KR20110078277A - 다량의 염이 함유된 토양에서 식물을 재배하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다량의 염이 함유된 토양에서 식물을 재배하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다량의 염이 함유된 토양에서 식물을 재배하는 방법은, 분자량이 10,000 달톤이하인 수용성 키토산 분해물을 식물에 엽면시비하거나 식물의 뿌리에 관주하여 식물을 재배하는 것으로써, 토양에 잔류하는 다량의 염에 의해 발생되는 식물의 세포손상을 감소시켜 식물 수확량을 증대시켜 주는 것이 특징이다.
본 발명에 의해, 화학비료 과다사용이나 간척지 토양에서 잔류하는 염에 의해 발생하는 식물세포의 손상을 감소시켜줌으로써 식물의 수확량을 증가시킬 수 있는 식물 재배방법이 제공된다.
키토산 분해물, 엽면시비, 뿌리관주
Description
본 발명은 다량의 염이 함유된 토양에서 식물을 재배하는 방법에 관한 것으로써, 특히 간척지와 같은 토양에서 잔류하는 염에 의해 발생하는 식물세포의 손상을 감소시켜줌으로써 식물의 수확량을 증가시킬 수 있는 식물 재배방법에 관한 것이다.
농업에서 염류축적은 작물의 생산성을 감소시키며 경작지의 확대를 제한하는 환경요인으로서, 전 세계적으로 염류축적 토양의 규모는 9억 5천만 헥타아르 이상인 것으로 추정되고 있으며, 매년 증가되고 있는 추세에 있다.
이와 같은 규모는 전 세계 농경지의 약 20% 수준에 해당되며, 토양의 염류 축적의 원인은 기후적 건조, 관개농업에 있어서 양질의 농업 용수 부족 및 간척 행위 등에 의해 증가되고 있다.
이에, 토양의 염류 축적문제에 대한 해결방안이 다양하게 모색되고 있으며, 특히, 객토 등의 토양 개량, 피해 최소화를 위한 경종방법 개선과 내염성 작물의 개발 등이 현재까지 이루어지고 있는 실정이다.
대다수의 작물은 중성작물(glycophyte)로서 염류축적에 민감하게 반응하며 생육 장해 및 수량감소를 나타낸다.
염류 축적이 식물 생장에 미치는 치명적인 효과는 다음과 같은 요인에 기인하는 것으로 알려져 있다.
1) 식물체에 비해 토양 용액의 낮은 삼투압으로 수분 스트레스 유발, 2) 영양불균형, 3) 식물에 해가 되는 이온 효과, 4) 위 요인이 모두 합해진 복합 효과 등에 의해 식물 생육은 크게 영향을 받는다.
식물체내에서는 광합성작용, 단백질합성, 탄수화물 및 지방 대사 등 주요한 대사과정이 염장해 정도에 따라 영향을 받게 되고 결과적으로 생육장해 및 수량감소로 나타난다.
염류 장해를 해결하기 위한 여러 가지 연구 분야에서 가장 활발한 영역은 내염성 작물의 개발이며 전통적인 육종학적 선발 및 최근 유전공학을 활용한 내염 관련 유전자의 도입에 의한 신품종 개발 방법 등이 있다.
특히 유전 공학을 이용한 내염성 작물 개발과 관련해서는 식물의 염류과다축적에 대한 반응과 저항성 관련 메카니즘을 연구함으로써 가능하다.
자연에서도 염류 축적이 모든 식물에 부정적인 영향을 미치는 것은 아니며 이와 같은 특징을 갖고 있는 홍수림(mangroves), 관목(shrubs), 잔디류(grasses), 허브류 등이 포함되는 식물 내염성 식물(halophyte)들이 존재한다.
내염성 식물 중 특히 명아주과 및 벼과 식물은 식물체의 내염성 기작을 이해하는 주요한 식물군이며 내염성 작물 개발에 필수적인 요인이다.
현재까지 알려진 내염성 식물의 주요 반응은 과다염류에 의한 세포의 삼투 및 이온 불균형을 해소하기 위해 적극적인 삼투조절, 이온의 선택적 흡수/이동, 분배 및 적극적 유독 이온 방출, 독성 경감 물질 생성 등이 있다.
전통적인 내염 품종 육종과 달리 현대적인 유전 공학 기술은 이와 같은 저항성 메카니즘에 관여하는 여러 가지 인자를 찾아내어 새로운 작물에 도입하는 방법으로 내염성 벼, 토마토, 유채 등의 출현을 가능하게 하였으며 향후 실용적인 내염성 작물 개발 가능성을 한층 높이고 있다.
전통적인 육종법과 유전공학 기술을 이용한 재조합유전자를 도입하여 내염성 품종을 개발하는 방법과는 별개로 식물 재배 중 염장해를 예방하거나 감소시키는 재료에 대한 연구 결과는 상대적으로 적은 것이 현실이다.
수경 재배된 장미에서 50~100ppm 규소(Si)가 염화나트륨(NaCl) 장해를 감소시켰으며 MDA(malondialdehyde)를 감소시키는 산화적 스트레스를 줄일 수 있다고 하였다.
염장해 기작은 산화적 스트레스를 동반하여 세포막의 인지질 성분이 과산화 산물인 MDA(malondialdehyde)생성 증가 및 세포막의 선택적 투과성을 약화시킨다.
따라서 염장해를 줄이기 위한 이상적인 방법은 식물 조직 밖에서 독성 이온의 식물체내 흡수를 저해하고 식물체내에서는 생화학적 기작을 통해 산화적 스트레스를 줄이는 효과를 동시에 나타낼 수 있다면 가능성이 크다고 할 수 있다.
이와 같은 측면에서 천연 유래 키틴질은 여러 가지 장점을 가지고 있다.
키틴은 N-acetyl-D-glucosamine이 β-(1-4) 결합으로 중합된 고분자 물질로 게 껍질, 곤충 껍질, 연체동물, 곰팡이 세포벽 구성 물질이며, 키토산은 보통 키틴을 탈아세틸화하여 얻어진다.
키토산의 산업적 이용은 키토산의 킬레이트 성질을 이용하여 폐기물 처리 차원에서 본격적으로 연구되기 시작하였으며, 천연적으로 풍부하게 존재할 뿐 아니라 독성이 없으며 생분해될 수 있는 친환경적 특징 때문에 연구가 가속화되었다.
더욱이 최근에는 다양한 기능성 물질임이 밝혀지면서 연구 영역 및 활용 폭이 증가하고 있다.
키틴/키토산의 생리 활성 기능도 항균성과 함께 식물의 방어 활성화 기능이 있으며, 병원성 미생물에 대한 키토산의 생육 억제 효과에 대해서도 확인된 바 있다.
그 밖의 병원균들(Rhizopus stolonifer, Botrytis cinerea, Pythium ultimum, Rhizoctonia solani, Fusarium graminearum )에 대해서도 억제효과가 있음이 확인되었다.
이와 같이 키토산은 항균성과 더불어 식물의 자기 방어 기능 활성화와 관련한 연구도 활발하게 진행되어 왔다.
또한, 식물 대사 작용에 대한 연구로 완두콩 뿌리에 100 mM의 소금을 이용하여 염장해(salt stress)를 가할 경우 활성산소들이 축적되는 산화적 스트레스가 유발되며, 동시에 G6PDH의 농도와 활성이 증가함과 동시에 식물세포 내에 NADPH 생산이 증가되는 것이 보고된 바 있다.
또한, 항산화활성이 증가하여 염장해에 의하여 유도된 활성산소들을 제거할 수 있으며, G6PDH는 완두콩의 염장해를 극복하는데 중요한 역할을 한다고 보고된 바 있다.
그러나, 상기와 같은 식물 대사 작용의 메커니즘과 이론적 배경은 계속 보고되고 있으나 키토산과 같은 천연물질을 주성분으로 하여 염분이 많은 토양에서 식물세포에 독성작용을 나타내는 염의 흡수를 저해시켜 세포의 손상을 방지하고, 수확량을 증대시키는 식물의 재배방법에 대해서는 아직 없다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 분자량 10,000이하인 수용성 키토산 분해물을 이용하여 화학비료 과다사용이나 간척지 토양에서 잔류하는 염에 의해 발생하는 식물세포의 손상을 감소시켜줌으로써 식물의 수확량을 증가시킬 수 있는 식물 재배방법을 제공하려는 목적이 있다.
본 발명의 다량의 염이 함유된 토양에서 식물을 재배하는 방법은, 분자량이 10,000 달톤이하인 수용성 키토산 분해물을 식물에 엽면시비하거나 식물의 뿌리에 관주하여 식물을 재배하는 것으로써, 토양에 잔류하는 다량의 염에 의해 발생되는 식물의 세포손상을 감소시켜 식물 수확량을 증대시켜 주는 것이 특징이다.
이때, 상기 키토산 분해물은 산용액에 키토산과 키토산 분해효소를 넣고 제조된 것이 특징이다.
또한, 상기 식물재배시, 키토산 분해물을 희석하여 액상형태로 준비하거나, 건조시켜 분말형태로 준비한 후, 1회 키토산 분해물 사용량을 3.3 m2 당 10 ~ 500 mg씩 1 ~ 5회 식물에 엽면시비하거나 식물의 뿌리에 관주하는 것이 특징이다.
본 발명에 의해, 분자량 10,000이하인 수용성 키토산 분해물을 이용하여 화학비료 과다사용이나 간척지 토양에서 잔류하는 염에 의해 발생하는 염장해를 감소 시켜줌으로써 식물의 수확량을 증가시킬 수 있는 식물 재배방법이 제공된다.
본 발명에서 이용한 키토산은 갑각류나 버섯, 연체류 뼈를 탈단백, 탈칼슘화 한 N-아세틸-D-글루코사민 모노머가 β-(1,4) 중합결합된 고분자 다당인 키틴에 알칼리 등을 가하여 N-아세틸-D-글루코사민에서 아세틸기가 떨어져나가 생성된 D-글루코사민의 비율이 70 % 이상일 때 이것을 키토산(대한민국 식품의약품안전청, 식품첨가물공전)이라 한다.
즉, 키토산은 D-글루코사민의 비율이 70 % 이상이고, N-아세틸-D-글루코사민의 비율이 30 % 이하로 구성된 다당체이다(도 1).
키토산은 묽은 염산이나 초산, 젖산, 글루타민산, 아스코르빈산, 황산, 인산, 사과산, 호박산, 구연산, 푸마르산 등 유기산 또는 무기산에 용해되는 특성이 있으며, 단독 또는 2 종 이상의 혼합된 산에 용해시켜 산업적으로는 다양하게 응용되고 있다.
그러나, 키토산은 강한 응집력과 흡착력 때문에 여러 물질이 혼재되어 있을 때는 매우 불안정한 특성을 보이고 알칼리 존재 하에서는 불용화되어 응용이 곤란하여 주로 분자량이 높은 키토산 대신 분자량이 낮은 키토산이 흔히 사용되고 있는 실정이다.
키토산의 분자량을 낮추는 방법에는 염산 또는 질산을 사용해서 낮추는 화학적 방법과 효소를 사용해서 제조하는 생물학적 방법이 있다.
다량의 염이 식물체에 미치는 영향은 특히 식물세포의 세포막의 선택적 투과 기능을 저하시켜 염해가 나타나는데 키토산의 처리는 염해로 부터 세포막을 보호하여 본래의 기능을 유지시키는 효과가 있다.
따라서, 본 발명의 발명자들은 식물을 재배함에 있어서 여러 연구를 한 결과, 저분자량의 키토산 분해물을 식물의 잎에 시비하거나 뿌리에 관주하여 화학비료 과다사용이나 간척지 토양에서 잔류하는 염에 의해 발생하는 염장해를 감소시켜줌으로써 다량의 염이 함유된 토양에서도 식물을 재배할 수가 있어 식물의 수확량을 증대시킬 수 있는 방법을 알아낸 것이다.
이하, 본 발명의 다량의 염이 함유된 토양에서 식물을 재배하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
<다량의 염이 함유된 토양에서 식물을 재배하는 방법>
1. 저분자량의 키토산 분해물 제조
효소 처리에 의한 키토산 분해 방법은 키토산을 용해시킨 후 효소를 첨가하여 분해 시키는데, 이때 키토산 용해제로 염산, 초산, 젖산, 글루타민산, 아스코르빈산, 황산, 인산, 사과산, 호박산, 구연산, 푸마르산 등 유기산 또는 무기산이 사용되며, 용해제는 유기산 또는 무기산 중에 선택하여 단독 또는 2종 이상 혼합해서 사용할 수 있으며, 산의 사용량은 키토산보다 5% 이상 높은 당량 비율로 산을 첨가한 뒤 40 ~ 60 ℃에서 잘 저어주면서 용해시키는 것이 바람직하다.
상기와 같이 제조된 키토산 용액에 키토산 분해 효소를 키토산 10g당 2 ~ 50 unit 첨가하여 액상 또는 분말 형태의 키토산 분해물을 제조한다.
이때, 키토산 용액의 농도, 분해 온도, 키토산 분해 효소의 사용량에 따라 분해 시간의 차이는 많으며, 효소분해 온도는 효소의 기질에 따라 30 ~ 60 ℃에서, 키토산 분해효소 사용량은 키토산 10g당 2-50unit 사용되며, 보통은 키토산 1g 당 1 unit 첨가하는 것이 바람직하다.
2. 식물 재배
상기에서 제조한 키토산 분해물을 이용하여 1 ~ 5회 식물에 엽면시비하거나 식물의 뿌리에 관주하여 식물을 재배한다.
또한, 글루코사민 함량이 40 ~ 80 %인 저분자량의 키토산 분해물을 희석하여 액상형태로 준비하거나, 건조시켜 분말형태로 준비한 후, 1회 키토산 분해물 사용량은 3.3㎡당 10 ~ 500 mg씩 살포 또는 관주하여 식물을 재배한다.
또한, 식물로는 채소, 포도, 벼, 녹차, 허브식물, 고추, 토마토 중 선택된 1 종에 사용된다.
이때, 식물체에 염의 축적을 억제하여 염류장해가 감소됨을 알 수 있으며, 식물의 수확량도 증대된다.
이하, 본 발명에 대하여 실시예와 실험예를 통하여 상세히 설명하나, 이들이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
<실시예 1> 본 발명인 식물 재배방법 1
1. 키토산 분해물 제조
98 %인 초산 350g에 8.5 ℓ의 물을 넣은 후, 여기에 탈아세틸화도 95 %인 키 토산 840 g을 첨가하여 45 ℃에서 2 시간 동안 잘 저어주면서 완전히 용해시켜 키토산 용액을 제조하였다.
이렇게 제조된 키토산 용액에 키토산 분해 효소(chitosan N.acetylglucosaminohydrolase EC 3,2,1,132; 시그마사) 1,000 unit를 첨가한 뒤, 45 ℃에서 20 시간동안 분해시켜 글루코사민 함량이 7.8%인 키토산 분해물 9.1ℓ를 제조하였다.
상기 제조한 키토산 분해물을 GPC를 이용하여 분자량을 분석한 결과 최고 분자량은 9,800달톤 이었으며, 평균 분자량은 3,900달톤으로써, 저분자량의 키토산 분해물에 제조됨을 확인하였다.
2. 식물 재배
상기 제조한 저분자량의 키토산 분해물을 물에 희석하여 액상형태로 준비하였다.
간척지 토양 3.3㎡당 상기 액상형태로 준비된 저분자량의 키토산 분해물 희석액 40mg을 벼 식물 엽면에 5회 살포하여 재배하였다.
<실시예 2> 본 발명인 식물 재배방법 2
상기 실시예 1과 같은 방법으로 제조하되, 글루코사민 함량이 10%인 저분자량의 키토산 분해물을 1500배 희석하여 시설하우스 토양 3.3㎡당 20 mg을 7 일 간격으로 열무 엽면에 4회 시비하여 열무를 재배하였다.
<실험예 1> 잎을 통한 효과 측정
저분자량의 키토산 분해물을 식물의 산화적 스트레스를 예방하는 항산화 효소의 활성 유도 효과 및 수확량 증진 효과와의 상관관계를 검증하기 위하여 상기 실시예 1을 통해 재배한 벼를 포트(지름 10cm, 높이 10cm)에 파종한 후, 0.25% NaCl 처리와 키토산 분해물을 처리하여 14일 경과 후 식물의 항산화 효소활성, MDA, 잎속의 Na농도 및 성장을 측정하였다.
그 결과, 아래의 표 1과 도 2와 같이 나타났다.
|
|
잎속 Na 농도 Na content in leaf (mg/g dry weight) |
MDA (nmol/mg protein) |
GPX(Guaicol peroxidase) nmol/mg protein/min |
식물성장정도 Plant Growth mg/plant |
| 대조구 | 1.77 | 0.48 | 3721 | 95.1 |
| 대조구+Nacl | 18.55 | 0.81 | 4960 | 85.4 |
| 고분자 키토산 | 9.83 | 0.61 | 3695 | 94.8 |
| 저분자키토산 100배 희석 | 4.55 | 0.50 | 3464 | 99.5 |
| 저분자키토산 500배 희석 | 4.37 | 0.59 | 3692 | 100.4 |
MDA는 세포막이 활성산소종(ROS)에 의해서 손상될 때 나타나는 대표적인 지표물질이고, GPX는 기질로 과산화수소(H2O2)를 이용하기 때문에 GPX의 증가는 산화적 스트레스가 크게 증가한 것을 나타내는 것이다.
이에, 상기 표 1에서와 같이, NaCl 처리구에서는 MDA(Malondialdehyde) 및 GPX(Guaicol peroxidase) 활성의 증가로 활성산소종(Reactive Oxygen Species) 및 세포손상이 증가되어 식물성장에 악영향을 미침을 확인하였다.
한편 식물의 성장 정도는 대조구+NaCl 처리구와 키토산 처리구보다 저분자 키토산 분해물을 처리한 시험구에서 17.0%, 5.5% 더 높게 나타남을 확인하였다.
따라서, 저분자 키토산 분해물은 식물체내 염의 축적을 억제시킴으로써 염류장해를 감소시켰고, 또한 식물의 성장 정도에도 영향을 미쳐 수확량 증대를 이룰수 있음을 예측할 수 있다.
<실험예 2> 간척지 토양에서 저분자 키토산 분해물 처리가 식물성장에 미치는 효과측정
상기 실험예 1을 통해 예상된 결과를 실시예 1과 같이 서산 간척지 토양에서 현장 실증 시험을 실시하였다.
처리 전 토양의 화학성은 아래의 표 2와 같았으며 염농도는 6.2 ds/m로서(0.40% 염류농도에 해당) 염류 장해가 예상되는 토양이었다.
시험에 사용된 벼 품종은 일품이었고 키토산 처리는 본답에 모내기 전, 모낸 후 15일 간격 2회, 꽃피기 전 후 각 1회 총 5회 살포하여 식물 성정정도를 확인하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
즉, 도 3에 나타나 있듯이, NaCl 처리구의 경우 외부적으로는 식물엽 조직에 괴사되는 현상이 보여 식물성장에 악영향을 미침을 확인하였으나, 실시예 1(키토산 분해물 처리구)에서는 세포손상이 거의 일어나지 않아 식물이 괴사되는 현상없이 잘 성장됨을 확인하였다.
<실험예 3> 염류집적 시설하우스에서 저분자 키토산 분해물 처리 효과측정
상기 실험예 3의 결과를 토대로 실시예 2와 같이 화학비료 과다 사용으로 염류 집적이 예상되는 시설하우스 토양에서도 채소 생육 시험을 실시하였다.
시험장소는 경기도 고양시 내 시설하우스에서 시행했으며 파종전 토양의 화학성은 아래의 표 2와 같았다.
시험 작물은 열무였으며 파종 전 토양 관주 1회, 파종 후 4 ~ 5엽기에 7일 간격 3회 엽면 살포하여 재배한 후 수량 조사를 하여 그 결과를 표 2, 3과 도 3에 나타내었다.
| 산도 (pH) |
염농도, ECe(ds/m) | 유기물 (%) |
유효인산 (mg/kg) |
치환성 K cmol+/kg |
치환성 Ca cmol+/kg |
치환성 Mg cmol+/kg |
|
| 대조구 | 6.4 | 6.2 | 0.77 | 51 | 0.36 | 1.97 | 2.74 |
| 실시예 2 | 6.5 | 3.8 | 3.48 | 55 | 2.62 | 13.0 | 5.96 |
상기 표 2에서 나타나있듯이, 다량의 염류가 함유된 토양에서 재배된 열무에서 염농도를 측정한 결과 본 발명의 키토산 분해물을 처리한 실시예 2에서 재배된 열무에서 염농도가 대조구보다 훨씬 적게 나타남을 확인하였다.
즉, 저분자 키토산 분해물이 염의 식물체내 축적을 억제함으로써 식물체 내부에 생성되는 염농도를 낮춰줌을 알 수 있었다.
| 엽장 (cm) |
엽폭 (cm) |
엽수 (개) |
엽록소 (SPAD) |
지상부중 (g) |
MDA (nmol/mg protein) |
|
| 대조구 | 8.1 | 3.3 | 6.4 | 28.7 | 5.7 | 1.3 |
| 실시예 2 | 11.4 | 4.6 | 7.4 | 33.3 | 6.7 | 0.8 |
상기 표 3과 도 3에 나타나 있듯이, 식물의 수확량 및 MDA를 조사한 결과, 실시예 2에서 재배된 수확량이 대조구보다 증가됨을 확인하였으며, MDA는 저하됨을 확인되어, 이는 식물의 성장 정도에도 영향을 미쳐 수확량 증대를 이룰수 있도록 해줌을 알 수 있었다.
도 1: 키토산 구조를 나타낸 도면.
도 2: 식물엽 조직 괴사 정도 비교 도면.
도 3: 수확량을 나타낸 도면.
Claims (4)
- 다량의 염이 함유된 토양에서 식물을 재배하는 방법에 있어서,분자량 10,000 달톤이하인 수용성 키토산 분해물을 식물에 엽면시비하거나 식물의 뿌리에 관주하여 식물을 재배함으로써, 토양에 잔류하는 다량의 염에 의해 발생되는 식물의 세포손상을 감소시켜 식물 수확량을 증대시켜 주는 것이 특징인,다량의 염이 함유된 토양에서 식물을 재배하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 키토산 분해물은 산용액에 키토산과 키토산 분해효소를 넣고 제조된 것이 특징인,다량의 염이 함유된 토양에서 식물을 재배하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 식물재배시, 키토산 분해물을 희석하여 액상형태로 준비하거나, 건조시켜 분말형태로 준비한 후, 1회 키토산 분해물 사용량을 3.3 m2 당 10 ~ 500 mg씩 1 ~ 5회 식물에 엽면시비하거나 식물의 뿌리에 관주하는 것이 특징인,다량의 염이 함유된 토양에서 식물을 재배하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 식물 재배 종류로는 배추, 열무, 얼갈이, 벼, 참외, 딸기, 토마토 중 선택된 1 종에 사용하는 것이 특징인,다량의 염이 함유된 토양에서 식물을 재배하는 방법.
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|---|---|---|---|---|
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- 2009-12-31 KR KR1020090135043A patent/KR101199820B1/ko active Active
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