1. 개요
□ 연구목적
○ 본교는 과학 중점 학교로서 기존의 과학실이 많이 개선되었고 지리적으로 대덕연구단지, 카이스트, 충남대학교가 가까이 있어서 연구의 어려운 점이 발생했을 때 방문하여 자문을 구할 수 있다. 또한 대전 근교에는 다육식물을 재배하여 판매하는 식물원이 다수 존재하여 다육식물을 구입하여 탐구를 할 여건이 잘 마련되어 있다.
생장속도가 느린 다육식물의 생리적 특성을 파악하여 생장속도를 증가시 킬 수 있는 방법을 탐구하고 실생활에서 응용할 수 있는 방법을 모색하고자 한다. 이것을 바탕으로 다육식물을 재배하는 농업 및 관상식물 분야에 생산성 증대를 통한 농가의 이익창출을 하고자하는 목적을 가지고 있다.
□ 연구내용
○ CAM식물은 C3식물과 C4식물과는 다른 이산화탄소 농축 메커니즘으로 처음에 돌나물과(
Crassulaceae
)에서 많이 연구되어서 그 이름이 붙게 된 크래 슐산대사(crassulacean acid metabolism, CAM)를 하는 식물을 말한다. C3식물 과 C4식물은 명반응을 통한 산물로 낮에 흡수한 이산화탄소를 고정하여 포도 당을 합성한다. 그러나 CAM식물은 건조한 환경에서 살아남기 위해 증산작용 이 일어나지 않도록 낮에 기공을 닫기 때문에 이산화탄소를 흡수할 수 없다.따라서 밤에 기공을 열어 이산화탄소를 흡수하여 액포에 저장을 하고 저장한 이산화탄소의 양만큼 낮에 포도당을 합성한다.
식물의 액포 크기에 따라 이산화탄소를 저장할 수 있는 양이 제한적이기 때문에 이산화탄소를 저장할 수 있는 밤의 횟수를 증가시켜 CAM식물의 생산 성에 어떤 영향을 미치는지 알아보고자 한다.
□ 연구범위
○ 다육식물 중 절대적 CAM식물인 돌나물과와 선인장과에 속하는 식물로 한정지었다.
○ 대조군은 낮과 밤의 시간을 각 12시간으로 설정하였다.
2. 연구 수행 내용 □ 이론적 배경
○
C
3, C
4, CAM식물의 탄소고정
식물에서의 암반응 중 가장 잘 알려져 있고 가장 먼저 반응과정이 밝혀진 것은 켈빈 회로(Kelvin cycle, PCR cycle)이다.
CO2(이산화탄소)는 5탄당인 RuBP(ribulose bisphosphate)에 결합하여 6탄당이 되어 바로 2개의 3탄당인 PGA로 쪼개어진다. CO2의 최초 고정산물이 3탄당 화합물인 식물을 C3식물이라고 한다. C3식물들은 빛이 너무 강하지 않고 온난 하며, 이산화 탄소농도가 약 200ppm 이상이고 지표수(ground water)가 충분한 곳에서 잘 사는 경향을 나타낸다.
C3식물은 온도가 높은 조건에서 증산작용을 최소화하기 위해 기공을 받는다.
따라서 잎 내부의 CO2농도는 감소하고 O2농도가 증가하여 광호흡1) 작용이 일 어나 광합성의 효율을 감소시켜 생산성이 떨어진다. 이러한 환경에 적응한 식 물이 C4식물이다.
C3식물에서는 엽육세포에서 직접 CO2와 접촉이 일어나 광합성을 하지만, C4
식물의 엽육세포에서는 CO2를 유기산의 형태로 고정하여 유관속초세포로 들여 보내기 때문에 간접적으로 CO2와 접촉하여 광합성을 진행하게 된다. 캘빈회로 (C3회로)의 Rubisco보다 CO2를 효율적으로 고정하는 C4식물의 탄소고정회로는 CO2의 최초 고정 산물이 4탄당(C4)인 데서 이름이 유래되었다. O2의 경우도 마 찬가지로 C3식물에서는 광합성이 일어나는 곳과 직접 접촉이 일어나지만 C4식 물에서는 간접적으로 접촉이 일어나기 때문에 광호흡의 기회는 줄어들고 잎 내부의 CO2농도를 높여 탄소고정량을 늘릴 수 있다.
CO2는 공기 중에 아주 낮은 비율(0.3%)로 존재하기 때문에, CO2가 부족한 상태가 되면 캘빈회로에 있는 CO2고정효소인 Rubisco는 더 이상 탄소 고정을 하지 못하고 광호흡을 하게 된다. 반면에 C4식물은 Rubisco보다 강력한 CO2고 정효소인 PEP carboxylase(Phosphoenolpyruvate carboxylase)를 이용해 탄소 고 정을 계속할 수 있다.
C3와 C4와 다른 이산화탄소 농축 메커니즘으로 처음에 돌나물과 (
Crassulaceae
)에서 많이 연구되어서 그 이름이 붙게 된 크래슐산대사 (crassulacean acid metabolism, CAM)가 있다.1) CO2농도가 낮고 O2의 농도가 높을 때 Rubisco의 산소친화도가 증가하여 RuBP를 O2로 분해하여 PGA를 생산하는 과정에서 ATP를 소모하는 과정이 일어나므로 식물의 생산성을 감소시킨다.
CAM식물의 특이성은 뛰어난 수분 보존 능력이다. 따라서 이 대사경로를 사 용하는 건생식물(xerophyte)은 매우 건조한 서식처에서 생존하도록 특별히 적 응하고 있다. 이들은 모두 예외 없이 다즙성 식물로서 잎(선인장의 경우 광합 성 조직인 줄기)이 두껍고 육질이며 각 세포는 커다란 물로 채워진 액포를 함 유하고 있다.
[그림 1] C3, C4, CAM 식물의 탄소고정 장소
CAM 식물의 가장 현저한 특징의 하나는 기공이 주로 밤에 열리고 낮에 닫 히는 반대 사이클을 도는 점이다. 이는 이산화탄소 흡수가 주로 밤에 일어남 을 뜻한다. 게다가 CAM식물은 밤에 말산이 축적되고 낮에 고갈되며 저장된 탄수화물 수준은 말산 변화와 역의 관계로 변동하는 특징을 지닌다. 밤에 기 공이 열리면 카르복시화가 일어나 커다랗고 물로 찬 액포에 저장되는 C4 유기 산이 생성된다. 유기산의 축적으로 인해서 이들 세포들은 밤에 현저히 산성화 상태를 띠게 된다. 산은 낮에 탈카르복시화되며 그 결과 생성된 이산화탄소가 켈빈회로에 의해 고정된다.
[그림 2] 낮과 밤에 일어나는 CAM 식물의 탄소고정
C4식물에서와 같이 PEP카르복시화 효소는 CAM 작동에 필수적이다. 첫 번째 산물인 OAA는 빠르게 NAD의존성 말산 탈수소효소에 의해 말산으로 환원되어 액포에 저장된다.[그림 2]
CAM과 C4식물은 다소 유사한 점을 보이지만 현저한 차이를 가진다. C4회로 는 C4카르복시화와 C3 켈빈회로를 공간적으로 격리시키는 특수화된 해부 구조 가 필요하지만 CAM에서는 이 두과정이 동일한 세포에서 일어나며 다만 시간 적으로 격리되어 있다는 점이다.
야간에 기공이 열리므로 증발에 의한 수분 손실을 최소화되는 조건의 기간 에 이산화탄소를 흡수할 수 있게 된다. 그런 후 수분 손실을 줄이기 위해 기 공이 닫혀 있는 낮에 저장된 이산화탄소를 이용하여 광합성이 진행될 수 있다.
이 같은 해석은 CAM식물의 증산비가 50에서 100으로 C4나 C3식물보다 상당히 낮다는 사실로 뒷받침되고 있다. 그러나 지불해야할 대가가 있다. CAM 식물에 의한 일일 탄소 동화율은 C3식물의 약 반밖에 되지 않고 C4식물의 1/3에 지나 지 않는다. 적절한 수분이 유지되는 상황에서 CAM식물은 더 느리게 자라게 된다.
□ 선행 연구 조사
○ 지도교사의 조언으로 대전교육과학연구원, 국립중앙과학관, RISS, 펍메드에서 기존 연구 결과물을 검색하는 방법을 알려주셨다. CAM, 다육식물, 선인장, LED, Malic acid 등의 키워드를 활용해 본 연구의 탐구주제와 관련된 자료를 조사해 보았다.
제 목 저자 년도 선행연구내용
다육식물의 백분은 왜 생기는 걸까? 전영찬
김유민 2011
다육식물의 기본적 특성에 대한 연구
다육식물은 환경에 따라 잎의 색이 어떻게 변
할까? 최재현 2010
선인장․다육식물의 CAM형 분류와 광, 온도 환
경 조건별 CO2 교환특성에 관한 연구 이상덕 2004 환경스트레스에 따른 돌나물과 식물의 광합성 양
상의 변화 김태진 2005
LED를 이용한 채소재배 강재현 2011 LED가 식물 생장에 영향을 주는 것에 대한 연구
LED를 이용한 농작물 재배효율에 관한 연구 신동락 2011 L-Malic acid biosensor for field-based evaluation
of apple, potato and tomato horticultural produce.
Mobeen
Arif 외 2002 말산 농도를 측정하는 방법 에 대한 연구
<표 1> 선행 연구 조사
□ 연구주제의 선정
○ 집에서 키우는 다육식물이 다른 식물에 비해 자라는 속도가 매우 느려서 그 이유를 찾아보다가 생물선생님께 물어보았고 다육식물이 CAM식물이기 때문에 생 장속도가 느리다는 것을 알게 되었다. CAM식물은 밤에만 이산화탄소를 흡수하여 액포에 C4의 유기물로 저장하여 낮에 명반응으로 형성된 산물을 이용하여 낮 동안에 켈빈회로를 돌려 포도당을 합성한다는 것을 알게 되었다.
밤에만 한정된 공간인 다육식물의 액포에 CO2를 저장한다고 생각하니 그 양이 적어서 다육식물의 생장 속도가 느리다는 점을 착안하여 CO2를 저장할 수 있는 양을 늘린다면 보다 생장 속도를 증가시킬 수 있을 것이라는 생각이 들었다.
밤에만 CO2를 흡수하는 특성이 있기 때문에 24시간 동안 낮과 밤이 한 번씩인 일상에서는 밤에 흡수한 일정량의 CO2를 낮에 사용하여 포도당을 합성하는 과정을 하루에 1번만 하게 된다. CO2를 저장할 수 있는 양에는 한계가 있기 때문에 낮의 길이가 길다고 해도 밤에 흡수한 CO2가 제한적이면 더 이상 포도당을 합성할 수 없게 된다.
따라서 24시간 동안 낮과 밤의 횟수를 증가시킨다면 CO2를 흡수하여 말산을 만들 어 CO2를 소비하는 과정이 증가하기 때문에 다육식물의 생장 속도가 증가할 것으로 예상된다.
명기(빛이 제공되는 시기)와 암기(빛이 차단된 시기)를 낮과 밤 관계없이 일정 시간 간격으로 제공하여 다육식물의 생산성에 미치는 정도를 탐구하려고 한다.
또한 위와 같은 방법으로 다육식물에 가장 적합한 명기와 암기 시간을 파악하여 생산성을 극대화 할 수 있는 방법을 탐구하려고 한다.
□ 연구 식물 선정
○ 식물도감과 다육식물도감에서 절대적 CAM식물을 조사한 결과 20종의 식물을 선정하였다. 이들 중 적당한 식물을 선별하기 위해 대전 인근 다육식물 화원을 방문하고 경기도농업기술원 선인장 연구소를 탐방하여 작은 재배 공간 에서 재배가 가능하며 시료채취와 재배가 쉬운 적당한 식물을 찾은 결과 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 산세베리아 슈퍼바(
Sansevieria Superba
), 꿩의 비름 (Sedum erythrostictum
), 남십자성(Crassula perforata
) 그리고 돌나물(Sedum
sarmentosum
)을 선정하였다.[그림 3] 경기도농업기술원 선인장연구소 탐방
이름 산세베리아 슈퍼바 학명
Sansevieria Superba
특징
아프리카와 인도가 원산지인 식물로 원예종으로 재배되고 있 으며 여러해살이식물로 키는 15~30cm 정도로 짧고 두꺼우며 잎 은 타원형으로 중앙에서 넓어지다가 끝은 뾰족하며 잎의 가장 자리에 노란 무늬가 있다.
이름 꿩의 비름 학명
Sedum erythrostictum
특징
돌나물과 식물로 햇볕이 잘 쬐는 곳에서 자라는 다육식물로 둥글고 곧추 자란다. 잎의 가장자리에 뚜렷하지 않은 둔한 톱 니가 있으며 밑 부분이 좁아지고 털이 없으며 윗부분이 약간 오목해진다. 잎을 부스럼 약으로 사용하기도 한다.
이름 남십자성 학명
Crassula perforata
특징
돌나물과 식물로 남아프리카 케이프 주 리틀 나마쿼아랜드, 카루 원산으로 지리적인 형태변이가 많은 것으로 알려져 있다.
줄기는 2mm로 가늘고 직립하지만 잘 도복해서 발근하거나 또 는 직립해서 위로 자란다.
이름 돌나물 학명
Sedum sarmentosum
특징
돌나물과 식물로 줄기와 잎은 다육질로 약간 습한 장소에서 잘 자란다. 줄기는 20~50cm 정도 자라며, 마디에서 뿌리가 내려 땅 위를 기면서 자란다. 초봄에 어린 순은 식용으로 이용한다.
<표 2> 선정된 다육식물
□ 연구 방법
○ 다육식물 생산성 확인하기
가. 각 식물의 특성에 따라 잎의 크기, 잎의 수, 가지 수, 마디 수, 전체 길이를 측정한다.
나. 식물 식재 이후로 일정한 열흘 간격으로 각 개체의 사진을 촬영한다.
○ 실험군에서 생산성 향상 원인 파악하기
가. 대조군과 실험군에서 명기와 암기 시간에 따른 잎의 말산 농도 측정 나. 여러 대학교의 교수님과 여러 연구소의 박사님들께 LC/MS, GC/MS, HPLC 의 방법이 있다고 하였으나 식물 잎에서 천연물에서 특정 물질을 분리해야 하는 어려움이 있고 본인들의 하는 실험이 아니라서 말산을 추출하는 매뉴 얼이 없어 어려움을 겪고 있음.
○ 생산성을 극대화하기 위한 최적 명기시간과 암기시간 찾아내기
가. 시간에 따른 말산 농도 변화 측정하기.나. 암기의 말산 농도 최대치와 최소치가 되는 시간을 고려하여 명기와 암기 의 최적시간 알아내기.
○ 자문
가. 경기도농업기술원 선인장 연구소 박흥배 연구원께서 식물의 뿌리 발달을 촉진하기 위해 물을 주는 방식이 기존 화분 위에서 주는 것이 아닌 화분 아래에서 물이 빨려 들어가도록 하여 뿌리 발달이 잘 이루어지도록 유도하였다.
나. 한국기초과학지원연구원 박미희 연구원께서 식물 잎에서 유기화합물을 측정 하기 위해서는 GC/MS, LC/MS, HPLC와 같은 방법으로 분석하는 방법이 있지만 식물 잎에는 여러 천연 물질이 있어서 말산을 분리 정제하는 전처리과정이 매우 까다롭고 매뉴얼이 되어있지 않아 어려움이 있다고 하였다. 여러 논문을 검색하 여 말산의 농도를 측정하는 키트를 찾아내고 방법을 분석하여 Malate Colorimetric Assay Kit와 Spectrophotometer을 이용하여 말산의 농도를 분석하 는 방법을 알게 되었고 식물에서 시료를 채취하여 말산 농도 분석하는 방법에 대해 자문을 구하였다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 월별 탐구 일정번호 내 용 수행 일정(월)
6 7 8 9 10 11 12
준비
탐구 계획 수립 CAM, LED 관련 선행 조사
탐구
다육식물 생산성 향상 탐구 활동 및 탐구 일지 작성
중간보고서 제출
정리
자료 분석 및 탐구보고서 제작 탐구보고서 제출 및 발표 차트 작성
<표 3> 탐구 수행 일정
○ 가설 설정
가. 다육식물이 암기동안 흡수할 수 있는 CO2의 양에는 한계가 있을 것이다. 왜냐하면 CO2를 저장하는 액포의 크기가 한정되어 있어 CO2의 양이 포화되기 때문이다.(단, CO2를 말산으로 전환하여 저장)
나. 하루 동안에 CO2를 흡수할 수 있는 암기의 횟수를 증가시키면 암 기동안에 흡수한 이산화탄소의 전체 양이 많아져서 다육식물의 생산성 이 향상될 것이다.(단, 명기의 총시간 및 암기의 총시간은 대조군과 실 험군에서 서로 같다.)
다. [그림 4]의 (가) 조건에서 CO2 누적량 최댓값을 A, (나) 조건의 구간 1에서 CO2 누적량 최댓값을 B, 구간2에서 CO2 누적량 최댓값을 C라고 할 때, A < B + C 일 것이다. 그러므로 (나) 조건에서 생산성이 향상될 것이다.
[그림 4] 가설 설정
○ 실험 설계
가. 대조실험 설정
명기 암기 하루 동안 반복 횟수 명기와 암기의 총 시간
대조군 12시간 12시간 각 1회 24시간
실험군 6시간 6시간 각 2회 24시간
<표 4> 대조군과 실험군 설정
나. 생장량 비교와 시간에 따른 말산 농도 측정
1) 식물 식재 이후 10일 간격으로 잎의 수, 크기, 마디 수, 사진촬영 등 방법으로 생장량을 측정
2) 하루동안 시간에 따른 암기와 명기 조건에서 말산 농도 변화 측정 3) 암기 때 말산농도 최대치 시간, 명기 때 말산농도 최소치 시간 측정
○ 실험 과정 및 방법
준비물 : 포멕스(5T, 10T), LED바, SMPS, 팬, 검정색시트지, 은박매트, 타이머콘센트, 멀 티탭플러그, 수축튜브, 온풍기, 하우스용 비닐, 화분, 산세베리아 슈퍼바, 꿩의 비름, 남 십자성, 돌나물, 마사토, 펄라이트, MBL, 온도센서, 조도센서, 카메라, Malate Colorimetric Assay Kit, PBS(Phosphate buffered saline) buffer(pH 7.4), 마이크로 피펫, 액체질소, 막자, 막자사발, 에펜도르프 튜프, 전자저울, 초고속원심분리기, 인큐베이터, Voltex, 96well, Spectrophotometer 등
가. 다육식물 재배 공간 제작과 식물 식재
1) 포멕스(두께 5T, 10T)를 설계도면에 따라 제작하여 조립한다.
2) LED바를 SMPS에 병렬로 연결하고 스위치를 연결한다.
3) 팬 5개를 병렬로 연결하고 스위치를 연결한다.
[그림 5] LED기판 도면(좌)과 재배 공간 설계도면(우), ①②
③은 팬 설치 위치
[그림 6] 재배 공간 뚜껑 설계도면
[그림 7] 재배 공간 제작 과정
4) [그림 8]에서 보듯이 흰색 포멕스는 빛이 통과하여 검정색 시트지를 붙 여 빛을 차단하고 내부는 은박매트로 설치하여 빛을 차단과 빛의 효율성 을 극대화한다.
[그림 8] 1차 완성된 재배 공간
[그림 9] 검정색 시트지로 도배한 뚜껑(좌), 내부 은박 매트를 붙인 재배 공간(우)
5) 다육식물을 화분에 옮겨 심고 재배시설에 넣는다.
[그림 10] 다육식물 식재 모습
[그림 11] 최종 제작 사진 (좌 : 실험군, 우: 대조군)
[그림 12] 실험군(좌)과 대조군(우)의 재배 과정
6) 온도하락을 대비하기 위하여 온풍기와 간이 비닐하우스를 설치한다.
[그림 13] 온풍기 설치와 간이 비닐하우스
나. 재배시설 조도와 온도
1) MBL 기반 시스템을 이용하여 사용범위가 -25℃에서 +125℃인 온도센 서와 사용범위가 0에서 15000Lux인 조도센서를 이용하여 대조군과 실험 군의 재배 공간에서 식물 높이에 따른 온도와 조도를 측정하였다.
[그림 14] 온도센서 모형, 온도센서, 조도센서, 인터페이스
2) 온도
[그림 15] 대조군과 실험군의 온도 변화(측정일:2013.10.05.)
- 낮과 밤의 기온차로 실험군의 경우 같은 명기이어도 약 2℃정도의 온도 차이가 발생하였다.
- 10월 중순부터 기온 하락으로 온도 유지가 어려워 미니온풍기 2대 를 구입하여 타이머콘센트로 2시간 마다 번갈아 작동되도록 설정하였 다.(과열방지를 위해 2대를 설치함.)
3) 조도
[그림 16] 크레슐라 퍼포라타 위치의 조도 (대조군)
[그림 17] 크레슐라 퍼포라타 위치의 조도 (실험군)
[그림 18] 꿩의 비름과 산세베리아 윗부분 조도(대조군)
[그림 19] 꿩의 비름과 산세베리아 윗부분 조도(실험군)
- 대조군과 실험군에서 조도는 비슷하다.
다. 명기와 암기의 설정
1) 대조군의 LED램프는 타이머콘센트를 이용하여 12시간 간격으로 ON/OFF 되도록 설정하였다.
2) 실험군의 LED램프는 타이머콘센트를 이용하여 6시간 간격으로 ON/OFF 되도록 설정하였다.
3) 일정한 CO2농도 유지를 위해 재배공간의 환기구를 통해 공기의 출 입을 원활하게하기 위하여 24시간 중 23시간 팬이 작동되도록 타이머 콘센트를 설치하였다. (과열방지를 위하여 1시간은 전원이 꺼지게 설 치하였다.)
라. 생산성 측정하기
1) 돌나물은 초기에 진딧물이 많이 발생하여 진딧물 방제를 하였으나 진딧물 약이 실험에 미칠 영향 때문에 실험대상에서 제외하였다.
2) 식재 이후 9.21, 9.30, 10.9, 10.19, 10.29에 10일 간격으로 측정 3) 잎의 수, 폭, 길이, 전체 길이, 마디 수를 측정
4) 사진 촬영 : 동일한 위치에서 10일 간격으로 촬영하여 생장량 비교
마. 말산 농도 측정
1) 시료 채취 식물은 남십자성으로 대조군과 실험군 모두 명기가 시작되는 08시부터 다음날 07시까지 1시간마다 위쪽과 아래쪽 잎 각 1개씩 잎을 떼어 내어 전자저울로 질량을 측정한다.
2) 막자사발에 식물 잎을 넣고 액체질소를 넣어서 막자로 갈아준다.
3) 액체질소가 모두 기화되면 다시 넣고 갈아주는 과정을 5회 반복한다.
4) 식물 잎이 모두 갈리면 PBS Buffer를 식물질량 대비 2배를 넣고 막자로 갈아준다.
5) 마이크로 피펫을 이용하여 시료를 최대한 채취하여 에펜도르프 튜브에 넣고 냉동실에 넣는다.
[그림 20] 24시간 동안 진행된 시간별 시료 채취 과정과 채취한 시료
6) 시료를 해동시킨 후 얼음에 넣어놓고 시료 하나씩 Voltex로 섞어준 후 초고속원심분리기를 이용하여 13000rpm, 10분간 원심분리 후 상등액만 채취한다.
[그림 21] Voltex, 얼음에 넣은 시료, 초고속원심분리기, Malate Colorimetric Assay Kit(왼쪽부터)
7) 증류수 990㎕에 Malate 10㎕ 넣고 그 중 0, 2, 4, 6, 8, 10㎕를 취한 후 Malate assay buffer를 각각 50, 48, 46, 44, 42, 40㎕를 섞은 후 빛이 차단된 곳에서 37℃, 30분간 반응시킨다.
8) Spectrophotometer를 이용하여 450㎚에서 OD값을 측정하여 standard curve를 그린다.
9) 대조군과 실험군의 시간별 상등액을 50㎕를 채취하여 Malate assay buffer 38㎕, Malate enzyme 2㎕, WST substrate 10㎕를 넣어 빛이 차단된 곳에서 37℃, 30분간 반응시킨다.
10) Spectrophotometer를 이용하여 450㎚에서 OD값을 측정한다.
[그림 22] 37℃ Incubator, Standard curve 시료, Malate assay buffer와 반응시킨 시료 1과 2, 시료3, 450nm Spectrophotometer(왼쪽부터)
○ 시행착오 극복 등 가. 문제점
1) 안에서 빛이 포멕스를 통과하는 것으로 보아 암기 때 밖의 빛이 포멕 스를 통과하여 들어올 수 있음.
2) 각 식물의 개체수가 적어 생장량의 결과에 따른 오차가 크게 발생할 수 있음.
3) 돌나물은 초기에 진딧물이 많이 발생하여 생장을 저해함.
4) 꿩의 비름의 경우 단순히 잎의 수만으로 생장량을 측정하는데 어려움이 있음.(잎이 무한정 크지는 않고 잎 상태에 따라 떨어지는 잎이 발생함.) 5) 10월부터 날씨가 추워져서 식물의 생장이 둔화되고 꿩의 비름의 경우
잎의 색이 노랗게 변하는 경우가 있음.
6) 식물의 크기가 제각각이고 생장하는 양상이 종마다 달라 생장량을 비 교하는데 어려움이 있음.
7) 식물에서 말산만 추출하는데 어려움이 있음. 수많은 천연물질이 있어서 특정 물질만 분리하여 정량하는 방법으로 GC/MS, LC/MS, HPLC 등을 하 기 위해서 필요한 전처리 과정에 대한 매뉴얼을 찾는데 어려움이 있음.
8) 꿩의 비름은 잎의 상태가 좋지 않고 새순의 경우 시료채취하기엔 크기
가 너무 작음.
9) 11월 초 온풍기에 연결된 타이머 오작동으로 남십자성의 상당수가 고 사됨.
10) 실험의 정확성을 위해 시료채취를 모든 개체에서 하기에는 Malate Colorimetric Assay Kit의 비용부담이 매우 큼.
11) 남십자성의 경우 잎의 높이가 다르고 다른 잎의 그림자 간섭을 조금 씩 받는다. 따라서 말산 농도를 측정하기에 어려움이 있다.
나. 해결책
1) 뚜껑은 검정색 시트지로 도배하고 안쪽은 은박매트를 붙여서 외부 빛 이 들어오는 것을 차단과 동시에 광원의 효율성을 높임.
2) 식물의 개체수를 추가하여 오차의 범위를 줄임.
3) 진딧물 약으로 방제를 하였지만 진딧물 약이 실험에 영향을 줄 수 있기 때문에 실험대상에서 제외함.
4) 꿩의 비름 모든 개체를 비슷한 크기로 가지치기를 하여 새순이 올라오는 정도를 비교하기로 함.
5) 온풍기를 이용하여 간이 비닐하우스를 제작하여 실내온도를 높임.
6) 각 개체를 동일한 위치에 놓고 주기적으로 사진을 찍어 변화된 양상을 관찰하 기로 함.
7) 여러 연구소의 박사님과 여러 대학교 교수님들께 식물 잎에서 말산을 추출하 는 방법에 대해 문의 하던 중 한국기초과학지원연구원의 박미희 박사님으로부 터 말산의 농도를 측정하는 키트에 대해 알게 되어 Malate Colorimetric Assay Kit를 구입하여 농도를 측정하기로 함.
8) 꿩의 비름은 시료채취 대상에서 제외함.
9) 여분으로 준비한 남십자성을 11월 초부터 약 3주간 대조군과 실험군 조건으로 적응시켜 시료를 채취함.
10) 남십자성, 산세베리아를 하나씩 하는 것보단 실험의 오차를 줄이고 정확성 을 높이기 위해 남십자성 대조군과 실험군의 각 3개체에서만 시료를 별도로 채취하여 세 그룹의 시료를 만들기로 함.
11) 남십자성의 맨 윗부분을 제외하고 위쪽과 아래쪽 잎 각 1개씩을 떼어 마디의 잎, 맨 아래쪽 마디의 잎을 각 1개씩 떼어 하나의 시료를 만들어 위쪽 잎의 간섭에 대한 오차를 최소화한다.
3. 연구 결과 및 시사점 □ 연구 결과
○ 산세베리아 슈퍼바(
Sansevieria Superba
)가. 대조군과 실험군의 각 9개체 중 3개체를 선별한 자료임.
나. 기존 잎에 비해 안쪽에 새로 나오는 잎의 생장이 활발함.
다. 대조군에 비해 실험군의 안쪽 새로 나오는 잎의 생장량이 큼.
라. 실험 초기 설정에서 산세베리아의 겉잎을 측정하였으나 겉잎의 생장은 매우 둔한 반면 안쪽 새로운 잎은 빠르게 생장하여 안쪽 잎 길이를 측정하였다.
안쪽 잎 대조군 실험군
생장량 평균(mm) 61.07±14.47 88.93±8.96
[그림 23] 산세베리아 – 대조군 - 1
[그림 24] 산세베리아 – 대조군 - 3
[그림 25] 산세베리아 – 대조군 - 4
[그림 26] 산세베리아 – 실험군 - 1
[그림 27] 산세베리아 – 실험군 - 2
[그림 28] 산세베리아 – 실험군 - 3
○ 꿩의 비름(
Sedum erythrostictum
)가. 대조군과 실험군의 각 8개체 중 3개체를 선별한 자료임.
나. 대조군에 비해 실험군에서 새로 나오는 잎의 생장이 활발함.
다. 10월 중순에 온도 하락에 바로 대비하지 못하여 기존 잎의 경우 엽록소 파괴로 낙엽이 형성되거나 옆의 색이 변색됨.
라. 대조군의 경우 개화가 되는 것으로 보아 실험군에 비해 생장 조건이 더 좋지 않은 것을 알 수 있음.
[그림 29] 꿩의 비름 – 대조군 - 1
[그림 30] 꿩의 비름 – 대조군 - 3
[그림 31] 꿩의 비름 – 대조군 - 8
[그림 32] 꿩의 비름 – 실험군 - 1
[그림 33] 꿩의 비름 – 실험군 - 2
[그림 34] 꿩의 비름 – 실험군 - 7
○ 남십자성(
Crassula perforata
)가. 대조군과 실험군의 각 10개체 중 3개체를 선별한 자료임.
나. 대조군에 비해 실험군의 생장이 더 우세하게 나타남.
다. 10월 중순부터는 온도 하락으로 생장량이 매우 더딤.
라. 실험 초기 설정에서 잎과 잎 사이의 마디 수를 측정하였으나 짧은 시간동안 생장량이 더뎌 마디 수가 증가한 개체가 많지 않아 초기 크기에서 최종적으로 자란 길이를 측정하였다.
대조군 실험군
생장량 평균(mm) 2.23±1.20 3.65±1.87
[그림 35] 남십자성 – 대조군 - 4
[그림 36] 남십자성 – 대조군 - 5
[그림 37] 남십자성 – 대조군 - 7
[그림 38] 남십자성 – 실험군 - 1
[그림 39] 남십자성 – 실험군 - 2
[그림 40] 남십자성 – 실험군 - 8
○ 시간에 따른 각 개체의 말산 농도 측정 가. Standard curve
⇒ 식물 시료를 450nm에서 OD값 을 측정하여
값에 넣으면 말산의 질량(mol)
값을 구할 수 있다.⇒ 말산의 질량(mol)을 시료의 부 피로 나누어 주면 몰농도(M)를 구 할 수 있다.
나. 남십자성(
Crassula perforata
)의 말산 농도 변화[그림 42] 남십자성의 말산 농도 변화(파란색-대조군, 빨간색-실험군)
1) 대조군 명기 시작점의 평균 농도가 5.50782mM이고 암기 시작점의 평균 농도가 1.59514mM인 것으로 보아 소비된 말산의 양은 3.91268mM이다.
2) 실험군 명기 시작점의 평균 농도가 4.23853mM이고 첫 번째 암기 시작점의 평균 농도가 1.93218mM인 것으로 보아 소비된 말산의 양은 2.30635mM이다.
3) 실험군 두 번째 명기 시작점 평균 농도가 4.05241mM이고 두 번째 암기 시작점의 평균 농도가 1.98718mM인 것으로 보아 소비된 말산의 양은 2.06522mM이다.
4) 대조군에서 소비한 말산의 양(3.91268mM)보다 실험군에서 소비된 말산의 양(2.30635mM + 1.98718mM = 4.29353mM)이 더 많은 것을 알 수 있다.
[그림 41] 말산의 Standard Curve
5) 대조군에서 기울기가 둔화되는 시점을 보면 명기 시작 이후 9시간, 암기 시작 이후 9시간이 걸린다.
다. CAM식물 재배시설 모델 개발
1) 불투명 검정색 방수천을 이용한 시설로 명기와 암기를 조절하고 명기 때는 자연광을 이용할 수 있으며 날씨가 좋지 않은 날이나 밤에 인공광을 이용할 수 있다.
2) 방수천의 개폐시간을 명기와 암기의 최적시간과 맞추고 자연광과 인공광을 조절하는 시스템을 스마트폰과 연동하여 사용할 수 있어 다육식물 재배에 생산 성과 소득을 증대할 수 있는 재배시설의 모델이 될 수 있다.
[그림 43] 스마트폰과 연계한 자동화된 재배시설 모델
□ 연구 결론
○ 산세베리아, 꿩의 비름, 남십자성에서 대조군에 비해 실험군에서 생장이 우세하 게 나타나고 있다.
○ CAM식물은 밤에만 기공을 열어 CO2를 흡수하기 때문에 액포에 저장할 수 있는 양에는 한계가 있다. 액포 크기의 한계로 암기가 지속되는 모든 시간에 CO2를 계속 흡수하는 것은 불가능하다. 이를 극복하기 위해 CO2를 흡수할 수 있는 밤(암기) 의 최적시간을 구하여 하루 동안의 암기 횟수를 증가시키면 CO2의 흡수량을 늘려 생장량이 늘어나는 것이다.
○ 실험군에서 생장이 우세한 이유는 한 번의 암기동안 만들어지는 말산의 양은 대조군에 비해 적지만 암기가 두 번이고 두 번의 암기동안 만들어지는 말산의 양을 더하면 대조군보다 많이 만들어지는 것을 알 수 있다. 이러한 이유로 대조군에 비해 실험군의 생산성이 더 커지는 것을 알 수 있다.
○ 이 실험을 통해 대조군에 비해 실험군에서 생장이 우세하게 나타난 것으로 보아 가설이 참임을 알 수 있다.
○ 남십자성의 대조군에서 말산 농도가 감소하는 기울기가 둔화되는 시점이 명기 시작 후 9시간, 말산 농도가 증가하는 기울기가 둔화되는 시점이 암기 시작 후 9시간 이므로 남십자성은 명기를 9시간, 암기를 9시간으로 설정하면 생산성을 최대화 할 수 있을 것이다.
○ 돌나물과와 선인장류는 절대적 CAM식물로 위와 같은 방식으로 생장량을 늘릴 수 있다.
○ 연구 결과를 토대로 명기와 암기를 조절하고 자연광과 인공광을 조절하는 시스템을 스마트폰과 연동하여 사용할 수 있는 다육식물 재배에 생산성과 소득을 증대할 수 있는 재배시설의 모델을 만들 수 있다.
□ 시사점
○ STEAM의 적용
연구내용 연구분야 적용분야
CAM식물 생리적 특성을 이해하고 적용한 프로젝트 생명과학 S
LED 조명을 직접 SMPS에 병렬로 연결하여 전압이 떨어지는 것을
방지하고 전력을 조절하여 LED에서 발산되는 빛의 효율을 유지 물리학 S
Malate Colorimetric Assay Kit와 Spectrophotometer등의 방법으로
다육식물 잎에서 말산을 채취하여 농도 측정 화학&공학 S & T
MBL 시스템 기반 조도센서와 온도센서를 이용하여 조도와
온도 측정 공학 T
재배공간 도면 설계 및 제작, 환기시설 제작 및 은박매트를 통한 복사열 이용과 스마트폰과 연동 시스템을 갖춘 새로운 재배시설 모델 기획
예술&기술 A & E
농가에서 재배하는 약용 및 식용 다육식물 생산성 극대화를
위한 탐구 농학 S
말산 Standard curve를 통해 얻어진 1차 함수를 통해 1시간 마다 채취한 시료의 OD값을 대입하여 말산 농도를 측정 시간당 3개 시료를 채취하였기에 평균을 구하고 표준편차를 이용해 분포 경향 분석
수학 M
<표 5> STEAM의 적용
○ 고등학교 교육과정에서 배우는 식물 생장에 미치는 요인에는 빛의 세기, 빛의 파장, 온도, CO2의 농도가 있다고 배우고 있다. 이러한 조건 외에도 식물의 생리적 특성을 이용하여 식물의 생장에 영향을 끼치는 새로운 요인을 찾아볼 수 있고 식물의 생산성을 극대화할 수 있는 방안을 모색할 수 있어 창의인성교육 에 적합한 학습 자료가 될 수 있다.
○ 연구 활동을 통해 실험의 오차가 발생하였을 때 줄여나갈 수 있는 방법을 탐색하고 실험 결과가 나오는 것을 통해 초기 실험 설계가 얼마나 중요한지도 알 수 있었다.
○ 인문계 고등학교 학생이라 대학 입시에 많은 부담감을 갖고 있고 개개인별 로 학원의 일정이 달라 모두가 모여 실험을 설계하고 제작하고 토의하는 과정에 많은 어려움이 있었다. 실험 설정을 제대로 하지 못해 실험 결과가 잘 나오지 않아 고민도 많았지만 지도교사의 조언과 학생들 간의 대화를 통해 협동심과 서로를 이해하는 마음을 기르고 자기 주도적으로 탐구하는 능력을 기를 수 있었다.
○ 최근 부각되고 있는 인공광을 이용한 식물공장의 개념을 도입하면 굳이 24시간을 주기로 명기와 암기를 나누기보단 명기와 암기를 각각 9시간의 주기를 제공하면 CAM식물의 생산성을 높일 수 있을 것으로 보인다.
□ 개선점
○ 식물 생장량 측정 자료를 처음부터 잘 설정해야 일관성 있는 생장 결과를 얻을 수 있다.
○ 다육식물의 생장 속도가 느리기 때문에 실험 설정 및 재배시설 제작을 빠른 시간에 해야 한다.
○ 식물의 생장의 중요요소인 온도를 일정하게 유지하는 시스템을 만들기가 어렵 고 동절기가 다가오면서 식물 생장에 좋지 않은 영향이 발생할 수 있어 식물 재배시기 를 설정하는 것이 매우 중요하다.
○ 식물이 씨앗부터 발아하여 실험한 내용이 아니기 때문에 이러한 내용을 일반화 시키는 것에는 한계가 있을 것이다. 따라서 충분한 연구시간이 주어진다면 씨앗부터 발아시켜 충분한 실험을 한다면 더 좋은 결과가 있을 것으로 예상된다.
○ 말산 농도 분석비가 많이 들어 24시간동안의 변화를 1회만 분석하였다. 정확성 을 높이기 위해서는 분석의 횟수를 증가시켜 말산 농도 변화 경향이 어떻게 변하는지 추가적인 실험이 필요하다.
4. 홍보 및 사후 활용 □ 홍보 활동
○ 연구 성과를 한국식물학회의 학회지에 논문을 투고할 수 있도록 노력할 것이다.
또한 교내 학술대회인 행촌학술대회에 출품할 예정이다.
○ 농촌진흥청에 연구 성과를 제시하여 CAM식물과 CAM의 특성을 지닌 다육식물 을 재배하는 농가에서 생산성을 향상 시킬 수 있도록 홍보할 것이다.
□ 후속 연구
○ 다육식물 생산성 향상을 위한 탐구란 주제를 기초로 하여 대부분의 다육식물에 이 이론을 적용할 수 있는지 CAM이외에도 C3, C4식물의 생산성을 향상할 수 있는 방안을 연구할 필요가 있다.
○ CAM식물의 새로운 재배법을 개발할 수 있다.
○ 광합성에 영향을 주는 요인 중 빛의 파장별 광합성 속도를 교과서에서 배운 데로 실행하여 다육식물에게 가장 효과적인 파장을 알아내어 효과적인 생산량 증대 방법을 탐구한다.
○ 인공광을 추가로 이용하는 경우 전기 비용을 줄일 수 있는 방안을 탐구한다.
□ 사후 활용
○ 농가에서 식용 및 약용으로 재배하는 CAM식물을 이용하여 실제 농가 소득을 올릴 수 있는 방안을 탐구한다.
○ 연구 결론을 토대로 명기와 암기를 조절하고 명기 때는 자연광을 이용할 수 있으며 날씨가 좋지 않을 경우나 밤에 인공광을 이용할 수 있으며 재배시설에 비나 눈이 들어오지 않게 조절되는 시스템을 스마트폰과 연동하여 사용할 수 있는 다육식물 재배에 생산성과 소득을 증대할 수 있는 재배시설의 모델이 될 수 있다.
5. 참고문헌
□ Mobeen Arif, Steven J. Setford, Kerry S. Burton and Ibtisam E. Tothill(2002), L-Malic acid biosensor for field-based evaluation of apple, potato and tomato horticultural produce. Analyst, 127, 104-108
□ William G. Hopkins, Norman P. A. Huner, 식물생리학, 월드사이언스 □ Neil A. Campbell, Jane B. Reece, 생명과학, 라이프사이언스
□ 하순혜, 다육식물도감, 아카데미서적
□ 전영찬, 김유민(2011). 다육식물의 백분은 왜 생기는 걸까?, 제57회 전국과학 전람회
□ 최재현(2010). 다육식물은 환경에 따라 잎의 색이 어떻게 변할까?, 제56회 전국과학전람회
□ 강재현(2011). LED를 이용한 채소재배, 제57회 전국과학전람회
□ 이상덕(2004). 선인장․다육식물의 CAM형 분류와 광, 온도 환경 조건별 CO2
교환특성에 관한 연구, 건국대학교 박사학위논문
□ 김태진(2005). 환경스트레스에 따른 돌나물과 식물의 광합성 양상의 변화, 경북대학교 석사학위논문
□ 신동락(2011). LED를 이용한 농작물 재배효율에 관한 연구, 부경대학교 석사학위논문
□ 경기도 농업기술원 선인장연구소, http://www.nongup.gyeonggi.kr/Web /unit/suninjang/index.jsp
□ 베지샵, http://vegshop.co.kr □ 농업진흥청, http://www.rda.go.kr
