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향유속(Elsholtzia)은 꿀풀과(Labiatae)에 속하는 일년생 또는 다년생 식물로서 40여종이 아시아 온대지역과 일부 열대 고산지역에 분포한다. 국내에서는 좀향유, 꽃향유, 향유, 가는잎향유, 변산향유 등 11종이 있는데 이들은 강한 향기가 나는 방향성 식물들로 알려져 있다(Jeon and Hong, 2006). 이중 좀향유(Elsholtzia minima Nakai)는 한라산 1,500 m 이상 고산지역에 분포하는 초본으로 높이는 2~5 ㎝이고 꽃은 9~10월에 피는 왜소한 특산식물이다. 어린잎은 식용하거나 관상초 및 밀원자원으로 쓰이고 민간에서는 꽃이 필 때 전초를 생약으로 사용하는데, 발한, 이뇨, 해열, 지혈 등에 약으로 사용하고 욕탕의 향료 등으로 쓰인다(Kim, 1996; Lee, 2006; Research Institute for Mt. Halla, 2007). 특히, 한라산은 지리적 위치와 해발고도, 지세 등으로 인하여 아열대식물에서 한대식물까지 뚜렷한 수직분포 식생대를 보여주고 있으며(Uhm, 1962; Oh, 1968; Cha, 1969; Yim et al., 1991), 식생대를 구성하는 식물은 환경변화에 민감한 종으로 구성되어 있다(Kim, 2002). 그 중 한라산에는 46과 146종의 고산식물이 분포하며, 좀향유, 섬매발톱나무, 제주달구지풀 등 22과 32종의 특산식물이 분포하고 있어 면적에 비해 한라산에는 특산식물이 많다는 점에서 중요성이 있다(Kim, 2006). 그러나 지난 1980년 중반 한라산 방목금지와 기후변화 등으로 인해 제주조릿대 군락과 참억새 군락의 발달, 소나무림의 확장 등 자연적인 요인으로 한라산 고산식물의 생육환경이 점차 불량해지고 자생지의 분포가 급감하고 있는 실정이다. 한편 한라산 고산식물 중 좀향유는 양지성이고 왜소한 타입으로 자생지의 광도, 토양수분, 기온 등 자연적 환경요인의 변화가타 고산식물에 비해 스트레스 요인으로 크게 작용하여 생육 저해가 일어나고 있다(Kang et al., 1999; Kang et al., 2006).

최근 전 세계적으로 식물자원의 중요성이 부각되면서 국내 외 유용식물자원 수집, 보존 및 지속적인 이용 체계를 구축하기 위하여 국가적으로 많은 노력과 자원이 투자되고 있고, 최근 자생식물에 대한 관심이 높아져 수요가 증가됨에 따라 온･오프라인 상에서 활발하게 거래가 되고 있다. 그러나 생산량의 부족으로 거래되는 대부분의 자생식물은 자생지에서 굴취되어 원종으로 거래가 되고 있어 자생지 파괴와 더불어 국내 유전자원이 해외로 유출될 가능성을 가지고 있다. 또한 한라산의 고산식물은 대부분 희소성이 있는 자생식물로써 산업적 가치는 매우 높을 것으로 판단이 되나 시료의 희소성, 안정적 공급 등의 문제로 산업화에 대한 연구는 전무한 실정이다.

따라서 본 연구는 제주특산식물인 좀향유의 유전자원 보존･관리와 산업화시 시료의 희소성 문제점을 해결하기 위해 좀향유 삽목의 발근특성과 초기 생육속도 및 활력을 높이기 위한 육묘 환경 연구 등을 수행하였다.

재료 및 방법

삽수채취 및 자생지 환경 조사

좀향유의 자생지 및 환경 조사를 위해 HOBO® Pro v2를 이용하여 2012년 4월에서 10월까지 1시간에 한번씩 온습도 데이터를 수합하였고 월별 온･습도의 평균을 산출하였으며, 토양조건을 파악하기 위해 토양시료를 채취하여 물리화학적 특성을 분석하였다. 좀향유의 삽수는 2013년 7월에 해발 1,500 m 한라산국립공원 영실 등반로 일대에서 채취를 하여 실험에 필요한 충분한 시료를 확보하기 위해 제주대학교 내 자생식물 증식 포장에서 2014년 7월까지 증식하였다.

삽수 제조 및 삽목실 환경

2014년 7월 제주대학교 내 자생식물 증식 포장에서 증식된 좀향유를 채취하여 삽수로 활용하였으며, 삽수는 1일 이내에 3~5 ㎝ 정도 길이로 제조하였다. 윗부분은 항상 1~2장 잎을 유지하고, 절단면은 45°이하가 되게 제조하였다. 삽목실은 비닐하우스(폭 7 m × 길이 50 m × 높이 3 m)와 일정한 상대습도를 유지시키기 위하여 비닐로 삽상을 완전히 밀폐한 밀폐삽목(密閉揷木)상을 제작하였으며, 실내의 과도한 온도상승을 막기 위해 차광막(55%)으로 실내온도를 약 27~30℃로 유지하였다. 실험에는 인공상토(Peat moss : Perlite : Vermiculite = 1:1:1)를 사용하였다.

삽목 및 유묘 증식환경을 조사하기 위해 온실 및 밀폐상 내에 온습도계(EL-USB-2, Lascar)를 설치하여 2014년 7월에서 10월까지 5분 간격으로 온도와 습도를 측정하였다.

전처리제 처리에 대한 발근 효과 실험

제조된 삽수는 발근 억제물질 제거를 위하여 질산은(AgNO3, 500 ppm), 석회수(Ca(OH)2, 1,000 ppm), 과망간산칼륨(K2MnO4, 1,000 ppm)과 증류수(H2O)에 24시간 침지 후 물로 세척하여 사용하였다. 발근 촉진을 위한 식물생장호르몬 처리는 루톤(Rooton e : 1-naphthylacetamide 0.4% powder)을 사용하였으며, 무처리는 온실과 밀폐상으로 구분하였고, 각 처리별 삽수는 10개씩 4반복으로 배양판에서 실험하였다. 삽목 후 약 5∼30일 후에 발근의 유무를 조사하였다.

발근된 삽수는 발근율(Rooting percentage, %), 뿌리수(Root number, ea), 뿌리길이(root length, ㎜), 상부길이(shoot length, ㎜), 생체량(Fresh weight, ㎎)을 측정하였다.

배양 용기 및 시비에 대한 유묘의 생장 효과

실험재료는 삽목 증식을 통해 생산된 좀향유를 이용하였으며, 배양 용기별 비료 시비에 따른 생장효과를 비교하기 위하여 배양 용기로는 배양판(Cultivation box: 0.2 ㎡), pot (90 mm pot: 0.0063 ㎡), plug tray (32 hole plug tray: 0.0025 ㎡)를 사용하였다. 기비로서 인산은 용성인비(0-17-0), 칼륨은 염화가리(0-0-60)를 순 성분으로 각각 5 ㎏/10a 수준으로 시비하여 10개씩 3반복하였다.

질소비료 시비량에 따른 고산식물의 증식은 무처리, 속효성 및 완효성 비료를 처리하여 각각 비교하였으며, 속효성 비료는 질소(Urea, 46-0-0), 완효성비료는 증식에서 주로 이용되는 Osmocote (15-11-13)를 이용하였다. 질소비료 시비량은 질소순 성분으로 10a당 1 ㎏, 5 ㎏, 10 ㎏, 20 ㎏, 30 ㎏, 40 ㎏, Osmocote는 10a당 3.75 ㎏ 수준으로 시비하였으며, 용기별로 동일하게 처리하였다. 지상부 길이, 지하부 길이, 건물 중량을 조사하여 각각 비교하였다.

시비에 대한 엽록소 함량 분석

클로로필(Chlorophyll) 및 카로티노이드(Carotenoid) 함량 분석은 각각 다른 질소시비량으로 처리한 식물의 잎을 수확하여 1 g의 시료에 99.5% Acetone 50 ㎖을 혼합 후 24시간 동안 암실에서 균질화 된 현탁액을 거름종이로 걸러 여과액을 취하였다. 여과액은 분광광도계(Cary 50 Conc UV-Visible Spectro-photometer, Varian)를 사용하여 470, 645, 662 ㎚에서 흡광도를 측정하였다. 전체 클로로필 및 카로티노이드 함량은 Wellburn (1994)의 방법에 따라 측정하였으며, 함량은 잎의 생중량으로 나누어 ㎍/㎎ (fresh weight)로 기록하였다.

실험결과는 SPSS 통계프로그램(SPSS In., Release 12.0, 2004)으로 Duncan 다중검정과 T-검정을 실시하였다.

결과 및 고찰

좀향유 자생지 환경 조사

좀향유의 자생지는 영실기암 서쪽 사면 상부 해발 1,500 m에 경사도 약 10°, 부엽층 5 ㎜ 이내, 유기물함량 4%이내, 토양은 점토로 구성되어 있고 등반로 주변의 나지나 작은 자갈이 있는 곳에 분포하였다(Fig. 1). 좀향유의 개체군 분포형태는 군락적이고 불연속적으로 분포하며 주변식생으로는 김의털, 털새, 한라구절초 등이 분포하는 것으로 나타났다.

Fig. 1.The environment of Elsholtzia minima Nakai.

좀향유 자생지와 비자생지 토양의 화학적 성질을 Table 1에 나타내었다. 좀향유는 호광성이고 왜소한 생육형을 보였으며, 토양분석은 자생지인 한라산의 나지대와 비자생지는 한라산 제주조릿대가 우점하는 지역을 선정하여 비교 분석하였다. 좀향유 자생지의 토양 pH는 5.3으로 비자생지 5.9보다 토양산도가 낮았으며 강산성에서도 식물생육이 가능할 것으로 보여진다. 좀향유 자생지와 비자생지의 유기물함량은 각각 3.39%, 7.86%로 비자생지에서 약 2배정도 높았다. 따라서 좀향유의 생장에는 유기물함량이 제한요소로 작용하지는 않을 것으로 생각된다. 전질소 함량도 비자생지에서 다소 높았으나 전체적으로 함량이 낮았다. 화산회토양은 유효인산함량이 매우 낮아 토양비옥도가 낮은 원인으로 알려져 있는데 조사지의 유효인산함량도 매우 낮았다. 교환성양이온은 토양 pH와 밀접한 관계가 있다고 알려져 있으며 본 조사에서도 교환성 Na를 제외한 교환성양이온은 토양 pH가 낮은 좀향유 자생지보다 비자생지에서 매우 높은 함량을 보였다. 조사지의 양이온치환용량은 좀향유 자생지 9.57 cmol+/㎏, 비자생지 19.03 cmol+/㎏으로 비자생지에서 약 2배정도 높았다.

Table 1.Chemical properties of soils in a Elsholtzia minima Nakai habitat and non-habitat

좀향유 자생지의 기후특성을 알아보기 위해 2012년 4월부터 10월까지 온･습도를 분석한 결과 온도는 7월 19.0℃, 습도 6월 98.8%로 가장 높았고 4월에 6.2℃, 10월에 60.5%로 가장 낮은 것으로 분석되었고 좀향유의 생육기간 중 가장 왕성한 6∼8월의 평균온도는 18.0℃, 습도는 95.6%로 제주도 저지대보다 습도가 약 30%이상 높게 분석되었다(Table 2). 따라서 좀향유 자생지 환경조사에 대해 종합하여 보면 좀향유는 호광성이고 왜소하여 식물 천이 과정에서 상층식생이 없는 나지 또는 훼손지역에 분포하고 있어 토양 내의 화학적 성분함량 부족, 등산객 답압, 상층식생 이입 등으로 인해 자생지의 면적이 감소될 것으로 판단된다.

Table 2.Monthly average temperature and humidity of Young-Sil area in a Elsholtzia minima Nakai habitat (2012)

발근 및 뿌리생장에 대한 밀폐상의 효과

Suh et al. (1984)은 온실 개폐상태의 공중 습도는 변화가 심하여 약 50~76% 변화를 보이고 밀폐상인 경우 공중습도는 95%로 외부 기상조건이나 주야간에 따른 습도 변화는 없어 밀폐상 내에서의 삽목은 발근에 도움이 된다고 한다. 따라서 증식시설 내의 온실(Green house)과 밀폐상(Vinyl-moist chamber) 내의 온습도의 변화를 측정 한 결과 온실 온도의 경우 평균온도 24.2℃, 습도 81.4%로 조사되었고 밀폐상인 경우 평균온도 24.9℃, 습도 95.3%로 분석이 되어 밀폐상의 온도가 온실보다 0.7℃가 높은 것으로 나타났고 습도의 경우도 13.9% 높은 것으로 나타났다. 일교차의 변화는 온실의 경우 11.2℃, 밀폐상은 경우 12.2℃ 차이를 보여 밀폐상의 일교차가 1℃ 큰 것으로 분석된 반면 습도의 경우는 온실 29.5% , 밀폐상 7.2% 정도의 차이를 보이는 것으로 분석되었다(Fig. 2).

Fig. 2.Monthly average temperature and humidity in rooting chamber during 2014.

좀향유 전초를 채집하여 3∼5 ㎝ 절취하여 삽목 한 결과 온실은 10일, 밀폐상은 7일 만에 발근이 시작되어 밀폐상이 온실보다 발근기간이 짧은 것으로 나타났는데(Fig. 3). 이는 Suh et al.(1984)이 제시한 밀폐상 내에서는 습도가 안정적으로 유지되어 발근이 잘되었다는 보고와 같이 본 연구에서도 밀폐상 내에서 좀향유의 발근이 빠르게 진행된 것으로 보인다. 따라서 온실과 밀폐상에서의 발근율, 뿌리수, 지상부의 길이와 분지수는 밀폐상이 높은 것으로 조사되었으나 유의성이 없는 것으로 분석되었고, 생체량은 발근이 빠른 밀폐상이 높게 분석이 되어 미측정된 줄기의 굵기, 엽수, 엽두께, 엽면적 등이 생체량에 영향을 준 것으로 판단된다(Table 3). 또한 Suh et al. (1984)이 제시한 황금쥐똥나무, 하와이무궁화, 피라칸사스, 치자의 경우 밀폐상이 개폐상보다 발근율과 생육량이 높았다는 보고와도 일치하였다.

Fig. 3.Rooting of Elsholtzia minima.

Table 3.zSignificant at 5% level by T-test.

발근 및 뿌리생장에 대한 전처리제의 효과

발근억제 또는 저해작용을 하는 물질로는 abscisin acid, cinnamic acid, caffeic acid, phenolic acid, Tannin류 등이 있다(Hicino et al., 1986). 특히 삽목 발근이 어려운 소귀나무, 밤나무 등은 AgNO3 처리를 통하여 Tannin류 등을 제거하여 30~50% 발근율을 보였다고 한다. 따라서 본 실험에서도 발근억제물질을 제거하여 발근율을 향상시키고, H2O, AgNO3, Ca(OH)2, K2MnO4 용액에 절단 부위를 침지하여 밀폐상에 삽목하였다. 그 결과 발근율은 AgNO3 제외한 처리구에서 95%이상의 높은 발근율을 보였다. 또한 지하부의 길이인 경우 대조구, H2O, Ca(OH)2, K2MnO4 처리구에서 Rootone과 AgNO3에 비해 발근율이 높은 것으로 조사되었다. 한편 지상부의 길이는 대조구와 H2O처리구에서는 39.9∼40.8 ㎜로 가장 길었고, Ca(OH)2, K2MnO4, 루톤 처리구에는 35.0∼36.4 ㎜ 짧았다. 전처리제 처리에 따른 생체량과 분지수 변화는 P ≤ 0.05에서 유의성을 보지 않았지만 K2MnO4 처리구가 72.3 ㎎으로 평균 70.6 ㎎보다 높았고 H2O 처리구 87.5 ㎎으로 가장 높게 나타났다(Fig. 4, Table 4). 따라서 발근억제물질 제거를 위한 전처리제 처리는 대조구에 비해 발근율과 뿌리길이에서 큰 차이를 나타내지 않아 좀향유의 경우 발근억제물질 또는 저해작용을 하는 물질은 적은 것으로 판단된다. 또한 Song et al. (1996)의 플러그 육묘방법에서 꽃향유는 분지력이 좋아 삽목에 유리하다고 하였는데 좀향유의 경우에도 모든 처리구에서 분지수가 평균 2.3개로 처리 간 유의하진 않았지만 분지 형식으로 번식하는 결과를 보여 꽃향유의 삽목번식 결과와 유사한 경향으로 나타났다.

Fig. 4.Rooting of Elsholtzia minima after cutting according to each container and treatment.

Table 4.zMean separation within a column by Duncan's multiple range test (P ≤ 0.05). yRootone (1-naphthylacetamide 0.4% powder).

배양용기 및 시비에 대한 유묘의 생장 효과

세포를 구성하는 주요 성분 중의 하나는 단백질이며, 그 단백질을 구성하는 핵심물질이 질소이기 때문에 질소가 인산이나 칼리보다 식물생장에 더 큰 영향을 미친다(Cho et al., 2011). 따라서 토양으로부터 식물체에 공급되는 질소의 양을 알맞게 조절하는 것은 매우 중요하다. 이에 좀향유의 산업화를 위한 대량 생산체계 구축의 기초자료를 제공하고자 배양 용기별 비료 시비에 따른 생장율을 조사하였으며, 그 결과 좀향유의 유묘 생존율은 무처리, 1 ㎏/10a, 5 ㎏/10a, Osmocote에서 70∼100%의 높은 생존율을 보인 반면 상대적으로 높은 시비량인 20 ㎏/10a 이상에서는 저조한 생존율을 보였다(Fig. 5, Table 5). 과다한 시비는 토양의 염 농도를 증가 시키며, 염 농도 증가에 의한 가장 직접적인 영향은 뿌리의 생장 억제이며(Neumann et al., 1994; Niu et al., 1995), 세포의 삼투 포텐셜이 낮아지는데 따른 생장 지연(Baligar et al., 1998; Lauchli and Luttge, 2002; Volkmar et al., 1998)이 일어나고 더욱 높은 농도가 되면 뿌리는 갈변되어 고사한다. 따라서 본 실험도 질소 과다 시비에 의해 배양토의 EC가 높아져 좀향유의 생리장해 및 고사의 원인으로 생각된다.

Fig. 5.Growth characteristics after growing seedling by different containers and fertilizations on Elsholtzia minima.

Table 5.zMean separation within a column by Duncan's multiple range test (P ≤ 0.05). yND: Not detected.

좀향유를 관상화적, BT산업적 이용 측면에서 부위별 이용을 보면 지상부의 이용이 높을 것으로 생각이 된다. 따라서 지상부 길이와 무게를 비교 분석한 결과 배양용기별로는 배양판의 Osmocote 처리구가 69.4 ㎜로 가장 많이 생장했으며, 대조구에 비해 약 27% 높은 것으로 분석되었다. 또한 pot, plug tray에서도 Osmocote 처리구가 대조구에 비해 약 30∼45% 증가하였다. 반면 질소 시비시 대조구에 비해 전반적으로 생육이 감소하는 경향으로 나타났고 pot에서 질소 20 ㎏/10a 이상 시비구와 plug tray에서 30 ㎏/10a 이상 시비구에서는 비료해(肥料害)로 인하여 생존하지 못하였다. 따라서 시비에 따른 생체량의 변화도 배양용기에 상관없이 Osmocote 처리구가 약 6∼37% 정도 대조구에 비해 증가하였다.

질소 시비에서도 개체의 생체량은 큰 것으로 분석되었지만 생존율이 낮아 좀향유의 유묘 생산시 질소 시비는 비효율적이라고 판단된다. 이러한 결과는 Cho et al. (2010)이 산마늘, 곰취, 곤달비를 대상으로 완효성 비료인 Osmocote 시비처리에 따른 광합성 특성, 엽록소 형광반응, 엽록소 함량변화 등을 조사한 결과 5 g･L-1 시비에서 생육이 가장 우수하였으며, 10 g･L-1 시비에서는 과잉 시비로 인한 생육저하 현상이 나타났다는 보고와 유사하였다.

일반적으로 농작물 재배에서는 질소와 칼리의 성분을 전체 시비량의 40~70% 기비로 사용하고 나머지는 몇 차례 분시한다(Lee et al., 2007). 그러나 양분의 지속적인 공급이 가능한 완효성 비료는 10a당 3.5시간이 소요되는 데 비해 속효성 비료 시용은 추비 노력 시간이 추가되어 1.1시간이 많은 4.6시간이 소요되며 마늘, 참외 재배에서 완효성비료를 전량기비로 시용하였을때 관행시비에 비하여 양분흡수율과 수량이 양호하였다(Song et al., 2001; Do et al., 1997). 따라서 완효성비료는 식물의 생육시기별 영양요구도에 부합시켜 증수를 도모하는 장점뿐만 아니라 질소이용률 향상, 노동력 감소, 수질오염 방지, 염류집적 이나 암모니아 독자용의 방제 등에 이점이 크다(Lant, 1971). 좀향유의 유묘 증식을 위해서는 적당량의 Osmocote 시비가 생존율, 지상부, 지하부 생장을 증가시키고 증식을 위한 시비노력 절감과 환경오염을 줄여 줄 것으로 판단된다.

시비에 대한 좀향유의 엽록소 함량 변화

엽록소는 광합성에서 가장 중요한 색소이며 카로티노이드는 푸른빛을 흡수하여 광합성을 하며 동시에 광합성 과정에서 생긴 triplet-state 엽록소와 singlet oxygen을 없애 줌으로서 광합성조직을 보호한다. 카로티노이드가 없으면 엽록소는 광산화하여 제 기능을 못하게 되며 결국 식물은 죽게 된다(Im, 2010). 따라서 배양 용기 및 시비에 따른 엽록소와 카로티노이드의 함량을 분석한 결과 배양판 90.0 ㎍/㎎FW, pot 134.5 ㎍/㎎FW, plug tray 155.9 ㎍/㎎FW 순으로 증가하였고 Osmocote 처리시 배양용기별 카로티노이드 함량도 배양판 154.9 ㎍/㎎ FW, pot 175.6 ㎍/㎎FW, plug tray 178.5 ㎍/㎎FW 순으로 증가하였다(Table 6).

Table 6.zCa, Chlorophyll a; Cb, Chlorophyll b; Car = Total carotene. yND: Not detected.

배양용기별 시비에 따른 좀향유의 엽록소 함량분석은 각 시비 후 생존한 개체의 잎을 채취하여 실험하였으나 Fig. 5에서 보는 바와 같이 질소 시비구의 생육이 저조하여 엽록소 함량 분석을 할 수 없었다. Im (2010)은 식물체의 스트레스 강도가 높으면 엽록소 대비 카로티노이드 함량이 증가하는데 이는 엽록소를 보호하기 위한 식물의 생리적 반응이라 하였으며, 카로티노이드는 스트레스로 인한 photo damage로부터 엽록소를 보호하는 것으로 이미 잘 알려져 있다(Armstrong and Hearst, 1996). 따라서 plug tray는 다른 용기에 비해 엽록소 함량은 비슷하지만 카로티노이드 함량은 pot, plug tray에 비해 높게 조사되어 plug tray는 부피가 작아 좀향유 생장에 스트레스를 주는 것으로 생각이 되며, 배양판 또는 pot가 육묘에 용이할 것으로 판단이 된다. 그러나 좀향유 pot 이식에 따른 경비 절감과 보관의 용이성을 고려할 때 90㎜ pot가 좀향유 생산시 적절한 용기로 생각된다.