기상이변으로 인한 이상증후로부터 발생되는 환경 스트레스는 세포 구조를 파괴하고 주요 생리기능을 손상시켜 식물의 성장에 영향을 주고 이어 작물 수확량의 감소를 야기할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해 식물의 생리학적 상태를 다양한 분석방법을 통한 환경 스트레스의 식물의 반응을 미리 파악해야한다. 따라서 본 연구에서는 식물 줄기 내부의 전기전도도와 sap flow rate를 분석하고 온도, 상대습도, 광합성유효광량자속 밀도(Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD), \( \mathrm{CO}_{2} \) 등 식물생육 기후조건, 토양의 온도, 수분함량, 전기전도도와의 관련성을 파악하고 다양한 센서의 적용 가능성을 평가하였다.
<h2>서 론</h2> <p>지구온난화로 인해 폭염, 폭우, 가뭄, 한파 등과 같은 기상이변으로 인한 환경 스트레스는 세포 구조를 파괴하고 주요 생리기능을 손상시킬 수 있기 때문에 식물 성장에 영향을 미쳐, 작물 수확량의 감소로 이어질 수 있다. 기상이변과 같은 비 생물적 스트레스로 인한 식물 반응의 증상에는 괴사, 내부줄기 괴사, 꽃 괴사, 잎 시들음, 나무껍질 분열, 과일 부패 및 반점 등이 포함된다. 환경 스트레스를 받은 작물은 외부 증상이 즉시 나타나지 않으며 일반적으로 증상이 작물 외부에 나타날때 치료하면 식물이 회복하기에는 너무 늦다. 따라서 식물의 생리학적 상태를 파악하기 위해서는 다양한 분석방법을 통해 환경 스트레스에 대한 식물의 반응을 비파괴적으로 실시간 측정할 필요가 있다.</p> <p>온도 스트레스는 가뭄, 염분 스트레스와 동일하게 식물의 삼투압 스트레스를 유발하여 팽압 손실을 야기할 수 있다. 온도가 적합하지 않으면 단백질이 활동성을 잃거나 변성될 수 있고, 막이 무질서해질 수 있으며 활성산소(ROS)가 과도하게 생성되어 산화적 손상으로 이어질 수 있다. 결과적으로 세포 구조의 손상, 대사 기능 장애 및 광합성 억제는 조기 노화, 생식능력 저하 및 성장 장애의 원인이 된다.</p> <p>프롤린은 ROS 제거제, 삼투질 및 단백질의 구조를 안정화시키는 분자 샤페론(chaperone) 역할을 하여 스트레스로 인한 손상으로부터 세포를 보호한다. 식물이 저온, 고온, 중금속, 가뭄, 염분 또는 병원체에 의해 스트레스를 받으면 프롤린이 축적될 수 있다. 따라서 프롤린 함량은 식물의 생리적 조건을 모니터링하고 스트레스에 대한 식물의 저항성을 평가하는 데 유용한 지표이다. 그러나 이러한 분석은 오랜 시간이 걸리고 결과를 분석하기가 어려우며 식물의 파괴적인 샘플링을 필요로 한다. 또한 프롤린 분석은 샘플링한 시점의 식물 상태를 보여주는데 제한되어있기 때문에 실용적이지 않다.</p> <p>식물은 환경의 변화에 따라 반응하기 때문에 식물의 반응을 직접적으로 측정하지 않고 식물 생육 환경을 모니터링하여 식물의 반응을 예측하는 방법들이 있다. 기후변화를 측정하기 위해 조도, 온도 및 습도를 모니터링하며, 식물 뿌리가 있는 토양 수분의 상태를 모니터링하기 위해 토양 수분 장력계, Time Domain Reflectometry, 석고블럭 및 전기전도도 등의 방법을 사용한다. 또한, 이온 선택성 전극과 같은 화학 센서로 토양에 존재하는 영양 성분을 측정할 수 있다. 하지만, 이러한 환경 센서는 식물 생체 정보를 직접 모니터링하는 것이 아니며 환경이 식물마다 미치는 영향력이 다르기 때문에 환경 센서만으로 식물의 상태를 정확히 파악하는 것은 불가능하다. 한정된 환경계측 센서의 측정을 통해 식물의 상태를 정확하게 나타낼 수 없기 때문에 토양 조건 및 작물 생체 정보 센서의 추가 모니터링을 통해 종합적으로 보는 것이 필요하다.</p> <p>본 연구에서는 식물 줄기의 물이나 이온 수송을 반영하는 식물의 내부 전기전도도 \( (\mathrm{ECps}) \) 와 sap flow rate를 모니터링하여 온도 스트레스에 대한 식물의 생리학적 반응을 분석하였다. 식물 세포의 전기적 특성은 성장 단계, 세포 구조, 영양소 및 물과 온도와 관련된 조건에 따른 식물 생리학적 상태를 평가하는 데 사용될 수 있다. 식물 줄기의 내부 전기전도도는 환경 조건의 변화에 반응한다. 따라서 식물의 내부 전기전도도를 모니터링하면 스트레스를 받는 조건하에서 식물이 겪는 생리학적 변화를 이해하는 데 도움이 될 수 있다. Sap flow rate 계측은 농업, 원예, 임업 및 생태학에서 환경에 따른 식물의 수분 흡수능력을 평가하는데 활용되고, sap flow rate 측정을 통해 경작 가능한 작물, 과수원, 산림 농장 및 자연 식생의 물 사용량을 정량화하고, 관수량을 결정하는데 활용한다. 따라서 본 연구에서는 식물 줄기 내부의 전기전도도와 sap flow rate를 측정하 면서 동시에 온도, 상대습도, 광합성유효광량자속 밀도(Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD), \( \mathrm{CO}_{2} \) 등 식물생육 기후조건을 모니터링하였고, 토양의 온도, 수분함량, 전기전도도를 모니터링하여 토양 상태도 측정하였다. 이 연구의 목적은 저온과 고온 스트레스 하에서 Brassica oleracea var. italica의 생리적 반응을 조기에 발견하기 위해 식물 내부 전기전도도를 포함한 다양한 센서의 적용 가능성을 평가하는 것이다.</p>