서 론
식물체 간의 기생은 3,000종 이상의 기생식물 종들에서 광범위하게 존재하는 현상이다(Kuijt, 1969). 식물계에서의 기생은 나무, 관목, 다년생식물과 일년생식물들 중에서 발생 한다. 그리고 모든 기생식물은 쌍떡잎식물이다. Calow(1998) 는 기생에 대해 ‘두 생물체 사이의 친밀하고 필수적인 관계로, 근본적으로 한 생물체(기생생물)은 다른 생물체(숙주생물)의 자원을 착취하여 후자에게 손해를 준다’고 정의했다. 숙주식 물은 특정한 관계가 없이도 살아 갈 수 있지만, 기생식물은 기생적 적응도를 위해서 숙주식물에 의존한다. 모든 완전기 생식물과 반(半)기생식물은 기생근(haustorium)의 도움으로 숙주식물의 뿌리 또는 줄기에 연결되고, 수분, 무기물과 다양 한 유기물질이 기생근을 통하여 이동된다. 기생 식물과 숙주 사이의 상호 작용은 초식 동물과 식물 사이의 상호 작용과 종종 유사하다(Pennings and Callaway, 2002).
본 연구의 대상인 “천마”는 난초과(Orchidaceae) 식물중 비교적 특수한 다년생 초본식물로 적전(赤箭), 정풍초(定風 草), 선인각(仙人脚) 등으로 불렸으며, 한방에서는 옛부터 땅속 괴경의 건조체를 여러 질병 특히 신경질환의 치료제와 건강 보양식품으로 이용하여 왔다. 그러나 천마는 고등식물 이면서 뿌리와 엽록소가 없어 자영(독립)생활이 불가능하 므로 반드시 뽕나무버섯균과 결합하여 상호공생하는 관계 로 뽕나무버섯균이 공급하는 영양을 흡수해야만 정상 생육 이 가능한 독특한 기생식물로 알려져 있다(Kusano, 1911)
특용작물에 속하는 천마 생산은 블루오션 작목으로 재배 농가에 고소득창출을 기대할 수 있으며, 유기농 친환경농법 이 사람들에게 인기가 있을 뿐 아니라 재배 시 농약이나 화학비료를 전혀 사용하지 않는 100% 친환경 농법으로 재 배되기 때문에 안전하게 먹을 수 있는 장점이 있다. 그렇기 때문에 천마 다식, 천마 젤리, 천마 발효식초 음료 등 식품 원료로서의 활용 가능성에 대한 연구와 시도가 진행되고 있으며(Park, 2014), 지역산업간 융합을 통해 천마의 대중 화를 꾀하고 있다.
대기 중의 CO2 농도는 산업화 이전(280ppm)보다 2005 년(379ppm)에 35%가 증가했다. 기온은 지난 100년간 0.7 4℃ 상승하였고, 지난 25년간 0.45℃ 상승하였다(IPCC, 2007). 급격한 기온상승 및 빈번한 이상기상 출현으로 기후 변화는 인류의 최대 관심사가 되었다. 이러한 기온상승은 전 세계적으로 생태계에 영향을 미치고 있으며, 꽃이나 잎 의 발아 및 개화시기의 변화 등 모든 생물자원의 번식에까 지 영향이 뚜렷하게 나타나고 있다(Crick and Sparks, 1999; Ahas et al., 2002; Ahas and Aasa, 2006).
외국의 경우 79종의 농작물과 야생종을 대상으로 CO2 농도 증가에 의한 식물의 번식반응을 연구한 159편의 논문을 분석해, CO2 농도가 증가할수록 꽃의 수, 열매 수와 종자 수가 증가함을 보고하였고(Jablonski et al., 2002), CO2 농도 를 약 2배로 처리 한 결과, 돼지풀(Ambrosia artemisiifolia)의 꽃대길이와 무게가 증가함을 보고하였다(Rogers et al., 2006). 국내의 경우 CO2 농도와 온도 상승시 백태는 종자수 가 감소하고 서목태는 꼬투리 수와 종자 무게가 감소되어 생산량이 줄어드는 것으로 보고하였고(Park et al., 2014), 멸종위기식물인 섬시호의 생육은 광, 수분, 영양소보다 지구 온난화의 영향을 더 많이 받는 것으로 보고하였다(Ahn et al., 2016). 멸종위기식물인 황근은 CO2 농도와 온도의 증가 로 인해 내성범위가 좁아져 광량에 의해 제한될 것으로 보고 하였다(Lee et al., 2017).
본 연구에서는 CO2 농도와 온도 상승시 특용작물인 천마 의 생육반응을 알아봄으로써 자연에 분포하는 천마의 생육 및 생태에 미치는 영향을 파악하고, 천마의 재배시 보다 빠 르고 대량으로 생산량을 높이는데 핵심적 자료를 제공하고 자 하였다.
연구방법
1.환경요인
환경요인 처리를 위하여 온실 밖 야외의 CO2 농도(330∼ 400ppm)를 대조구(ambient CO2+ambient temperature, ACAT)로 하였고, 유리온실 안을 두 구획으로 나누어 한 곳은 온도를 약 2℃ 상승시킨 온도상승구(ambient CO2+ elecated temperature, ACET)로, 다른 한 곳은 온도와 함께 CO2 농도를 약 2배 증가시킨 CO2+온도상승구(elevated CO2+elevated temperature, ECET)로 정하였다(Table 1).
CO2 농도는 최근에 가장 일반적인 기후변화 시나리오 (RCP6.0)로 실험에 사용되는 대조구의 약 2배인 750∼ 800ppm으로 처리하였다.
2.파 종
2011년 10월에 파종하여 2012년 7월 말까지 일반 대기 조건인 대조구(ACAT), 온도상승구(ACET), CO2+온도상 승구(ECET) 각각에서 생육시켰다. 파종 방법은 상수리나 무 원목(길이 30cm, 직경 15cm)에 구멍을 뚫고 뽕나무버섯 균을 접종시킨 뒤, 건조를 방지하고 원목 속 균사 활착이 잘 되도록 톱밥을 이용해 구멍을 막았다. 이 후, 주변에 10 개의 자마를 정식한 뒤, 7~10cm 두께로 모래를 덮고, 온도 와 수분관리에 용이하도록 그 위에 짚과 낙엽을 덮어 주었 다. 실험에 사용한 종마와 종균은 삼도봉 천마 농장(경북 김천시 부항면 소재)에서 구입하였다.Figure 1
3.생식기관 측정 및 통계처리
천마는 5월∼6월에 지면에서 꽃대가 올라오고 7월에 꽃 이 피며, 총상꽃차례를 이루어 많은 꽃을 피운다. 이때를 천마의 최대 성장기로 보기 때문에 2012년 7월에 꽃대 수, 꽃대 길이, 화서 길이, 생식기관의 무게, 지상부의 생물량, 근경의 수, 근경의 생물량을 측정하였다. 환경요인 구배에 따른 천마의 생육적 반응의 경향성을 밝히기 위하여 환경요 인의 각 구배에 따른 반응의 평균치를 이용하여 일원분산분 석(One-way ANOVA)을 실시하였다. 구배별 차이 유의성 은 일원분산분석을 이용하였다. Fisher 최소유의차 법으로 5% 유의수준에서 차이를 검정하였다(No and Jung, 2002).
결과 및 고찰
1.지상부
1)꽃대 수
각 처리구에 10개의 자마를 정식한 후 생장시킨 결과, 지면에 올라온 꽃대의 수는 온도상승구에서 8개로 가장 많 이 올라왔고, 대조구에서 4개, CO2+온도상승구에서 1개 순 이었다. 꽃대 수는 온도와 CO2 농도에 따라 확연한 차이가 있었다(Figure 2, 3a).
2)꽃대 길이
꽃대의 평균 길이는 온도상승구에서 90.0cm, 대조구에서 80.8cm, CO2+온도상승구에서 12cm 순이었다. 꽃대 길이 는 대조구와 온도상승구간에는 통계적으로 차이가 없었으 며, CO2+온도상승구에서 잘 자라지 못하였다. 특히 CO2+ 온도상승구에서 올라온 꽃대는 12cm에서 성장이 멈추었다 (Figure 2, 3b).
3)화서 길이
화서의 평균 길이는 대조구에서 30.3cm, 온도상승구에서 23.8cm, CO2+온도상승구에서 2.5cm 순이었다. 화서 길이도 대조구와 온도상승구간에는 통계적으로 차이가 없었으며, CO2+온도상승구에서 잘 자라지 못하였다(Figure 2, 3c).
4)생식기관의 무게
생식기관인 종자 캡슐의 평균 무게는 온도상승구에서 0.42g, 대조구에서 0.30g, CO2+온도상승구에서 0.08g 순이 었다. 생식기관의 무게는 온도상승구에서 높은 경향을 보였 으나, 대조구와 온도상승구와 CO2+온도상승구 모두 통계 적인 차이는 없었다(Figure 3d). 하지만 종자캡슐 생체중량 이 0.41g 이상에서 발아율이 높고, 0.3g 이하에서는 발아율 이 낮기 때문(Hong et al., 2004)에 온도상승구에서 생산된 종자를 파종에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
5)지상부의 생물량
지상부의 평균 생물량은 온도상승구에서 14.59g, 대조구 에서 10.45g, CO2+온도상승구에서 1.3g 순이다. 지상부의 생물량도 온도상승구에서 높은 것으로 나타났으나, 대조구 와 온도상승구와 CO2+온도상승구간에 통계적인 차이는 없 었다(Figure 3e).
천마의 생육온도 범위는 10~30℃이며 적온은 20~25℃, 사멸온도는 35℃ 이상이다(Lee, 1999). 이것으로 보아 천마 는 온도뿐만 아니라 CO2 농도에 민감하며, 발아와 생장에 안 좋은 영향을 끼치는 것으로 판단된다. 기생식물은 CO2 농도 또는 온도의 증가로 인해 생물량을 증가시켜 숙주식물 에 예기치 않은 위협을 초래할 수 있다(He, 2012). 그러나 천마는 CO2 농도의 증가하였을 때 생물량이 감소하였다. 이것은 기생식물에 따라 CO2 농도에 특이적으로 반응하는 것을 시사한다. 따라서, CO2 농도 증가와 함께 기후환경 변화가 진행될 경우 자연에 분포하는 천마의 생육 및 생태 적 측면에서 부정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.
2.지하부
1)근경의 수
천마 근경의 수는 온도상승구에서 87개, 대조구에서 71 개, CO2+온도상승구에서 41개 순이었다. 또한, 온도상승구 에서 생산된 근경이 크기도 균일하였으나, 대조구와 CO2+ 온도상승구에서는 균일하지 않았다(Figure 4, 5a).
2)근경의 생물량
근경의 총 생물량은 온도상승구에서 1,309.97g, 대조구 에서 546.75g, CO2+온도상승구에서 276.67g 순이었다 (Figure 5b). 근경의 평균 생물량은 온도상승구에서 15.06g, 대조구에서 7.70g, CO2+온도상승구에서 6.75g 순이었다. 근경의 평균 생물량은 온도상승구에서 높았고, 대조구와 CO2+온도상승구간에는 차이가 없었다(Figure 5c).
Marchin et al.(2014)에 따르면, 증가된 온도는 난초과 식물인 Tipularia discolor의 성장과 번식에 부정적인 영향 을 미쳤다. 또한 Putti et al.(2017)은 지구온난화가 난초과 식물인 Laelia purpurata의 활력을 감소시킬 수 있음을 수 학적으로 증명하였다. 하지만 본 연구에서는 천마의 생육 및 생산량은 온도만 상승된 환경조건에서 증가하였다. 이는 천마 재배지에 비가림시설을 설치하여 지온이 24.8℃로 상 승하였을 때 상품성이 있는 성마의 수확량이 높았던 연구결 과와 유사하다(Yu, 2013). 이렇게 천마는 환경이 양호하면 1~2개월 사이에도 수십 개의 자마와 성마를 키워 나간다 (Lee, 1999). 천마는 봄에 종마를 심은 경우 이듬해 봄에 성마만을 뽑아 수확하고, 보통 3년째 자마와 성마를 모두 수확(Jang, 1999)하기 때문에 단기간에 생산성을 높이는 재 배기술의 개발이 필요하다.
Chaturvedi et al.(2009)의 연구에서는 높은 CO2 농도에 서 근경을 약으로 쓰는 매자나무과 식물인 Podophyllum hexandrum Royle의 생산량이 증가하였고, Ghasemzadeh et al.(2010)의 연구에서는 생강(Zingiber officinale Roscoe) 의 수확량과 의약성분의 품질이 증가하였다. 하지만 본 연 구에서 온도와 CO2 농도가 동시에 상승한 경우 천마의 생 장 및 생산량에 부정적인 영향을 끼쳤다. 난초과 식물의 자 연적인 종자 발아, 개체의 성장을 위해서는 진균성 곰팡이 사이의 공생관계가 필수적인데(Barman and Devadas, 2013), 난초균의 기능과 안정성은 환경요인에 민감하다(Batty et al., 2001).
결과적으로, 천마의 재배시에는 적정지온 20~25℃를 유지 하고, 높은 CO2 농도에 노출되지 않도록 하여야 할 것이다.
