서 언
재료 및 방법
봄수확 천마를 이용한 종자 생산
가을수확 천마를 이용한 종자 생산
원괴체·자마 형성 유도 및 생산
통계분석
결과 및 고찰
봄수확 천마를 이용한 종자 생산 및 원괴체·자마 형성
가을수확 천마를 이용한 종자 생산 및 원괴체·자마 형성
적 요
서 언
천마(Gastrodia eleta)는 난초과(Orchidaceae)에 속한 다년생 고등식물이지만 잎과 뿌리가 없어서 탄소동화작용 능력이 없는 퇴화된 식물로서 독립적 생육이 불가능하다. 생리적 특성상 천마 종자 발아 시 애주름버섯균(Mycena spp.)이 필요하고, 발아된 원괴체가 생장할 때는 뽕나무버섯균(Armillaria spp.)과 공생하는 기생식물이다(Lee, 1982; Kim et al., 2012). 천마의 꽃은 이삭화서로 화경 1개에서 피는 꽃의 수는 30-100개 정도이며, 마지막 꽃이 결실되기까지 약 5-7일이 소요되고, 종자 충실도에 따라 꼬투리의 무게는 일반적으로 10-50 ㎎ 정도이며, 꼬투리 1개에 약 10,000-20,000개의 종자가 맺히는 것으로 알려져 있다(Park et al., 2010; Kim et al., 2013).
천마에 함유된 주요 성분으로는 gastrodin, β-sitosterol, cholesterol, p-hydroxylbenzyl alcohol, vanillin, vanillyl alcohol, ergothionine 등이 보고되어 있다(Zhou et al., 1980; Taguchi et al., 1981; Sha and Sun, 1985; Noda et al., 1995; Liu et al., 2005). 천마의 임상적 효능은 주로 고혈압, 뇌졸중, 두통, 마비, 신경성질환 등에 효능이 있는 것으로 보고되어 있고, 이런 효능의 기원은 대부분이 천마의 항산화성 물질과 관련되어 있는 것으로 추정하고 있다(Niu et al., 2004).
1995년 농촌진흥청에서 천마재배용 뽕나무버섯균인 천마균1호(Armillaria gallica)의 개발과 1998년 국립산림과학원의 홍릉천마균(Armillaria mellea)이 보급되어 인공재배에 의한 천마의 대량생산이 가능하게 되었다(Sung et al., 1995; Kim et al., 2000). 일반 노지재배 방식과 달리 비가림시설을 이용하면 수량이 49% 증수 효과가 있고(Kim et al., 2017), 해가림 시설재배가 일반 노지재배보다 기능성 물질 함량이 높다고 했다(Kim and Park, 2013). 이로 인해 천마의 생산량은 2010년 1,184톤에 달하였으나 2016년에 이르러서는 생산량이 525톤으로 감소하는 경향이다(MAFRA, 2017). 이러한 원인은 무성증식 자마의 계속적 사용과 토양 내 오염균으로 인해 자마의 퇴화현상이 발생하였기 때문으로 판단된다. 이로 인해 천마가 가늘어지고 무게가 적어진 상품가치가 없는 자마(子麻, immature rhizome)만 발생하고, 그 다음해에는 화아(花芽)가 형성된 성마(成麻, mature tuber)의 생산이 매우 불가능하게 되었다(Kim et al., 2013). 이를 해결하기 위해 무병한 무성증식 자마 생산이 불가피한 상황이나 천마의 종자 발아 및 자마 생장에 각각 Mycena spp.과 Armillaria spp.의 버섯류와 공생을 하기 때문에 인공적인 기내 배양이 매우 어려운 상황이다. 최근 연구보고에 의하면 한라천마와 애기천마의 꼬투리를 NaOCl로 소독하여 천마 종자를 발아시켰고(Bae et al., 2012), Park and Lee (2013)는 천마의 종자 발아균으로 Mycena osmundicola (KFRI2121), Mycena sp. (KFRI1212)를 선발하였으며, Lee et al. (2017)이 Mycena purpureofusca (NIFOS101) 새로운 종을 분리하였다. 이렇게 새로 분리된 발아균과 기존 생장균(A. mellea)을 이용해 천마의 자마를 기내배양으로 영양번식경 유도와 생장을 성공시킨 바 있다(Park et al., 2012; Kim et al., 2013). 천마는 한국에서 일반적으로 4월에 정식하고, 그 이듬해 11월에 수확을 하는 작물이다. 천마는 주로 70%가 생천마로 판매되고, 30%가 가공식품으로 소비된다. 하지만 짧은 수확기간으로 인한 홍수출하로 가격이 하락하는 경향이 있고, 장기저장이 어려워 공급기간이 매우 짧다. 따라서 본 연구는 천마의 연중생산을 위한 기초연구로 봄, 가을에 수확된 천마를 괴경 무게에 따라 분류하고, 저온에 의한 휴면타파를 처리하여 종자 및 자마 생산 효과를 검정하기 위해 수행되었다.
재료 및 방법
봄수확 천마를 이용한 종자 생산
봄수확 천마는 무주군 안성면에서 24개월 재배된 것을 구입하여 사용하였다. 천마는 괴경의 무게에 따라 60-99 g, 100-139 g, 140-179 g, 180 g 이상으로 구분하였다. 구분된 천마는 배양토(피트모스 80% + 펄라이트 20%, 수분함량 30±2%)에 층적처리하여 25±1℃에서 추대를 유도하였고, 개화가 시작되면 순판을 제거하고 암술을 수술에 접종하였다. 인공수정 후 17-21일 정도 경과 하면 꼬투리의 색상이 갈색으로 변하고 6조각으로 갈라지기 시작하는데, 종자가 떨어지기 전에 꼬투리를 수확하여 50 ㎖ conical tube에 저장하여 5℃ 냉장고에 보관하였다. 모든 실험은 10반복으로 처리하였다.
가을수확 천마를 이용한 종자 생산
가을수확 천마는 무주군 안성면에서 18개월 재배된 것을 구입하여 사용하였다. 봄수확 천마 이용 시 괴경의 무게가 100 g 이상인 것을 사용하였을 때 효과가 있는 것으로 검정된 바, 본 연구에서 가을수확 천마는 괴경의 무게가 100-139 g인 것을 사용하였고, 휴면타파를 위해 배양토에 층적처리하여 5±1℃에 2주 간격으로 10주간 처리하였다. 추대 유도, 인공수정, 꼬투리 수확 및 보관은 봄수확 천마를 이용한 방법과 동일하게 수행했다.
원괴체·자마 형성 유도 및 생산
천마 종자의 원괴체 형성 유도 및 생산을 위해 발아균인 Mycena spp.를 이용하였다. Mycena spp.는 2013년 임실군 성수산 천마 자생지에서 분리한 균주로 겉보리 곡립배지에 배양시켜 사용하였다. 150 × 20 ㎜ 페트리디쉬에 0.8% Water Agar (WA) 배지를 만들고, 1개의 WA에 발아균 겉보리 곡립을 9개 접종하고, 꼬투리 1개를 표면 소독(1% NaOCl에 2분, 70% EtOH에 30초, 멸균수로 2회)한 후 열개(裂開)하여 종자를 모두 파종하였다. 파종된 WA는 25℃에 12주 배양한 뒤 1 ㎝ 이상 크기의 원괴체를 측정하였다.
원괴체의 자마 형성 유도 및 생산을 위해 생장균인 A. gallica를 이용하였고, 생장균은 옥천군에 소재한 배양소에서 배양한 것을 병당(1 L) 8조각으로 절단하여 사용하였다. 30 × 20 × 20 ㎝ 크기의 상자에 배양토를 10 ㎝ 정도 깔고, 참나무원목(직경 10 ㎝ × 길이 10 ㎝) 4개를 배열한 뒤 원목 사이에 생장균을 6조각씩 접종하였다. 참나무원목 위에 5 ㎝ 정도의 배양토를 덮고, 물을 충분히 관수한 후 25±1℃에 4주 배양하여 적색균사속을 유도하였다. 생장균이 배양된 상자에 원목 위 배양토를 걷어낸 다음, WA에 형성된 원괴체 전체를 파종한 후 걷어냈던 배양토를 다시 덮었다. 파종된 상자는 25±1℃에 16주 배양한 뒤 5 ㎝ 이상 크기의 자마를 측정하였다.
통계분석
데이터 처리는 SAS 9.2 (Statistical Analysis Systems, Inc, Raleigh, Nc, USD) 통계 프로그램으로 분석 하였고, p<0.05의 조건에서 Duncan's Multiple Range Test (DMRT)로 유의적 차이를 표기하였다.
결과 및 고찰
봄수확 천마를 이용한 종자 생산 및 원괴체·자마 형성
천마의 종자를 생산하기 위해 봄수확 천마를 괴경 무게별로 분류하여 처리한 결과, 출현소요일수는 괴경 무게가 66-99 g에서 7.8일, 100-139 g에서 7.5일, 140-179 g에서 6.8일, 180 g 이상에서 6.6일이 소요되었다. 화경의 길이는 괴경 무게가 66-99 g에서 92.4 ㎝, 100-139 g에서 112.5 ㎝, 140-179 g에서 126.7 ㎝, 180 g 이상에서 131.1 ㎝로 길었다. 유효 개화수는 66-99 g에서 33.6개, 100-139 g에서 44.4개, 140-179 g에서 50.5개, 180 g 이상에서 63.8개가 생겼으며, 인공수정을 통한 유효 꼬투리수는 66-99 g에서 28.8개, 100-139 g에서 40.3개, 140-179 g에서 46.7개, 180 g 이상에서 60.5개였다. 따라서 인공수정률은 66-99 g이 85.7%, 100-139 g이 90.9%, 140-179 g이 92.2%, 180 g 이상이 94.8%로 조사되었다. 따라서 본 연구결과, 모든 처리구에서 100% 출현하였고, 괴경의 무게가 무거울수록 출현소요일수는 짧아지고, 화경의 길이는 길어졌으며, 유효 개화수, 유효 꼬투리수, 인공수정률이 증가하였다(Table 1). Kim et al. (2016)에 의하면 천마의 휴면타파를 위해 5℃에 4주 이상 저온 처리하면 출현율이 높아진다고 하였다. 본 연구에서 봄수확 천마를 이용한 모든 처리에서 출현율이 100%인 것으로 볼 때, 겨울동안 저온에 의해 충분히 휴면타파가 이뤄진 것으로 생각된다. 자연 상태에서 천마의 꽃은 끝이 모아진 봉우리 형태이며, 무향으로 곤충매개에 의한 수분율이 매우 저조하여 자연수정률은 0.3%인데 반해(Hong et al., 2004; Park et al. 2010; Kim et al. 2006), 본 연구에서는 순판을 제거한 뒤 인공수정 시 인공수정률은 85% 이상으로 매우 높아짐을 알 수 있었다.
Table 1. The effect of tuber weight on the seed development of Gastrodia elata harvested in spring
yMean with the same letter indicate no significant difference according to Duncan's multiple range test at significant level of 5%.
봄수확 천마의 괴경 무게에 따라 생산된 종자를 활용해 원괴체 및 자마 형성률을 조사한 결과, 종자 발아 후 원괴체 형성률은 0.6%-5.4%, 원괴체의 자마 형성률은 1.9%-15.3%로 모마인 괴경의 무게가 무거울수록 원괴체 및 자마 형성률이 높아짐을 알 수 있었다. 괴경의 무게에 따라 자마 형성수는 66-99 g에서 1.1-2.2개, 100-139 g에서 32.0-64.0개, 140-179 g에서 53.1-106.2개, 180 g 이상에서 82.6-165.2개가 형성되었다(Table 2). 종자의 크기와 무게에 관한 연구로, 인삼은 종자의 크기가 클수록 출아율 및 출아세가 높았고, 경장, 경직경 등의 생육이 양호하였으며, 근장, 근직경, 근중 등의 생육도 양호하였다고 보고된 바 있다(Kim et al., 1981). 또한, 종가시나무는 종자 무게가 무거울수록 발아일수가 단축되고, 발아율이 높았으며, 유묘의 줄기길이, 줄기직경, 뿌리길이, 건물중 등의 측정치가 높게 나타났다고 보고되었다(Kang et al., 2017). 괴경 식물의 하나인 감자 재배 시 인공 씨감자의 적정 크기는 춘작에서 5-10 g, 추작에서 10-15 g이 실용적이었다고 보고된 바 있다(Nam and Soh, 1998). 본 연구결과는 최소한 100 g 이상의 괴경을 사용하면 실효성 있는 종자와 자마를 생산할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 2. The formation rate of protocorm and immature rhizome of seed produced through tuber weight
yNo. of seed per a seed capsule: 10,000-20,000.
xEach values represented mean±standard error (n = 10).
wMean with the same letter indicate no significant difference according to Duncan's multiple range test at significant level of 5%.
가을수확 천마를 이용한 종자 생산 및 원괴체·자마 형성
종자생산을 위해 가을수확 천마를 저온 처리한 결과, 저온처리기간이 길어질수록 출현소요일수는 짧아지는 반면, 출현율은 높아지고, 화경길이, 유효 개화수, 유효 꼬투리수가 증가하였다. 저온(5℃)를 4주 처리 시 출현율은 80.0%, 화경 길이는 76.3 ㎝, 유효 개화수는 31.7개, 유효 꼬투리수는 22.3개로 인공수정률이 70.4%로 나타났다. 또한, 4주부터 10주 처리 시 인공수정률이 70.4%-87.6%로 나타났다. 봄수확 천마를 이용한 연구결과와 비슷한 경향을 보였으나, 전반적으로 종자생산 효과는 낮았다(Table 3).
Table 3. The effect of low temperature treatment on the seed development of Gastrodia elata harvested in fall
††Methods: breaking dormancy under low temperature treatment 5±1℃, emergence induction temperature 25±1℃
yEach values represented mean±standard error (n = 10).
xMean with the same letter indicate no significant difference according to Duncan's multiple range test at significant level of 5%.
가을수확 천마의 저온처리에 따라 생산된 종자를 활용해 원괴체 및 자마 형성률을 조사한 결과, 종자 발아 후 원괴체 형성률은 0.4%-2.6%, 원괴체의 자마 형성률은 1.5%-9.5%로 저온처리 기간이 길어질수록 원괴체 및 자마 형성률이 높아졌다. 저온처리에 따라 자마 형성수는 무처리에서 0.6-1.3개, 2주 처리에서 2.9-5.7개, 4주 처리에서 19.0-38.0개, 6주 처리에서 22.8-45.7개, 8주 처리에서 23.7-47.3개, 10주 처리에서 24.9-49.7개가 형성되었다(Table 4).
Table 4. The formation rate of protocorm and immature rhizome of seed produced through low temperature treatment
yNo. of seed per a seed capsule: 10,000-20,000.
xPositive control: G. elata harvested in spring.
wEach values represented mean±standard error (n = 10).
vMean with the same letter indicate no significant difference according to Duncan's multiple range test at significant level of 5%.
앵초, 설앵초 및 애기나리의 경우 저온처리에 의해 휴면타파에 소요되는 시간이 앵초는 700시간 이상, 설앵초와 애기나리는 모두 500시간 이상 저온(5℃)을 받으면 화경이 신장되고 개화율도 높아진다는 보고가 있다(Suh et al., 2006). 또한, 저온 요구 시간은 작물에 따라 달라질 수 있는데 참취는 370시간(Seong et al., 1996), 곰취는 300시간(Suh et al., 1996)으로 보고된 바 있다. 본 연구결과로 천마 괴경을 4주부터 10주 저온처리(672-960시간) 시 인공수정률, 원괴체 및 자마 형성률이 높아졌고, 실효성 있는 종자 및 자마를 생산할 수 있었다. 하지만 저온처리 기간이 길어짐에 따라 천마가 부패균에 의해 썩었고, 영양분이 소모 될 것으로 예상되는 바 천마 저온처리 기간과 종자 형성과의 상관관계는 추가 연구되어야 할 것으로 판단된다.
적 요
본 연구는 천마의 종자생산을 위한 수확시기별 처리 방법에 따른 자마 생산 효과를 구명하고자 수행하였다. 봄수확 천마는 괴경의 무게를 60-99 g, 100-139 g, 140-179 g, 180 g 이상으로 처리하였고, 가을수확 천마는 5±1℃의 저온을 2, 4, 6, 8, 10주 처리하였다. 그 결과, 봄수확 천마는 괴경의 무게가 100 g 이상일 경우, 인공수정률이 90.9%-94.8%, 원괴체 형성률이 3.1%-5.4%, 자마 형성률이 10.1%-15.3%로 나타났다. 가을수확 천마는 4주 이상의 저온처리 시 인공수정률이 70.4%-87.6%, 원괴체 형성률이 2.2%-2.6%, 자마 형성률이 8.7%-9.5%로 나타났다. 따라서, 종자 및 자마 생산을 위해서는 봄수확 천마는 100 g 이상의 괴경을 사용해야 하고, 가을수확 천마는 저온에서 4주 이상의 휴면타파가 필요했다. 가을수확 천마를 이용할 경우 봄수확 천마에 비해 인공수정률, 원괴체 및 자마 형성률이 낮았지만, 자연 발아 상태보다 월등히 높았다. 따라서 일정한 괴경의 무게와 저온처리 휴면타파를 이용하면 천마의 종자와 자마가 확보됨으로써 천마의 연중생산이 가능할 것으로 판단되었다.
