사여서 정작 이러한 첨단 소재를 응용할 분야에 대한 생각은 많이 하지 못하는 현실 에서 우리 학생들이 본 탐구과제 참여를 통해 얻은 경험으로 이

러한 LED 광원의 긍정적 효과들이 백합 작물 외에도 인류의 생 존과 직결되는 다양한 작물에 응용 및 적용에 대해 생각한다면 작게는 충북지역의 화훼농가의 생산성 및 소득증대에 긍정적인 영향부터 크게는 인류의 생존 및 식량부족 문제 해결까지 가능할 것이라 예상한다. 또한 현재 화성탐사 등 지구외의 지역에 대한 탐사가 활발히 진행되고 화성을 제 2의 지구로써 이용하려는 연 구가 진행되데 LED를 이용한 우주 식물공장과 같은 첨단 분야에 대한 응용은 현재 진로를 고민하고 있는 우리들 이외에 많은 학 생들에게도 긍정적인 영향을 줄 것이라 생각한다. 고등학교 과정 에서는 경험하기 어려운 다양한 연구 기자재와 실험기술을 경험 함으로써 이공계분야에 대한 긍정적인 관심이 생겼으며, 팀원들 과의 협력 과정 및 성공과 실패와 상관없이 하나의 목표로써 힘 을 모아 문제를 해결하고 토의하는 과정은 대학 및 사회진출에 앞서 과정을 성실히 수행하는 중요성을 직접 체험하는 좋은 경험 이었다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 본 과제를 통하여 나온 연구결과들 중 광원에 따른 백합의 자구 및 신초 수에 미친 영향은 추가적인 연구를 통하여 유의성을 검 정하고 수행하여 국내 한국연구재단 등재지 등의 관련 연구저널 에 논문투고 하여 게재하는 방향으로 추진할 계획이다.

5. 참고문헌

○ Shin KS, HN Murthy, JW Heo, EJ Hahn, KY Peak (2008) The Effect of light quality on the growth and development of in vitro cultured Doritaenopsis plants. Acta Physiol. Plant 30:339-343

○ 남홍길, 안진홍 (2000) 식물분자생물학연구법, 아카데미 서적

○ 안철근, 황연현, 안재욱, 윤혜숙, 장영호, 손길만, 황승재 (2011) LED 보광이 파프리카(Capsicum annuum ‘Cupra’) 생육에 미치 는 영향. 생물환경조절학회지 제20권 제4호 253-257

○ 염미란, 박소영, 백기엽 (1999) 기내배양시 LED 광원이 백합

“Pesaro”의 자구형성 및 비대에 미치는 영향. 원예과학기술지 제 17권 제2호 199

○ 이준구, 오상석, 차선화, 장윤아, 김승유, 엄영철, 정승룡 (2010) 적색/청색광의 비율 및 수확 전 광질변환이 어린잎상추의 생육 및 안토시아닌 함량에 미치는 영향. 생물환경조절학회지 제19권 제4호 351-359

○ 조문수, 구본순, 박상규 (2012) LED 및 Cytokinin이 국내육성 거베라의 기내 생육에 미치는 영향. 화훼연구지 제20권 제1호 7-15

○ 이상우 (2010) 식물공장과 LED 인공광 이용한 식물재배. 광학과 기술 4권 3호 12-19

○ 충주시 농업기술 센터 http://www.cja.go.kr/cja