Ecophysiology of soursop seedlings fertilized with calcium silicate under different irrigation frequencies

기술 요약: 서로 다른 관수 빈도 하에서 규산칼슘을 시비한 사우어솝(Soursop) 묘목의 생태생리학적 특성

문제 제기
사우어솝 나무(Annona muricata L.)는 특히 브라질의 반건조 지역에서 경제적 및 영양적 가치가 높은 열대 과수 작물이다. 그러나 이 작물의 재배는 수분 부족과 불규ful한 강우 패턴에 의해 심각하게 제한되며, 이는 수분 결핍 스트레스를 유발한다. 이러한 스트레스는 형태적 발달, 생리적 과정(광합성 및 가스 교환 등), 그리고 생화학적 안정성에 부정적인 영향을 미쳐, 궁극적으로 생체량(biomass)과 묘목의 품질을 저하시킨다. 결핍 관수는 수분이 부족한 지역에서 필수적인 관리 전략이지만, 종종 생산성을 저해한다. 따라서 스트레스 내성을 높이는 것으로 알려진 규소(Si)와 칼슘(Ca)을 모두 함유한 규산칼슘(CaSiO₃)의 적용과 같은 보완적인 완화 전략을 식별할 필요가 있다. 다만, 다양한 관수 체계 하에서 사우어솝 묘목에 대한 규산칼슘의 구체적인 상호작용은 아직 충분히 연구되지 않았다.

연구 방법
본 연구는 2023년 9월부터 12월까지 브라질 모소로(Mossoró)에 위치한 페데랄 루랄 세미-아리드 대학교(UFERSA)의 온실에서 수행되었다. 실험은 4 × 2 요인 설계와 4 반복을 이용한 난괴법(randomized block design)을 활용하였다.

• 요인:
  1. 관수 빈도: 네 가지 일정이 테스트되었다: TR1 (매일), TR2 (이틀에 한 번), TR3 (나흘에 한 번), TR4 (엿틀에 한 번).
  2. 시비: 토양에 규산칼슘(CaSiO₃)을 식물당 3.5g의 용량으로 처리한 경우와 처리하지 않은 경우를 비교하였다.
• 실험 조건: 사우어솝 묘목(Morada 품종)을 모래와 상업용 배질 혼합물이 담긴 5L 화분에 이식하였다. 관수는 특정 수분 보유 능력을 유지하기 위해 중량법(gravimetrically)으로 관리되었다. CaSiO₃는 이식 30일 후에 적용되었다.
• 측정 항목: 처리 적용 120일째에 성장 매개변수(초고, 줄기 직경, 엽면적, 뿌리 부피), 생체량 축적, 엽록소 형광(증산, 기공 전도도, CO₂ 동화), 광합성 색소, 삼투 조절 지표(프롤린 및 총 가용성 당), 엽부 영양 성분(K, Ca, Si)을 평가하였다. 묘목의 품질은 딕슨 품질 지수(DQI)를 사용하여 평가하였으며, 가뭄 내성은 가뭄 내성 효율(DTE) 및 가뭄 민감도 지수(DSI)를 통해 계산하였다.

주요 결과

• 관수 빈도의 영향: 심각한 수분 결핍(TR4, 6일 간격 관수)은 매일 관수(TR1)와 비교했을 때 초고, 잎 수, 엽면적, 뿌리 부피 및 총 건중량을 유의미하게 감소시켰다. 또한 TR4는 엽록소 함량 감소와 초기 형광(F₀)의 증가를 초래하여 광계 II(Photosystem II)의 손상을 나타냈다. 반대로, CaSiO₃가 없는 상태에서는 최대 4일 간격의 관수(TR3)가 매일 관수(TR1)와 유사한 성장 및 생리적 성능을 유지하였다.
• 규산칼슘(CaSiO₃)의 효과:
  • 가스 교환: 유의미한 상호작용이 관찰되었다. 중간 정도의 스트레스(TR3) 조건에서 CaSiO₃ 적용은 시비하지 않은 묘목에 비해 증산(E), 기공 전도도(gs), CO₂ 동화율(AN)을 유의미하게 증가시켰다. 특히, TR3와 CaSiO₃ 조합은 가장 낮은 성능을 보인 처리구(TR1 미시비)와 비교했을 때 각각 142.25%, 122.31%, 68.44%의 증가율을 보이며 가장 높은 가스 교환 값을 나타냈다.
  • 생체량 및 영양소: CaSiO₃ 적용은 모든 관수 빈도에서 잎 건중량을 약 15% 증가시켰다. 또한 특히 TR3와 TR4 조건에서 잎 조직 내 규소와 칼슘 함량을 유의미하게 증가시켰다.
  • 삼투 조절: CaSiO₃ 적용은 프롤린 합성을 조절하였다. 중간 정도의 스트레스(TR3) 하에서 CaSiO же 시비하지 않은 묘목은 프롤린이 대량으로 축적된 반면(시비 묘목보다 192.30% 높음), 시비된 묘목은 현저히 낮은 프롤린 수준을 유지하였다. 이는 CaSiO₃가 TR3의 스트레스 강도를 완화하여, 식물이 과도한 삼투 조절을 위해 프롤린을 합성해야 하는 필요성을 줄였음을 시사한다.
  • 가뭄 내성: CaSiO₃의 존재는 특히 TR3와 TR4 조건에서 가뭄 내성 효율(DTE)을 개선하고 가뭄 민감도 지수(DSI)를 감소시켰다.

주요 기여 및 의의
본 논문은 규산칼슘이 특히 중간 정도의 관수 간격 하에서 사우어솝 묘목의 수분 결핍 스트레스를 완화하는 효과적인 완화제임을 입증한다.

• 생리적 메커니즘: 본 연구는 CaSiO₃가 기공 기능을 유지하고 삼투 균형을 조절함으로써 가뭄 내성을 높인다고 가정한다. 세포벽에 규소가 침착되는 것은 구조적 강성을 강화하고 과도한 수분 손실을 줄이는 반면, 칼슘은 기공 개폐와 항산화 기작을 조절하는 신호 분자로 작용한다.
• 농업적 타당성: 결과에 따르면, 4일 간격의 관수(TR3)와 CaSiO₃ 시비를 결 조합하면 묘목의 발달, 가스 교환 또는 생체량 축적을 저해하지 않으면서 상당한 수분 절약이 가능하다. 이 조합은 심각한 결핍 관수(TR4)보다 우수했으며, 동일한 스트레스 하의 미시비 묘목보다 뛰어난 생리적 효율을 보여주었다.
• 지속 가능한 관리: 본 연구 결과는 사우어솝 생산을 위해 규산칼슘 시비와 중간 정도의 결핍 관수(최대 4일 간격)를 통합하는 것이 수분 이용 효율을 최적화하고 묘목 품질을 유지하는 실행 가능한 전략임을 시사한다.

결론
CaSiO₃의 적용은 주로 중간 정도의 스트레스(4일 관수 간격) 조건에서 사우어솝 묘목의 결핍 관수 체제에 대한 내성을 높인다. 이 처리는 기공 조절을 유지하고, 광합성 효율을 높이며, 영양소 흡수(Si 및 Ca)를 개선하여 수분 부족의 생리적 영향을 감소시킨다. 6일 간격의 관수는 시비 여부와 관계없이 성장을 심각하게 억제하지만, 4일 관수 일정과 CaSiO₃ 시비의 조합은 수분이 제한된 환경에서 묘목 생산을 위한 지속 가능한 접근법을 제공한다. 저자들은 규산의 농업적 잠재력을 완전히 확장하기 위해 다양한 용량의 CaSiO₃에 대한 추가 연구가 필요하다고 결론지었다.