KR101556647B1 - 광합성과 광보호 양자 수율 지도 형성 방법 - Google Patents

광합성과 광보호 양자 수율 지도 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 실시예에 따른 양자 수율 지도 형성 방법은, (a) 제1 식물과 제2 식물에 활성광(actinic light)을 인가하고 제1 식물 및 제2 식물이 제공하는 형광을 수집하여 활성광 강도에 따른 제1 식물의 양자 수율 및 제2 식물의 양자 수율을 구하는 단계와, (b) 인공위성에서 가시광 대역으로 타겟 지역을 촬영하여 태양광에 대한 제1 식물의 형광 강도 및 제2 식물의 형광 강도를 획득하는 단계와, (c) 제1 식물의 형광 강도 및 제2 식물의 형광 강도와 사진 촬영 일시의 일사량 정보를 이용하여 환산 활성광 강도를 연산하는 단계와, (d) (c) 단계에서 얻어진 환산 활성광 강도를 (a) 단계에서 구한 활성광 강도에 따른 제1 식물의 양자 수율 및 제2 식물의 양자 수율과 대비하여 제1 식물의 양자 수율과 제2 식물의 양자 수율의 평균 양자 수율을 구하는 단계 및 (e) 구하여진 평균 양자 수율을 이용하여 타겟 지역의 평균 양자 수율 지도를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

광합성과 광보호 양자 수율 지도 형성 방법{Forming Method Of Photosynthetic and photoprotective Quantum Yield Map}
본 발명은 광합성과 광보호 양자 수율 지도 형성 방법에 관한 것이다.
식물의 광합성은 작물의 작황과 경작의 성패를 좌우하는 중요한 생리작용이다. 그런데 최근 기후 변화에 따라서 작물의 작황의 변동이 커지는 등, 기후 변화에 따른 작물의 광합성 수율 측정기술이 중요하게 대두되고 있다. 식물의 광합성 수율을 정량적으로 측정하기 위한 비파괴 측정 방법은 현장에서 고가의 장비를 이용하여 전문 인력이 비교적 오랜 시간에 걸쳐 측정하거나 현장의 시료를 채취하여 장비가 갖추어진 실험실로 운반하여 정밀 분석하는 방법이 일반적이다. 반면에 현재 기술로 비파괴적으로 식물의 광합성을 정량적으로 측정하는 방법에는 엽록소 형광법, 이산화탄소 가스 섭취량 측정법, 그리고 산소발생량 측정법 등이 있다. 이중에서 식물 내 엽록소 소기관의 형광을 이용하여 광합성 수율을 측정하는 방법인 펄스 세기 조정 (Pulsed Amplitude Modulation) 형광법 (PAM 형광법)은 비파괴적인 광합성 측정방법으로 가장 쉽게 적용할 수 있다.
엽록소 형광을 이용하는 배경원리는 다음과 같다. 식물은 빛과 밀접한 관계를 가지고 살고 있는데 적절한 양의 빛은 광합성의 작용 등과 같이 식물이 살아가는데 절대적인 요구조건이 되지만, 광합성에서 수용할 수 없는 과도한 양의 빛은 엽록소 분자의 삼중항 들뜬 상태를 통해서 활성산소종(reactive oxygen species)을 생산하기도 하는 등, 궁극적으로 식물의 생존을 위협하게 된다. 따라서 식물들은 이를 억제하기 위해 항산화 분자들(예를 들어 카로티노이드 등이 유해한 삼중항 상태를 제거)과, 단백질 작용(손상된 단백질을 복구하여 기능을 회복), 또한 단백질/엽록체 이동 (손상이 쉬운 부분에서 손상이 잘 되지 않는 곳으로 이동) 등을 통해 자체적으로 과도한 빛에 의한 손상을 조절할 수 있는 능력을 가지고 있다. 하지만 역시 지표면에 내리쬐는 많은 양의 빛을 처리하기에는 역부족이다. 그래서 식물은 여기된 엽록소 에너지를 열에너지로 방출하는 대사과정을 통해서 과도한 빛의 의한 손상을 피하고 회피한다. 식물의 다양한 광보호 메커니즘을 통칭하여 비광화학적 소멸(Non-Photochemical Quenching, NPQ)이라고 한다. 비광화학적 소멸은 거의 모든 광합성 진핵세포에서 일어나며 식물에게 들어오는 빛 에너지의 과도한 흡수를 억제하고 생존과정인 광합성 작용을 보호한다. 작물에 빛이 흡수되면 엽록소가 여기되고 여기된 엽록소 분자의 수는 필수이완과정인 광합성 경로(kP)과 NPQ경로 (kNPQ) 그리고 내재이완 (intrinsic decay) 경로(kC)에 의해 시간에 따라 감소된다. 여기서 내재이완과정은 형광(fluorescence), 계간전이(intersystem crossing), 그리고 내부변환(internal conversion) 과정의 총합이다. 엽록소 분자의 내재이완과정의 각 경로의 비율은 정해져 있으며 따라서 내재이완경로 내 형광의 비율은 변경되지 않는다. 따라서 엽록소의 형광은 광합성과 비광화학적 소멸의 경로속도 (kP 와 kNPQ)에 대한 내재이완 경로의 상대적인 비율로 결정된다. 상술한 대로 PAM 형광법은 이러한 광합성과 비광화학적 소멸의 비율을 측정하여 광합성과 비 광화학적 소멸, 그리고 내재 이완 경로의 비율을 측정한다.
한편 국내의 정지궤도위성인 천리안 위성은 2012년 발사되어 성공적으로 정지궤도를 돌고 있으며 현재 한반도 주변의 기상과 한반도 영상 정보를 제공하고 있다. 최근 기술의 발달로 지표면에 대한 정밀도가 수십 미터이내에 이르는 등 기상과 지표면에 대한 정보를 제공하고 있다. 아울러 정지위성의 농업분야의 활용도가 증가되고 있다. 정지위성의 지표면 가시광 영상에는 약하게나마 식물의 엽록소의 형광도 포함하고 있다.
PAM 형광기를 이용하여 소수의 식물 잎에서의 광합성 수율을 측정하는 것은 가능하지만 산과 평야 등 대규모 면적의 광합성량을 측정하는 것은 시간적 공간적 제약 때문에 사실상 불가능하다. 또한 광합성량을 측정하는 PAM 형광기는 국내에 적은 수의 장비가 운영 중인 상황이다. 원격에서 발사되는 레이저 광원을 이용하여 엽록소 형광을 발생시키고 여기서 발생하는 형광을 수 킬로미터 떨어진 원거리에서 측정하여 광합성 수율을 측정하는 방법이 이미 개발되어 있으나, 고출력 광원인 레이저등을 이용하기 때문에 많은 에너지를 소모하며 규모가 큰 거대 장비를 운영해야 하며, 평야지역과 같이 넓은 면적에 고출력 레이저를 조사하고, 그로부터 광합성 수율을 측정하는 것은 공간적인 제약으로 불가능하다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위한 것으로 인공위성에서 가시광대역으로 촬영된 사진을 이용하여 대면적에서 재배되는 작물들의 광합성 수율을 일목요연하게 파악할 수 있는 지도를 형성하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 실시예에 따른 양자 수율 지도 형성 방법은, (a) 제1 식물과 제2 식물에 활성광(actinic light)을 인가하고 제1 식물 및 제2 식물이 제공하는 형광을 수집하여 활성광 강도에 따른 제1 식물의 양자 수율 및 제2 식물의 양자 수율을 구하는 단계와, (b) 인공위성에서 가시광 대역으로 타겟 지역을 촬영하여 태양광에 대한 제1 식물의 형광 강도 및 제2 식물의 형광 강도를 획득하는 단계와, (c) 제1 식물의 형광 강도 및 제2 식물의 형광 강도와 사진 촬영 일시의 일사량 정보를 이용하여 환산 활성광 강도를 연산하는 단계와, (d) (c) 단계에서 얻어진 환산 활성광 강도를 (a) 단계에서 구한 활성광 강도에 따른 제1 식물의 양자 수율 및 제2 식물의 양자 수율과 대비하여 제1 식물의 양자 수율과 제2 식물의 양자 수율의 평균 양자 수율을 구하는 단계 및 (e) 구하여진 평균 양자 수율을 이용하여 타겟 지역의 평균 양자 수율 지도를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 양자 수율 지도를 형성하는 방법은 (a) 식물에 활성광(actinic light intensity)을 인가하고 식물이 제공하는 형광을 수집하여 활성광 강도에 따른 식물의 양자 수율을 구하는 단계와, (b) 인공위성에서 가시광 대역으로 타겟 지역을 촬영한 영상을 이용하여 태양광에 대한 식물의 형광 강도를 획득하는 단계와, (c) 형광 강도와 사진 촬영 일시의 일사량 정보를 이용하여 환산 활성광 강도를 연산하는 단계와, (d) (c) 단계에서 얻어진 환산 활성광 강도를 (a) 단계에서 얻어진 활성광 강도에 따른 식물의 양자 수율과 대비하여 식물의 양자 수율을 구하는 단계 및 (e) 구하여진 식물의 양자 수율을 타겟 지역에 표시한 양자 수율 지도를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면 작물이 자라는 논이나 밭이 있는 현장에 나가지 않고 장비의 구입과 측정시간의 구애를 받지 않고 사무실의 컴퓨터를 이용하여 정지위성이 보내는 영상을 거의 실시간으로 광합성 양자 수율로 환산할 수 있다는 장점이 제공된다.
본 발명에 의하면 특정 작물의 광합성 양자 수율을 언제든지 파악할 수 있으므로 상기 특정 작물의 작황을 미리 예측할 수 있다는 장점이 제공되며, 나아가 산림의 생태를 실시간으로 분석, 예측할 수 있다는 장점이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양자 수율 지도 형성 방법의 개요를 나타내는 순서도이다.
도 2는 활성광 강도 변화에 따른 밀양 23호 벼의 광합성 양자수율, 비광화학적 소멸 양자 수율 및 내재이완경로 양자 수율 값 변화를 도시한 도면이다.
도 3은 활성광 강도 변화에 따른 기호 벼의 광합성 양자수율, 비광화학적 소멸 양자 수율 및 내재이완경로 양자 수율 값 변화를 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따라 양자 수율 지도를 형성하는 방법의 개요를 도시하는 순서도이다.
도 5a와 도 5b는 각각 2014년 5월 6일 06시 45분 및 08시 43분에 675nm의 파장대역으로 촬영한 천리안 위성 사진이다.
도 6은 본 구현예에서 얻은 평균 광합성 양자 수율 변화 지도이다.
도 7은 본 구현예에서 얻은 평균 비광화학적 소멸 양자 수율 변화 지도이다.
도 8은 본 구현예에서 얻은 평균 내재이완 경로 양자 수율 변화 지도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들을 검증하는 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "상부에" 또는 "위에"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "접촉하여" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "개재하여"와 "바로 ~개재하여", "~사이에"와 "바로 ~ 사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양자 수율 지도 형성 방법의 개요를 나타내는 순서도이다. 도 1의 S110 단계를 참조하면, 제1 식물과 제2 식물에 활성광을 인가하고 제1 식물이 제공하는 형광 및 제2 식물이 제공하는 형광을 수집하여 활성광 강도에 따른 제1 식물의 양자 수율 및 제2 식물의 양자 수율을 구한다. 활성광(actinic light)은 광합성을 촉진하는 광으로, 태양광에 포함된 활성광의 강도는 일출시에 급격하게 증가하며, 일출 후 시간이 경과함에 따라 그 크기는 대략 2000μmol photon/m2sec 까지 증가한다.
일 실시예로, 본 단계는 일몰 후 태양빛이 없는 상태에서 PAM 형광기를 사용하여 식물에 활성광을 제공하고 그에 따른 형광을 검출하여 양자수율을 구한다. 다른 예로, 시간에 관계없이 차광 상태에서 PAM 형광기로 식물에 활성광을 제공하고 그에 따른 형광을 검출하여 양자수율 값을 얻을 수 있다.
광합성 양자수율(ΦII), 비광화학적 양자수율(ΦNPQ) 및 내재이완 양자수율(ΦC) 계산은 각각 아래의 수학식 1 내지 수학식 3을 이용한다.
Figure 112015006132125-pat00001
Figure 112015006132125-pat00002
Figure 112015006132125-pat00003
상기한 수학식 1 내지 수학식 3에서
Figure 112015006132125-pat00004
는 광합성 속도 상수이고,
Figure 112015006132125-pat00005
는 내재이완 속도 상수이고,
Figure 112015006132125-pat00006
는 비광화학적 소멸 속도 상수이다.
Figure 112015006132125-pat00007
는 마지막 최대 형광 방출량이고,
Figure 112015006132125-pat00008
는 정상 상태(steady-state)의 형광 방출량이고,
Figure 112015006132125-pat00009
은 처음 최대 형광 방출량이다.
일 실시예로, PAM 형광기가 제공하는 활성광 강도 값을 50μmol photon/m2sec , 400μmol photon/m2sec , 800μmol photon/m2sec , 1000μmol photon/m2sec , 1300μmol photon/m2sec , 2000μmol photon/m2sec 으로 변화시키면서 밀양 23호벼에 조사한 경우에 광합성 양자수율(ΦII), 비광화학적 소멸 양자 수율(ΦNPQ) 및 내재이완경로 양자 수율(ΦC) 값 변화는 도 2와 같으며, 기호벼에 조사한 경우에 광합성 양자수율(ΦII), 비광화학적 소멸 양자 수율(ΦNPQ) 및 내재이완경로 양자수율(ΦC) 값의 변화는 도 3과 같다.
이와 같이 얻어진 활성광 강도에 따른 제1 식물의 양자 수율 및 제2 식물이 제공하는 양자 수율 정보는 태양광 강도를 환산 활성광 강도로 변환하여 광합성 양자 수율 지도를 포함하는 양자 수율 지도를 형성하는데 사용된다.
S120 단계에서, 인공위성에서 가시광 대역으로 타겟 지역을 촬영하여 태양광에 대한 상기 제1 식물의 형광 강도 및 제2 식물의 형광 강도를 획득한다. 일 실시예로, 한반도 내의 식물에 대하여 형광강도를 획득할 수 있는 정지 위성으로 천리안 위성을 사용할 수 있다.
가시광 대역인 670 nm 내지 690nm 파장 대역의 광으로 타겟 지역을 촬영하여 타겟 지역 내에서 식물의 광합성 작용에 따라 발생하는 형광의 강도를 검출한다. 인공위성이 촬영한 사진은 복수의 픽셀(pixel)들로 이루어져 있으며, 각각의 픽셀값은 촬영한 파장대역에 상응하는 광의 강도에 상응한다. 광합성시 제1 식물 및 제2 식물이 발생하는 형광의 파장들은 사진 촬영에 사용된 670nm 내지 690nm 파장 대역에 대응된다. 따라서, S120 단계에서 인공위성에서 촬영한 사진의 픽셀 값들로부터 제1 식물 및 제2 식물의 형광 강도를 얻을 수 있다.
일 실시예에서, 시간의 경과에 따른 양자 수율의 변화 지도를 형성하기 위하여 시간적으로 이격된 제1 시간과 제2 시간에 각각 사진을 촬영할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 S110 단계는 반드시 S120 단계의 수행 이전에 수행될 필요는 없으며, S120 단계의 수행 이전, 이후 또는 S120 단계와 동시에 수행될 수 있다.
S130 단계를 참조하면, 제1 식물의 형광 강도 및 제2 식물의 형광 강도와 사진 촬영 일시의 일사량 정보를 이용하여 환산 활성광 강도를 연산한다. 인공위성에서 찍은 사진으로 얻은 형광의 강도는 태양광에 의한 광합성으로부터 발생한 형광이다. 따라서, S110 단계에서 PAM 형광기로 활성광을 조사하여 얻어진 제1 식물 및 제2 식물의 양자 수율을 정보를 사용하기 위하여는 촬영 당시의 태양광의 강도를 활성광의 강도로 환산할 필요가 있다. 태양광의 강도에 상응하는 활성광의 강도를 환산 활성광 강도라 하며, 환산 활성광 강도는 아래의 수학식 1을 연산하여 얻어진다.
Figure 112015006132125-pat00010
수학식 4에서 p는 인공위성에서 촬영한 사진을 구성하는 각각의 픽셀들의 값으로 각 픽셀 내의 형광의 강도에 상응한다. Fmax는 s120 단계에서 PAM 형광기로 측정한 형광의 최대값으로, 실험적으로 측정하여 구할 수 있다. ALmax는 일사량의 최대값으로, 기상청 등으로부터 타겟 지역의 사진 촬영일시의 일사량 정보를 제공받아 파악할 수 있다. c는 식물에 제공된 활성광과 식물로부터 얻어진 형광 사이의 변환상수이며, 식물에 제공된 활성광과 식물로부터 얻어진 형광사이의 비례관계를 측정하여 구한다.
다만, S120단계에서 인공위성이 촬영한 사진에는 제1 식물 및 제2 식물이 발생하는 형광과는 무관하게 태양광이 구름, 지표면 또는 수면 등에서 반사되는 반사광도 포함되어 있으며, 이러한 반사광은 양자 수율 지도 제작에 불필요한 노이즈로 작용하므로 그 영향을 제거하도록 교정(calibration)할 필요가 있다.
교정의 일 실시예로, 타겟 지역의 촬영 일시 일사량 정보를 기상청으로부터 제공받아 환산 활성광 강도로 변환한다. 변환된 환산 활성광 강도를 픽셀 데이터에 상응하도록 변환하여 변환된 픽셀 데이터를 문턱치로 하여 인공위성이 촬영한 사진의 픽셀 값들 중 상기 임계치를 초과하는 픽셀은 반사광에 의한 것으로 보아 해당 픽셀값을 0으로 한다.
S140 단계를 참조하면, S110 단계에서 구한 활성광 강도 대비 양자 수율 정보를 이용하여 환산 활성광 강도에 대한 제1 식물의 양자 수율 및 제2 식물의 양자 수율의 평균 양자 수율을 구한다. 환산 활성광 강도는 태양광의 강도에 상응하는 활성광의 강도인 바, S110 단계에서 구한 활성광 강도 대비 양자 수율 정보를 이용하면 촬영시 제1 식물의 양자 수율과 제2 식물의 양자 수율의 평균 양자 수율을 얻을 수 있다.
일 실시예에서, S110 단계에서 얻어진 활성광 강도에 대한 양자 수율 정보들을 곡선 맞춤(curve fitting)하면 활성광 강도에 대한 광합성 양자 수율, 활성광 강도에 대한 비광화학적 소멸 양자 수율 및 활성광 강도에 대한 내재이완 경로 양자 수율에 관한 수학식들을 얻을 수 있다. 일 예로, 밀양 23호벼에서 환산 활성광 강도에 대한 광합성 양자 수율, 비광화학적 소멸 양자 수율 및 내재이완경로 양자 수율에 대한 곡선 맞춤에 대한 결과는 각각 아래의 수학식 5, 수학식 6 및 수학식 7과 같다. 따라서 환산 활성광 강도와 수학식 5 내지 7를 연산하여 밀양 23호벼의 광합성 양자 수율, 비광화학적 소멸 양자 수율 및 내재이완경로 양자 수율을 구할 수 있다.
Figure 112015006132125-pat00011
Figure 112015006132125-pat00012
Figure 112015006132125-pat00013
다른 예로, 기호벼에서 환산 활성광 강도에 대한 광합성 양자 수율, 비광화학적 소멸 양자 수율 및 내재이완경로 양자 수율에 대한 곡선 맞춤 결과는 각각 수학식 8, 수학식 9 및 수학식 10와 같다. 따라서 환산 활성광 강도와 수학식 8 내지 10을 연산하여 기호벼의 광합성 양자 수율, 비광화학적 소멸 양자 수율 및 내재이완경로 양자 수율을 구할 수 있다.
Figure 112015006132125-pat00014
Figure 112015006132125-pat00015
Figure 112015006132125-pat00016
이와 같이 구하여진 제1 식물과 제2 식물의 양자 수율들에 대하여 평균값을 연산하여 평균 양자 수율값을 구할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 S120 단계에서 제1 시간과 제2 시간에 각각 사진을 촬영한 경우에는 제1 시간에서의 제1 식물과 제2 식물의 평균 양자 수율 값을 구할 수 있으며, 제2 시간에서의 제1 식물과 제2 식물의 평균 양자 수율 값들을 구할 수 있다.
S150 단계를 참조하면, S140 단계에서 구한 평균 양자 수율을 이용하여 타겟 지역의 평균 양자 수율 지도를 형성한다. 평균 양자 수율은 제1 식물과 제2 식물의 양자 수율의 평균값으로, 제1 식물과 제2 식물의 양자 수율값들은 0 내지 1이하의 값을 가지는 바, 평균 양자 수율값도 0 내지 1 이하의 값을 가진다. 따라서, 그 정도를 단계별로 표시하기 위하여 변환 상수를 평균 양자 수율에 곱하여 평균 양자 수율 지도를 형성할 수 있다. 일 예로, 평균 양자 수율을 256 단계의 세기로 표현하기 위하여는 평균 양자 수율에 변환 상수 255를 곱하여 평균 양자 수율 지도를 형성할 수 있다.
일 실시예로, 타겟 지역이 한반도 전역이라면, 상기한 단계들에서 한반도 전역에 대한 환산 활성광 강도 대비 양자 수율을 연산하여 한반도 전역에 대하여 플로팅(plotting)하여 양자 수율 지도를 형성할 수 있다.
일 실시예로, 밀양 23호벼와 기호벼는 우리나라의 대표적인 벼품종이다. 이들을 각각 제1 식물과 제2 식물로 하여 평균 광합성 양자 수율 지도를 작성하면 사진 촬영 일시에서 제1 식물과 제2 식물의 광합성이 얼마나 활발히 이루어지고 있는지 여부를 파악할 수 있다. 주기적/비주기적으로 평균 광합성 양자 수율 지도를 작성하면 광합성에 기반하여 제1 식물 및 제2 식물의 작황을 예측할 수 있다는 장점이 제공된다.
다른 실시예로, 제1 시간과 제2 시간에 각각 사진을 촬영하여 제1 시간에서의 평균 양자 수율 값과 제2 시간에서의 평균 양자 수율 값을 구한 후, 그 차이를 연산하면 평균 양자 수율의 변화를 얻을 수 있으며, 이를 지도의 형태로 도시하여 평균 양자 수율 변화 지도를 형성할 수 있다. 이러한 평균 양자 수율 변화 지도를 통하여 시간이 제1 시간과 제2 시간의 경과동안 양자 수율의 변화를 파악할 수 있다는 장점이 제공된다.
제2 실시예
이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 설명한다. 간결하고 명확한 설명을 위하여 이미 설명된 실시예와 중복된 부분에 대한 설명은 생략될 수 있다. 도 4는 본 실시예에 따라 양자 수율 지도를 형성하는 방법의 개요를 도시하는 순서도이다. S210 단계를 참조하면, 식물에 활성광(actinic light)을 인가하고 식물이 제공하는 형광을 수집하여 활성광 강도에 따른 상기 식물의 양자 수율을 구한다. 위의 실시예에서 설명된 바와 같이 본 단계는 차광 상태 또는 일몰 후 태양광이 없는 상태에서 PAM 형광기를 이용하여 수행될 수 있다.
S220 단계에서, 인공위성에서 가시광 대역으로 타겟 지역을 촬영하여 태양광에 대한 상기 식물의 형광 강도를 획득한 후, S230 단계에서 상기 형광 강도와 사진 촬영 일시의 일사량 정보를 이용하여 환산 활성광 강도를 연산한다. 상술한 바와 같이 인공위성에서 촬영한 형광은 태양광에 의한 광합성으로부터 발생된 형광을 촬영한 것이다. 따라서, 식물에 제공된 태양광의 강도를 상기 S210 단계에서 제공된 활성광의 강도로 환산할 필요가 있으며, 환산은 위의 수학식 4에 의한다. 마찬가지로, 인공위성이 촬영한 사진에는 식물의 형광과 무관한 반사광등이 포함되어 있는 바, 그 영향을 제거하도록 교정(calibration)을 수행한다.
S240 단계를 참조하면, S230 단계에서 연산된 환산 활성광 강도를 S210 단계에서 구한 활성광 강도에 따른 식물의 양자 수율과 대비하여 식물의 양자 수율을 구한다. 일 실시예로, 연산된 환산 활성광 강도와 S210 단계에서 구한 활성광 강도에 따른 상기 식물의 양자 수율을 대비하여 식물의 광합성 양자 수율, 비광화학적 소멸 양자 수율 및 내재이완 경로 양자 수율을 연산할 수 있다.
다른 실시예로, 상기 식물이 밀양 23호벼이면, 환산 활성광 강도를 이용하여 수학식 5 내지 7를 연산하여 광합성 양자 수율, 비광화학적 소멸 양자 수율 및 내재이완경로 양자 수율을 연산할 수 있다. 또 다른 실시예로, 상기 식물이 기호벼이면, 환산 활성광 강도를 이용하여 수학식 8 내지 10을 연산하여 광합성 양자 수율, 비광화학적 소멸 양자 수율 및 내재이완경로 양자 수율을 연산할 수 있다.
S250 단계를 참조하면, S240 단계에서 얻은 양자 수율을 상기 타겟 지역에 표시하여 양자 수율 지도를 표시할 수 있으며, 소정의 변환상수를 곱하여 양자 수율 지도를 표시할 수 있다. 일 실시예로, 특정한 시간에 어느 하나의 식물에 대한 광합성 양자 수율 지도를 작성할 수 있으며, 다른 실시예로, 시간 차이를 두고 광합성 양자 수율의 변화 지도를 작성할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 의하면 특정한 식물에 대한 광합성 양자 수율 지도를 작성할 수 있으며, 이를 통하여 시간에 따른 광합성 양자 수율 지도를 관찰하면 타겟 지역 내에서 특정 작물의 작황을 과학적으로 예측할 수 있다.
구현예
이하에서는 도 5 내지 도 11을 통하여 본 발명의 제1 실시예를 구현한 예를 설명한다. 본 구현예에서 우리나라의 대표적인 벼 품종인 밀양 23호벼를 제1 식물로 선정하였으며, 기호벼를 제2 식물로 선정하여 각각에 대하여 PAM 형광법을 적용하여 활성광 강도에 대한 양자 수율의 변화를 측정하였다.
도 5a는 2014년 5월 6일 06시 45분에 675nm의 파장대역으로 촬영한 천리안 위성 사진이며, 도 5b는 동일한 파장대역으로 2014년 5월 6일 08시 43분에 찍은 천리안 위성 사진이다. 도 5a, 도5b의 위성 사진들과 기상청에서 제공된 촬영 일시의 일사량 정보 및 PAM 형광 정보를 이용하여 환산 활성광 강도를 연산하였고, 이를 이용하여 밀양 23호벼와 기호벼의 평균 광합성 양자 수율, 평균 비광화학적 소멸 양자 수율 및 평균 내재이완 경로 양자 수율을 연산하였다.
아래의 수학식 11 내지 수학식 13을 연산하여 평균 광합성 양자 수율 차이(III), 평균 비광화학적 소멸 양자 수율 차이(INPQ) 및 평균 내재이완 경로 양자 수율 차이(IC)를 연산한다.
Figure 112015006132125-pat00017
Figure 112015006132125-pat00018
Figure 112015006132125-pat00019
연산된 평균 광합성 양자 수율 차이(III), 평균 비광화학적 소멸 양자 수율 차이(INPQ) 및 평균 내재이완 경로 양자 수율 차이(IC)는 각각 0 에서 1사이 값을 가지므로, 이를 0 내지 255의 픽셀값으로 표시하기 위하여 변환 상수 255를 곱하여 표시할 데이터를 얻어 이를 지도에 도시하였다.
도 6, 도 7 및 도 8은 각각 평균 광합성 양자 수율 변화 지도, 평균 비광화학적 소멸 양자 수율 변화 지도 및 평균 내재이완 경로 양자 수율 변화 지도이다. 도 6에서, 한반도 내에서 붉게 표시된 지역은 광합성 수율이 활발하게 증가하고 있음을 도시하며, 광합성 수율 지도에서의 형광값은 시간이 흐름에 따라 감소하기 때문에 제1 시간의 평균 광합성 양자 수율에서 제2 시간의 평균 광합성 양자 수율을 뺀 값을 지도에 나타내었다.
도 7에서, 한반도 내에서 붉게 표시된 지역은 비광화학적 소멸이 활발하게 이루어지고 있음을 도시한다. 비광화학적 소멸(NPQ) 수율 지도에서의 형광값은 시간이 흐름에 따라 증가하기 때문에 제2 시간의 평균 비광화학적 양자 수율 픽셀 값에서 제1 시간의 평균 비광화학적 양자 수율 픽셀 값을 뺀 값을 지도에 나타내었다. 또한, 도 2 및 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 내재이완경로 양자 수율(Φc)은 활성광 강도가 변화하더라도 광합성 양자 수율 또는 비광화학적 양자수율에 비하여 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 그에 따라 도 8에서도 전지역에서 일정하게 도시된 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들을 검증하는 도면이다. 광합성 양자 수율, 비광화학적 양자 수율 및 내재이완경로 양자 수율의 합은 항상 1이므로, 광합성 양자 수율 차이, 비광화학적 양자 수율 차이 및 내재이완경로 양자 수율 차이의 합은 아래의 수학식 11과 같이 0이다. 따라서 평균 비광화학적 양자 수율 차이와 평균 내재이완경로 양자 수율 차이의 합에서 평균 광합성 양자 수율 차이를 빼면 0이 되어야 하며, 이를 도시하면 도 10과 같이 전체가 0으로 같다.
Figure 112015006132125-pat00020
본 발명의 광합성 및 비광화학적 소멸 수율지도는 날짜에 따른 변화량을 비교하여 농작물의 생산량, 산림의 생태를 예측할 수 있다. 광합성 및 비광화학적 소멸 수율지도를 제작하면, 여러 가지 식물의 광합성 및 비광화학적 소멸 수율을 각각 측정하는데 시간과 자원을 극적으로 절감할 수 있다. 식물 군집의 평균적인 광합성 및 비광화학적 소멸 값을 현장에서 측정을 하지 않고도 알 수 있다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
S110 내지 S150: 본 발명의 실시예에 따른 양자 수율 지도 형성 방법의 각 단계
S210 내지 S250: 본 발명의 실시예에 따른 양자 수율 지도 형성 방법의 각 단계

Claims (17)

  1. (a) 제1 식물과 제2 식물에 활성광(actinic light)을 인가하고 상기 제1 식물 및 제2 식물이 제공하는 형광을 수집하여 활성광 강도에 따른 제1 식물의 양자 수율 및 제2 식물의 양자 수율을 구하는 단계와,
    (b) 인공위성에서 가시광 대역으로 타겟 지역을 촬영하여 태양광에 대한 상기 제1 식물의 형광 강도 및 제2 식물의 형광 강도를 획득하는 단계와,
    (c) 상기 제1 식물의 형광 강도 및 제2 식물의 형광 강도와 사진 촬영 일시의 일사량 정보를 이용하여 환산 활성광 강도를 연산하는 단계와,
    (d) 상기 (c) 단계에서 얻어진 환산 활성광 강도를 상기 (a) 단계에서 구한 상기 활성광 강도에 따른 제1 식물의 양자 수율 및 제2 식물의 양자 수율과 대비하여 제1 식물의 양자 수율과 상기 제2 식물의 양자 수율의 평균 양자 수율을 구하는 단계 및
    (e) 구하여진 상기 평균 양자 수율을 이용하여 타겟 지역의 평균 양자 수율 지도를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 식물은 밀양 23호벼이고, 상기 제2 식물은 기호벼이며,
    상기 제1 식물의 양자 수율과 상기 제2 식물의 양자 수율의 평균 양자 수율을 구하는 단계는,
    수학식 ΦII, 기 = 4.46858*10-16*x5 - 2.43461*10-12*x4 + 4.46852*10-9*x3 - 2.76884*10-6*x2 - 3.62335*10-4*x + 0.81017을 연산하여 기호벼의 광합성 양자 수율을 연산하고, 수학식 ΦII, 밀= - 2.3262*10-10*x3 + 1.02251*10-6*x2 - 0.0015*x + 0.86415을 연산하여 밀양 23호벼의 광합성 양자 수율을 연산하는 과정과,
    연산된 기호벼의 광합성 양자 수율과 연산된 밀양 23호벼의 광합성 양자 수율의 평균을 구하여 평균 광합성 양자 수율을 연산하는 과정을 포함하는 양자 수율 지도 형성 방법(ΦII, 기: 기호벼의 광합성 양자 수율, ΦII, 밀: 밀양23호 벼의 광합성 양자 수율, x는 환산 활성광 강도).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 제1 시간과 제2 시간에 촬영을 수행하고,
    상기 (d) 단계는 제1 시간에서 제1 식물의 양자 수율과 제2 식물 양자 수율의 평균인 평균 양자 수율을 연산하고, 제2 시간에서 제1 식물의 양자 수율과 제2 식물의 양자 수율의 평균인 제2 평균 양자 수율을 연산하여 수행하고,
    상기 (e) 단계는, 상기 제1 평균 양자 수율과 상기 제2 평균 양자 수율의 차이를 연산하여 평균 양자 수율 변화 지도를 형성하여 수행하는 양자 수율 지도 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양자 수율 지도는 광합성 양자 수율 지도, 비광화학적 소멸(NPQ, Non Photochemical Quenching) 양자 수율 지도 및 내재이완 경로 수율 지도 중 어느 하나 이상을 포함하는 양자 수율 지도 형성 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 식물의 양자 수율과 상기 제2 식물의 양자 수율의 평균 양자 수율을 구하는 단계는,
    수학식 ΦNPQ,기= -6.34963*10-16*x5 + 3.28179*10-12*x4 - 5.70559*10-9*x3 + 3.38359*10-6*x2 + 3.19514*10-4*x + 0.019을 연산하여 기호벼의 비광화학적 소멸 양자수율을 연산하고, 수학식 ΦNPQ,밀= 2.52972*10-10*x3 - 1.0555*10-6*x2 + 0.00146x - 0.02276을 연산하여 밀양 23호벼의 비광화학적 소멸 양자 수율을 연산하는 과정과,
    기호벼의 비광화학적 소멸 양자 수율과 밀양 23호벼의 비광화학적 소멸 양자 수율의 평균을 구하여 평균 비광화학적 소멸 양자 수율을 연산하여 수행하는 양자 수율 지도 형성 방법(ΦNPQ,기: 기호벼의 비광화학적 소멸 양자 수율, ΦNPQ,밀: 밀양 23호벼의 비광화학적소멸 양자 수율, x: 환산 활성광 강도).
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 식물의 양자 수율과 상기 제2 식물의 양자 수율의 평균 양자 수율을 구하는 단계는,
    수학식 ΦC,기= -6.67678*10-11*x3 + 1.95931*10-7*x2 - 1.34248*10-4*x + 0.17721를 연산하여 기호벼의 내재이완경로 양자수율을 연산하고, 수학식 ΦC,밀 = -2.03525*10-11*x3 + 3.29922*10-8*x2 + 4.3159*10-5*x + 0.1586을 연산하여 밀양 23호벼의 내재이완경로 양자수율을 연산하는 단계와,
    기호벼의 내재이완경로 양자 수율과 밀양 23호벼의 내재이완경로 양자 수율의 평균을 구하여 평균 내재이완경로 양자 수율을 연산하여 수행하는 양자 수율 지도 형성 방법(ΦC,기: 기호벼의 내재이완경로 양자 수율, ΦC,밀: 밀양 23호벼의 내재이완경로 양자 수율, x: 환산 활성광 강도).
  8. (a) 식물에 활성광(actinic light intensity)을 인가하고 식물이 제공하는 형광을 수집하여 활성광 강도에 따른 상기 식물의 양자 수율을 구하는 단계와,
    (b) 인공위성에서 가시광 대역으로 타겟 지역을 촬영하여 태양광에 대한 상기 식물의 형광 강도를 획득하는 단계와,
    (c) 상기 형광 강도와 사진 촬영 일시의 일사량 정보를 이용하여 환산 활성광 강도를 연산하는 단계와,
    (d) 상기 (c) 단계에서 얻어진 환산 활성광 강도를 상기 (a) 단계에서 얻어진 활성광 강도에 따른 상기 식물의 양자 수율과 대비하여 상기 식물의 양자 수율을 구하는 단계 및
    (e) 구하여진 상기 식물의 양자 수율을 상기 타겟 지역에 표시한 양자 수율 지도를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 (c) 단계에서, 환산 활성광 강도를 얻는 과정은
    수학식
    Figure 112015087238491-pat00031
    을 이용하여 얻어지는 양자 수율 지도 형성 방법(p: (b) 단계에서 얻어진 형광의 강도, Fmax: (a) 단계에서 얻어진 형광의 최대값, ALmax: 일사량의 최대값, c: 식물에 제공된 활성광과 식물로부터 얻어진 형광 사이의 변환상수).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 상기 (b) 단계 수행 이전 또는 이후에 수행될 수 있는 양자 수율 지도 형성 방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 식물은 밀양 23호벼로,
    상기 (d) 단계는 수학식 ΦII, 밀= - 2.3262*10-10*x3 + 1.02251*10-6*x2 - 0.0015*x + 0.86415을 연산하여 밀양 23호벼의 광합성 양자 수율 지도를 형성하는 양자 수율 지도 형성 방법(ΦII, 밀: 밀양23호 벼의 광합성 양자 수율, x는 환산 활성광 강도).
  12. 제8항에 있어서,
    상기 식물은 기호벼로,
    상기 (d) 단계는 수학식 ΦII, 기 = 4.46858*10-16*x5 - 2.43461*10-12*x4 + 4.46852*10-9*x3 - 2.76884*10-6*x2 - 3.62335*10-4*x + 0.81017을 연산하여 기호벼의 광합성 양자 수율 지도를 형성하는 양자 수율 지도 형성 방법(ΦII, 기: 기호벼의 광합성 양자 수율, x는 환산 활성광 강도).
  13. 제8항에 있어서,
    상기 식물은 밀양 23호벼로,
    상기 (d) 단계는 수학식 ΦNPQ,밀= 2.52972*10-10*x3 - 1.0555*10-6*x2 + 0.00146x - 0.02276을 연산하여 밀양 23호벼의 비광화학적 소멸 양자 수율 지도를 형성하는 양자 수율 지도 형성 방법(ΦNPQ,밀: 밀양23호 벼의 비광화학적소멸 양자 수율, x는 환산 활성광 강도).
  14. 제8항에 있어서,
    상기 식물은 기호벼로,
    상기 (d) 단계는 수학식 ΦNPQ,기= -6.34963*10-16*x5 + 3.28179*10-12*x4 - 5.70559*10-9*x3 + 3.38359*10-6*x2 + 3.19514*10-4*x + 0.019을 연산하여 기호벼의 비광화학적 소멸 양자수율 지도를 형성하는 양자 수율 지도 형성 방법(ΦNPQ,기: 기호벼의 비광화학적 소멸 양자 수율, x: 환산 활성광 강도).
  15. 제8항에 있어서,
    상기 식물은 밀양 23호벼로,
    상기 (d) 단계는 수학식 ΦC,밀 = -2.03525*10-11*x3 + 3.29922*10-8*x2 + 4.3159*10-5*x + 0.1586을 연산하여 밀양 23호벼의 내재이완경로 양자수율 지도를 형성하는 양자 수율 지도 형성 방법(ΦC,밀: 밀양 23호벼의 내재이완경로 양자 수율, x: 환산 활성광 강도).
  16. 제8항에 있어서,
    상기 식물은 기호벼로,
    상기 (d) 단계는 수학식 ΦC,기= -6.67678*10-11*x3 + 1.95931*10-7*x2 - 1.34248*10-4*x + 0.17721를 연산하여 기호벼의 내재이완경로 양자수율 지도를 형성하는 양자 수율 지도 형성 방법(ΦC,기: 기호벼의 내재이완경로 양자 수율, x: 환산 활성광 강도).
  17. 제8항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 상기 양자 수율 지도는 상기 식물의 광합성 양자 수율 지도, 비광학적 소멸(NPQ, Non Photochemical Quenching) 양자 수율 지도 및 내재이완 경로 수율 지도 중 어느 하나 이상을 포함하는 양자 수율 지도 형성 방법.


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