스마트 팜 내의 식물 표현형(phenotyping)의 중요성과 연구동향 주지영 Page 1 / 11 BRIC View 2020-T05
스마트 팜 내의 식물 표현형(phenotyping)의 중요성과 연구동향
주 지 영
전북대학교 E-mail: [email protected] 요약문 국가전략에서 농업은 식량안보에 매우 중요한 산업으로 여겨지고 있다. 하지만 최근 농가 소득의 정체, 인구 감소 및 고령화 문제로 인해 국내 농업 산업의 비중은 지속적으로 감소하고 있다. 더욱이 인간의 산업활동으로 인한 기후변화는 더욱 가속화 됨에 따라 농작물과 과수작물의 주산지가 급변하고 있는 상황이다. 이에 4차 산업혁명은 과학기술의 일환으로 농업기술에 접목시켜 기존에 전통적인 농업 방식에서 농작물 생산성, 효율성, 및 종족 보존률을 높이고자 광범위하게 이루어지고 있다. 대표적으로 예로 4차산업의 기술이 접목된 시스템으로 농작물의 생산, 유통, 소비 등의 산업 전/ 후방 산업을 연계하는 시스템을 갖춘 스마트 팜이 있다. 하지만 농업 관련 데이터베이스 구축은 현재로써 미흡한 상황이며, 스마트 팜 내 환경에 적응하여 성장하는 식물에 대한 유전적 변화에 대해 집중적으로 연구할 필요성이 있다. 따라서 식물 표현형에 대하여 식물 특성의 기초를 형성하는 개별 정량 매개 변수들을 고려하여 생물학적 및 비 생물적 스트레스 연구에 대하여 분석법은 매우 중요한 부분이다. 따라서 현재 우리나라의 스마트 팜 정책 목표와 방향, 그리고 스마트 팜 기술의 현재 기술을 살펴보고 식물 표현형을 분석하는 대표 방법을 조사하였다.Key Words: 4th industrial revolution, Smart Farm, Smart farm policy, plant phenotyping
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목 차
1. 4차 산업혁명과 스마트 팜 1.1. 4차 산업혁명 1.2. 스마트 팜 1.3. 4차 산업혁명과 스마트 팜의 연계 2. 스마트 팜 관련 정책 동향 2.1. 스마트 팜 정책 목표 2.2. 스마트 팜 정책 방향 3. 스마트 팜 기술 수준 및 기술개발 방향 4. 식물 표현형 4.1. 식물 표현형 4.2. 식물 표현형에서 이미징 기법의 역할 5. 결론 6. 참고문헌1. 4차 산업혁명과 스마트 팜
1.1. 4차 산업혁명
17세기 중반부터 증기기관의 발명을 시작으로 기술의 발전을 실생활에 적용하여 인간이 하던 단순 업무를 기계가 맡음으로 인해 생산성의 증대와 함께 삶의 질이 향상되어 왔다. 이후 여러 차례의 특이점을 겪으며 현재 기술 간 장벽을 허물고 융복합하여 새로움을 추구하는 4차 산업까지 도달하였다. 각 산업혁명의 특징과 기여점을 아래와 같이 서술하였다. ① 1차 산업혁명: 증기기관 기반 기계화에 대한 혁명으로 18-19세기 유럽과 북미를 중점으로 생산과정이 기계화되어 농업의 산업화를 이루게 한 혁명을 말한다. ② 2차 산업혁명: 전기 에너지 기반 대량생산 혁명으로 공업의 산업화와 대량생산이 가능하게 되었다.③ 3차 산업혁명: 인터넷과 컴퓨터 기반 지식정보 혁명으로 Information & Communication Technology (ICT)를 통해 사람이 하기 힘든 복잡한 계산이나 판단 작업 등을 대체하는 혁명을 말한다. ④ 4차산업혁명: 인공지능, 사물 인터넷, 빅데이터 등 첨단 정보통신기술을 토대로 사회•경제 전반에 융합되어 나타나는 혁명으로 지능정보기술이 기존 산업 및 서비스에 융합되거나 혹은 3D 프린팅, 생명공학, 나노기술, 로봇공학, 등이 여러 분야의 신기술과 결합하여 모든 제품·서비스를 네트워크로 연결하고 사물을 지능화하는 혁명이다.
스마트 팜 내의 식물 표현형(phenotyping)의 중요성과 연구동향 주지영 Page 3 / 11 여기서 4차 산업혁명은 초 지능, 초 연결, 초 예측을 토대로 기존에 진행되고 있는 산업보다 더 넓은 범위에서 빠른 속도로 크게 영향을 끼치는 것으로, 컴퓨터, 인터넷 등의 대표되는 3차 산업혁명에서 더 진화한 디지털 혁명을 말한다 [1]. 4차 산업혁명은 3차 산업혁명과 비교하여 사람의 개입이 어느 정도인가로 구별할 수 있는 데 3차 산업혁명은 수집된 데이터를 토대로 사람이 모델화하고, 사람에 의해 개발된 모델에 의해 작업을 자동화하는 데에 비해 4차 산업혁명은 Internet of Things (IoT) 등으로 데이터를 수집하여 수집된 빅데이터를 인공지능으로 분석하여, 분석된 정보를 클라우드 시스템에 탑재하고,
클라우드에서 로봇, 드론, 자율주행 농기계가 정보를 받아 자동으로 작업을 하게 하는 것이라 말할 수 있다 (그림 1) [2, 3].
그림 1. 3차 산업혁명과 4차 산업혁명의 차이.
1.2. 스마트 팜
스마트 팜은 비닐하우스·축사·과수원 등에 정보통신기술(ICT: Information and
Communications Technologies)을 접목하여 원격·자동으로 작물과 가축의 생육환경을 적정하게 유지·관리할 수 있는 농장을 뜻하는 것으로 작물 환경 정보나 생육 정보 등에 대한 정확한 데이터를 토대로 장소나 시간에 상관 최적 생육환경을 조성하여 작물, 가축의 생육환경을 관리하고, 양분, 에너지, 노동력 등을 덜 투입하면서도 농산물의 품질과 생산량을 늘릴 수 있다. 일반적으로, 스마트 팜의 운영 원리는 아래와 같이 3가지로 정리 될 수 있다 [4]. Ⅰ. 온실·축사의 온•습도, CO2 수준 등 생육 조건을 설정하는 생육환경 유지·관리 프로그램 Ⅱ. 온•습도, 일사량, CO2, 생육환경 등을 자동으로 수집해주는 환경정보 모니터링 Ⅲ. 냉•난방기구동, 창문 개폐, CO2, 영양분•사료 공급 등과 같은 자동·원격 환경 관리 위와 같이 ICT가 접목된 스마트 팜이 점차 확산 됨에 따라 노동, 에너지, 양분 등의 최적 사용으로도 우리 농업의 경쟁력을 높으면서 미래 성장산업으로 빠른 도약이 가능하다고 판단된다 (표 1).
스마트 팜 내의 식물 표현형(phenotyping)의 중요성과 연구동향 주지영 Page 4 / 11 표 1. 농업과 ICT 융복합의 주요 유형 및 사례 구분 추진내용 생 산 시설원예 환경제어 ▶ 센싱 기반 시설물 제어 및 생장환경 관리 - 환경 센서: 온∙습도, CO2, pH, LED - 시설 센서: 정진 센서, 창문, 차양, 환풍기 등 지능형 축사관리 ▶ 센싱 기반 축사환경 제어 및 사양∙질병관리 - 환경 및 시설 센서: 온∙습도, 암모니아, CCTV 등 - Web 기반 Cloud 서비스 유 통 산지유통센터 ERP ▶ 유통센터 경영 및 생산∙가공∙유통관리 ▶ POS-Mall 및 가상스토어를 통한 농산물 전자거래 - ERP (입고-선별-가공-포장-저장-출하) - 공급망 관리(수∙발주), POS, NFC 등 소 비 식재료 안심유통 ▶학교급식 등 식재료 안전∙안심 정보 모니터링 ▶생산/ 가공/ 유통 이력∙인증 정보 제공
- Radio frequency identification(RFID) 기반 이력추진관리
농 촌 u-농촌 관광 ▶농촌관광(체험정보, 주말농장, 문화, 축제 등) - GIS/ GPS 기반 위치 정보 서비스 - 문화재, 관광지 등 화재경보기 센서 서비스 스마트 팜은 농업과 ICT의 융•복합은 위 표와 같이 생산 분야 뿐만 아니라 유통, 소비, 그리고 농촌 생활까지 현장의 혁신을 꾀할 수 있도록 다양한 형태로 적용될 수 있으며, 식품의 가치사슬에 ICT를 융•복합하여 생산의 정밀화, 경영의 선진화, 유통의 지능화 등 상품, 서비스, 공정 혁신 및 새로운 가치를 창출한다.
1.3. 4차 산업혁명과 스마트 팜의 연계
국내의 현재 농업 산업은 아직 3차 산업에 머물러 있으며, 이 3차 산업혁명 내에서 정형화된 데이터를 수집하고, 사람에 개입을 통해 수집된 데이터를 모델화하여 그 정보를 웹을 통해 농가에 제공하면 농가는 정보를 받아 수동으로 조절하고 있다 (그림 2) [2, 5].스마트 팜 내의 식물 표현형(phenotyping)의 중요성과 연구동향 주지영 Page 5 / 11 그림 2. 4차 산업혁명 기술 스마트 농업과 연계. 국내 농업산업에 빠른 스마트 팜 실현을 위해서는 3차 산업이 아니 4차 산업혁명 기술 접목이 필요한데, 4차 산업혁명 기술의 적절한 활용을 위해서는 자료 수집이 IoT를 통해 자동화 되어야 하며, 생산•유통•소비 등과 함께 전•후방산업이 연계되어야 하고, 이와 함께 경영성과관리 역시 자동으로 관리되어야 한다. 이런 스마트 팜으로의 농업 산업에 자동화를 위해서는 IoT로 수집된 정형데이터 뿐만 아니라 SNS 등으로부터 수집된 비정형데이터를 함께 분석해, 분석된 결과를 빅데이터 클라우드 시스템을 통해 아래 그림 2와 같이 무인 드론, 자율주행 농기계, 자동 로봇 등에 분야에서 이용할 수 있어야 하며 우리나라 농업에 4차산업혁명 기술이 확대 적용되기 위해서는 법, 규제, 제도, 자금지원, R&D, 인력육성, 주체별 역할 등의 기반조성이 매우 중요하다고 판단된다.
2. 스마트 팜 관련 정책 동향
국내에서는 4차 산업혁명 대응계획을 발표하기 위하여 ‘4차 산업혁명 위원회’를 설립하고 사람 중심의 혁신성장을 기대하고 있다. 이 4차 산업혁명 위원회는 각 부처와 협의를 통해 그동안 4차 산업혁명에 대한 총론 위주의 접근을 넘어, 국민들이 체감할 수 있는 성과와 함께 새로운 변화를 창출하기 위한 구체적인 청사진을 제시하였다. 이를 실현하기 위해 사회적 문제 해결을 통한 국민 삶의 질 제고, 다양한 주력산업 육성 및 신산업 창출, 새로운 일자리 창출, 누구나 이용할 수 있는 세계 최고 수준의 지능화 기술•데이터•네트워크를 확보하기 위한 ‘지능화 혁신 프로젝트’를 추진하고 있다. 이러한 프로젝트는 사회문제 해결 부문과 산업혁신 부문으로 나누어져 있으며, 이 중, 농업 부문의 4차 산업혁명 대응 계획은 생산 부문에서 원격제어 중심의 1세대 스마트 팜을 정밀재배•자동제어 기반으로 2세대 스마트 팜으로 확산시키고, 생육 정보 분석•수확량 예측 등 온실 관리 소프트웨어 개발 및 보급, 스마트 팜 테스트베드를 설치 운영을 통하여 농가 실증 기술 교육을 지원할 계획에 있다 [6].스마트 팜 내의 식물 표현형(phenotyping)의 중요성과 연구동향 주지영 Page 6 / 11 농업분야에서 인구의 고령화 및 참여 인구 감소추세에 대응하기 위하여 노동력이 많이 소요되는 밭 농업의 기계화율을 높임으로써 농업 산업에서 자동화를 늘리고자 하고 있으며 이에 따라 농업 로봇 시장 개척에 대한 연구가 활발하다. 이에 따라 스마트 농기계 개발을 통하여 파종•수확 작업 노동력 부담을 줄이는 것은 물론이고 농가의 구입부담 감소를 위해 융자 조건을 우대하고 있다. 또한, 농업 생산물의 수급 안정과 소비자들의 신뢰를 높이기 위해 품질 및 안전에 관련된 유통 분야의 전반적인 데이터를 실시간으로 공유하는 스마트 유통체계를 구축하고자 하고 있으며, 기상 환경과 같은 빅데이터 기반으로 5대 채소의 수급 예측 시스템을 도입하여 수요자에게 맞춤형 정보 제공을 하고자 하고 있다. 또한 화상 경매 등 스마트 유통망 기술개발, 축산물 영상 등급 판정기 등 자동화 설비 활용 법적 근거를 마련하고자 한다. 이 뿐만 아니라 이상기후 및 재해 발생을 사전에 예측하고 선제적으로 대응하는 재해 대응 차원의 스마트 체계 구축을 통하여 농가 피해를 최소화하고자 한다. 사전적 재해 대응을 위해 지역별·품목별 재해를 예측 할 수 있는 지도와 농장 단위 조기경보 시스템 구축 뿐만 아니라 적조 등 수산재해와 관련 된 예측 알람 시스템에 대해서도 고려되고 있다. 가축 질병 예방을 위해서는 및 소독약 살포 기술 개발이나 철새 정밀 예찰, 빅데이터 기반의 구제역·조류독감(AI) 확산에 대한 예측 및 대응 모델을 개발할 계획이다 [7].
2.1. 스마트 팜 정책 목표
국내 정부는 농업 산업과 관련된 정책 목표로 스마트 팜 집중 보급을 통하여 농업 경쟁력을 강화뿐만 아니라 농가 생산성 향상 및 스마트 팜 관련 산업의 선순환 생태계를 조성하고자 한다. 이에 2017년까지 과수농가 600호(과원 규모화 농가의 25%), 시설원예 4,000 ha (시설현대화 면적의 40%), 축산농가 700호(전업농의 10%) 및 과수농가 600호(과원규모화농가의 25%)에 스마트 팜을 보급하고자 하였다 [8]. 또한, 스마트 팜의 보급을 농가에 확대하고 빠른 운영성과 제고를 위해 다양한 교육 및 현장 지원 체계를 강화함으로써 스마트 팜 도입 농가 생산성을 30% 향상하는 데 중점을 두었다. 이와 함께 스마트 팜에 대한 정부의 지속적인 노력과 투자, 시장 확대를 토대로 관련 산업이 동시에 발전할 수 있는 선순환 생태계 조성을 목표로 하고 있다. 국내 정부의 주도로 스마트 팜 확산 및 우수사례 창출은 스마트 팜의 수요를 확대하고 관련 산업의 기술 발전을 도모함으로써 스마트 팜의 전체적 단가를 크게 줄일 수 있음으로 R&D 등 정부의 초기 투자와 스마트 팜 보급 확대, 시설설치 지원, 시장 확대로 이어져 관련 업체의 경쟁력을 높이는 동시에 수출 산업분야로 도약할 수 있도록 지원하고있다.2.2. 스마트 팜 정책 방향
정부 스마트 팜 정책의 지향점은 정책자금 지원과 스마트 팜 관련 R&D, 교육 훈련, 기업육성 등 포괄적 접근과 스마트 팜의 확대가 방해될 수 있는 장애 요인을 해소하여 스마트 팜의 보급을 더욱 가속화하고 관련 산업의 성장기반을 단단하게 강화하는 것이다. Ⅰ. 스마트 팜 보급은 시설 현대화 사업과 동시에 추진함으로써 ICT 융복합 시설 도입의 가능성에 기반을 확대하고, 농가 발전을 위한 투자 부담을 줄일 수 있도록 한다.스마트 팜 내의 식물 표현형(phenotyping)의 중요성과 연구동향 주지영 Page 7 / 11 Ⅱ. 스마트 팜 도입으로 인한 생산성 향상이나 노동력의 절감 등 성과를 분석 및 홍보하여 농업 관련 종사자들이 자발적으로 스마트 팜을 도입하도록 한다. Ⅲ. 스마트 팜 핵심 부품과 기술을 국산화 및 표준화함으로써 국내의 농업 환경이나 다양한 여건에 맞는 한국형 스마트 팜 모델을 만들고자 하며, 이에 스마트 팜 도입 단가를 낮출 수 있도록 기술 개발을 강화하고자 한다. Ⅳ. 농업 분야에서의 인력이 ICT 활용 능력 및 작목별 전문성을 갖춤으로써 실 현장에서 스마트 팜에 대한 기술을 100% 발휘할 수 있게 지원하고 농업 종사자들에게 꼭 필요한 사후관리(A/S)와 같은 중요 기능을 정부에서 지원함으로써 농가 애로사항을 해소하고, 관련 기업 동반 성장을 위한 발판을 마련하고자 한다.
3. 스마트 팜 기술 수준 및 기술개발 방향
일반적으로 스마트 팜의 기술 수준은 그림과 같이 1세대, 2세대, 3세대로 나눌 수 있으며, 일반적으로 1세대는 센서를 통한 기능 제어나 환경변화 모니터링, 편리성 증진 등과 같은 제어시스템으로 구성되며, 현재 국내 스마트 팜 기술은 1.5세대로서 2세대에 해당하는 일본을 추격 중에 있다고 볼 수 있다 (그림 3) [5, 9]. 그림 3. 국내 스마트 팜 기술 단계. 앞서 말한 2세대 기술은 스마트 팜 최적화 단계로써, 현재 2세대에 해당하는 일본은 미국을 추격하고 있으며, 2세대는 생산성 향상, 생육 환경의 최적화 알고리즘 적용, 농작물의 질병 예방과 생육 진단 서비스를 제공하고 있는 단계이다. 3세대에 해당하는 네덜란드로 현재 기술 수준이 매우 우위에 있는 상태이며, 2세대에 해당하는 미국이 네덜란드를 추격하고 있고, 이 3세대는 시설 내 온•습도 등을 자율적으로 조절 가능한 기술 개발을 통하여 수출하는 단계에 있다.스마트 팜 내의 식물 표현형(phenotyping)의 중요성과 연구동향 주지영 Page 8 / 11 국내에서 스마트 팜 기술 개발을 위한 4차 산업혁명의 발전 방향 설정을 위해 세계 주요국과 우리나라의 기술 수준은 비교해봐야만 한다. 이에, 농림식품과학기술의 효율적 관리와 농•식품 R&D 통합 조정의 틀인 ‘농림식품과학기술분류체계(2017.12.29 고시)’를 바탕으로 4차 산업혁명과 농•식품 분야에 관련된 기술을 농림 식품 기계•시스템과 농림 식품 융•복합 기술로 나누어 살펴본 각각의 기술 수준은 다음과 같다. 최고 기술 보유국으로써 미국을 100으로 지정하였을 때, 우리나라 농림 식품 기계•시스템 분야 기술 수준은 75.0으로 주요국 9개 국가 중 8위 수준에 불과하다. 중국은 66.2로 국내보다 낮은 수준을 나타내고 있으며, 농업기계•시스템은 최고 기술국(미국) 대비 76.6, 식품 기계•시스템은 최고기술국(독일) 대비 68.0, 임업 기계•시스템 최고기술국(미국) 대비 78.0, 축산업 기계•시스템 최고기술국(네덜란드) 대비 76.5 수준으로 전체적으로 추격 그룹에 속한다.
4. 식물 표현형
2050년까지 90억 명 이상으로 성장할 것으로 예상되는 인구의 요구를 충족하기 위한 충분한 작물 생산을 보장하는 것은 식물과학 및 작물 개선에 있어서 엄청난 도전이다. 농작물 생산의 평균 증가율은 연간 1.3%에 불과하고, 이는 인구 증가에 보조를 맞추지 못하기 때문에 이 목표는 매우 중요한 도전적인 과제이다. 유전자형을 표현형에 연결하는 것은 높은 수확량뿐만 아니라 스트레스 내성 식물을 현재 가능한 것보다 훨씬 빠르고 효율적으로 성장시킬 수 있으며, 분자 육종에 의한 유전자 개선 속도의 증가를 제공함으로써 육종가에게 차세대 DNA 서열 분석과 같은 기술의 진보를 가능하게 할 수 있다. 그러나 표현형 기능에 대한 접근성이 부족하면 성장, 수율 및 스트레스에 대한 적응과 관련된 정량적 특성의 유전학을 해부하는 능력이 제한됩니다. 식물 육종가와 농부들은 DNA와 분자 마커가 발견되기 훨씬 전에 표현형을 기반으로 선택을 만들고 있었다. 최상의 유전자 변이를 식별하기 위해 선택에 사용되는 더 많은 교배와 환경이 있을수록 우수한 변이를 식별할 확률이 높아진다. 미래의 요구 사항을 충족시키기 위해서는 번식 효율을 높여야 하며, 높은 처리량 유전자형의 발전은 빠르고 저렴한 genomic 정보를 제공했으며, 표현형을 위한 수천 개의 재조합 자식 계통의 큰 mapping population과 다양성 패널의 개발을 위한 길을 열었다. 분자 육종 전략은 유전자형 정보에 기초한 선택에 더 중점을 두었지만, 여전히 다음과 같은 표현형 데이터가 필요하다 [10, 11]. (1) 표현형은 선택에 사용되며 genomic 선택에서 예측 모델을 훈련한다. (2) 단일 표현형 사이클을 사용하여 메이커 보조 반복 선택 내에서 세대를 통한 후속 선택을 위한 마커를 식별한다. (3) 표현형은 유전자 변형 연구에서 유망한 사건을 식별하기 위해 필요하다. 표현형 진보는 기존의 분자, 형질 전환 육종의 개발을 활용하기 위해 필수적이다.스마트 팜 내의 식물 표현형(phenotyping)의 중요성과 연구동향 주지영 Page 9 / 11
4.1.
식물 표현형
식물 표현형은 성장, 개발, 관용, 저항, 건축학, 생리학, 생태학, 수확량 및 더 복잡한 특성의 기초를 형성하는 개별 정량 매개 변수의 기본 측정과 같은 복잡한 식물 특성의 종합적인 평가이다. 식물 표현형에는 이러한 복잡한 특성이 포함되며, 직접 측정 매개 변수의 예로는 근형, 바이오 매스, 잎 특성, 과일 특성, 수율 관련 특성, 광합성 효율 및 생물학적 및 비 생물적 스트레스 반응이 있다. 식물 육종 및 관련 성장, 수율 및 다른 생물학적 및 비 생물학적 스트레스에 대한 내성에 대한 고 처리량 유전자형 screening의 빠른 개발을 고려할 때, 현대 유전자 작물 개선을 지원하기 위해 보다 효과적이고 신뢰할 수 있는 표현형 데이터가 필요하다. 육종 프로그램에서 질병 저항성 또는 스트레스에 대한 표현형 특성의 현재 평가는 시간이 많이 걸리고 다른 전문가와 실험 반복 사이에 편견을 유발할 수 있는 전문가의 시각적 점수에 크게 의존한다. 식물 표현형은 식물 육종의 주요 연구 분야가 되었으며, 기관에서 임관에 이르기까지 다양한 규모의 조직에서 특정 정확도 및 정밀도로 스트레스에 대한 성장, 수확량 및 적응과 관련된 복잡한 특성을 측정하기 위한 것이다. 이 목표를 달성하기 위해 표현형은 생물 과학, 컴퓨터 과학, 수학 및 공학의 전문 지식을 필요로 하며, 최근에, 높은 처리량 표현형 플랫폼이 성장 챔버 또는 온실에 배치되었다. 이 플랫폼은 로봇 공학, 정밀한 환경 제어 및 이미징 기술(하드웨어 및 소프트웨어)을 사용하여 플랜트 성장 및 성능을 평가하며, 여러 종의 동시 표현형 평가를 가능하게 하는 일반 플랫폼 및 솔루션을 개발해야 하는 것을 목표로 하고 있다.4.2. 식물 표현형에서 이미징 기법의 역할
유전자 환경(G × E) 상호 작용 및 모델 표현형 반응을 분석하기 위해 식물 표현형 체계는 일반적으로 그림과 같이 실험 설계, 정량적 측정 및 결과 해석을 포함한다. 실험 설계는 다른 성장 환경(제어된 환경 또는 필드)을 고려해야 합니다. 또한 플랜트 성장 인프라, 환경 모니터링, 기판 처리 및 생물 안전 설치가 동시에 포함됩니다. 정량적 측정은 새로운 이미징 기술의 장점이 있지만, 식물 표현형 모범 사례의 일부로 이미징 센서 보정 및 원시 데이터 처리 루틴의 정확한 정의를 포함한 표준화 된 실험 프로토콜이 필요하다. 결과 해석에는 측정된 표현형, genomic 데이터 및 환경 데이터에 대한 데이터 스키마 내에 실험 메타 데이터의 통합이 필요하다. 식물 표현형의 정량화는 식물 표현형을 구현하기 위한 핵심 단계로써, 최신 이미징 기술은 해상도가 높으며 다차원 및 다중 매개 변수 데이터를 시각화 할 수 있다. 이미징 기술은 관련 환경 시스템(성장 챔버 또는 온실) 또는 현장에서 식물 표현형에 대한 스트레스에 관련된 성장, 수율 및 스트레스 적용에서 복잡한 특성을 정량화하는 데 사용되며, 스트레스 하에서 실시간으로 식물 성장 및 동적 반응을 모니터링하기 위한 이미징 기술의 사용이 보다 쉽게 달성될 수 있다 (그림 4) [12, 13].스마트 팜 내의 식물 표현형(phenotyping)의 중요성과 연구동향 주지영 Page 10 / 11 그림 4. 식물 표현형. 이미징 공장은 단순한 '사진 찍기' 그 이상으로, 이미징의 목적은 반사 광자, 흡수된 광자 또는 투과된 광자와 같은 빛과 식물 간의 상호 작용을 통해 표현형을 정량적으로 측정하는 것이다. 식물 세포 및 조직의 각 성분은 파장-특정 흡광도, 반사율 및 투과율 특성을 갖는다. 예를 들어, 엽록소는 가시광선의 청색 및 적색 스펙트럼 영역에서 주로 광자를 흡수하고, 물은 근거리 및 단파장에서 1 차 흡수 특성을 가지며, 셀룰로오스는 2200-2500nm의 넓은 영역에서 광자를 흡수한다. 상이한 파장에서의 영상화는 식물 표현형의 상이한 측면에 사용된다. 가시적 이미징은 주로 잎 면적, 색, 성장 역학, 묘목 활력, 종자 형태, 근본 구조, 잎 질병 경건 평가, 수확량 및 과일 수 및 분포와 같은 식물 건축의 측면을 측정하는 데 사용된다. 유전적 질환 내성에서 질환 검출을 위해 형광 영상화를 사용하며, 열적외선 이미징은 식물 상태를 특성화하여 비 생물적 스트레스 적응을 위한 물 상태 및 증산 속도에 대한 식물 반응의 척도로서 기공 전도도의 차이를 검출 할 수 있다. 이미징 분광법은 실험 중 시공간 성장 패턴을 측정하고 식물 분광학 데이터를 수집하여 식생 지수, 수분 함량, 종자의 조성 매개 변수 및 항복 가능성 연구에서 안료 조성을 측정하는 등의 방법으로 성장 역학의 동인에 대한 통찰력을 제공 할 수 있다. 현재, 식물 표현형을 위한 이미징 기술은 주로 형광 이미징, 열 적외선 이미징, 가시적 이미징, 이미징 분광법 및 다른 기술 (MRI, PET 및 CT)을 포함한다고 알려져 있다.
5. 결론
국내 농업 분야의 인구 고령화 및 감소추세를 고려하였을 때, 농업의 기계화율 확대를 통한 농업 산업의 자동화는 국내 농업 생산물의 수급안정 및 소비자들의 신뢰를 높이고 품질 및 안전을 위해서 필수적이다. 이를 위해 국내 정부는 농업 산업과 관련 된 정책 목표로 스마트 팜 보급을 통하여 농업 생산량 확대를 통한 경쟁력뿐만 아니라 농가 생산성 향상 및 스마트 팜 관련 산업의스마트 팜 내의 식물 표현형(phenotyping)의 중요성과 연구동향 주지영 Page 11 / 11 선순환 생태계를 조성하고자 하였다. 현재 국내에서 스마트 팜 기술은 1.5단계 수준으로 이에 대한 정부의 많은 지원과 함께 연구가 필요하다. 이에 식물 표현형은 점차 성장하는 국내 인구의 요구를 충족하기 위한 충분한 작물 생산을 보장하는 식물 과학 및 작물 개선에 있어 엄청난 도전으로 유전자형을 표현형에 연결하였을 때 높은 수확량뿐만 아니라 스트레스 내성 식물을 빠르고 효율적으로 성장시킬 수 있으며, 유전자 개선 속도의 증가를 제공함으로써 차세대 DNA 서열 분석과 같은 기술의 진보를 가능하게 할 것이다.
6. 참고문헌
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주지영(2020). 스마트 팜 내의 식물 표현형(phenotyping)의 중요성과 연구동향. BRIC View 2020-T05
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