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Nov 10, 2023

물에 잠긴 강낭콩(Phaseolus vulgaris L.)의 피해 감소에 대한 산소 시비의 효과

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 4282(2022) 이 기사 인용

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홍수는 플로리다의 야채 생산에 대한 주요 비생물적 스트레스 중 하나입니다. 물에 잠긴 강낭콩 식물의 생화학적 및 생리학적 상태에 대한 산소 시비의 영향을 평가하기 위해 강낭콩을 이용한 수경재배 및 화분 실험을 수행했습니다. 수경재배 실험에는 세 가지 처리 방법이 있었습니다: (1) 침수(대조군), (2) 주변 공기를 이용한 기포 통기, (3) 실험 시작 시 적용되는 과산화수소(H2O2). 식물 건강은 질소(N)와 인(P) 흡수율을 측정하여 평가했습니다. 온실 화분 시험은 과산화칼슘(CaO2) 및 과산화마그네슘(MgO2)과 같은 고체 산소 비료의 세 가지 다른 적용 비율의 효과를 정량화하는 데 사용되었습니다. 결과는 식물의 N과 P 흡수율이 H2O2가 없는 경우보다 H2O2가 있는 경우에 상당히 더 컸다는 것을 보여주었습니다(p < 0.05). H2O2의 N 흡수율은 버블링의 경우와 비슷했습니다. 버블링 및 H2O2 조건에서는 NH4+의 흡수율이 NO3-의 흡수율보다 유의하게 높았으나, 범람 조건에서는 NO3-의 흡수율이 NH4+의 흡수율보다 유의하게 높았습니다. 식물 높이, 잎의 녹색 정도, 새싹 바이오매스 및 수확량은 모두 고체 산소 비료를 사용하지 않았을 때보다 CaO2 또는 MgO2 사용 시 훨씬 더 컸습니다. 화분당 CaO2 2g 또는 MgO2 4g에서 침수된 스냅콩의 최소 손상이 발견되었습니다. 이러한 결과는 산소 시비가 잠긴 강낭콩 식물의 수확량을 잠재적으로 향상시킬 수 있음을 나타냅니다.

플로리다는 강낭콩(Phaseolus vulgaris) 생산 면적과 총 가치에서 1위를 차지하지만, 허리케인과 열대성 폭풍으로 인한 폭우로 인해 강낭콩 생산성이 크게 감소하는 경우가 많습니다. 스냅콩은 범람에 취약하고 저산소 스트레스로 인해 성장이 억제되고 수확량이 감소합니다1. Holbrook과 Zwieniecki2에 따르면 저산소 스트레스의 주요 원인은 토양의 산소 결핍입니다. 산소 확산 계수는 물(1.97 × 10–5 cm2 s−1)보다 공기(2.14 × 10–1 cm2 s−1)에서 10,000배 더 큽니다. 대부분의 식물종3의 경우, 용존 O2 농도가 2 mg L−1 미만인 뿌리층 토양에서 산소 결핍이 발생합니다. 따라서, 침수된 들판의 강낭콩 식물은 정상적인 뿌리 대사에 필요한 생물학적 이용 가능한 O2가 부족하여 침수 피해를 입습니다.

저산소증에서는 혐기성 대사가 활성화되고 산화적 인산화가 중단됩니다. 해당과정에서 파생된 ATP 생합성 속도는 낮습니다4,5,6,7. 크렙스 회로에서는 최종 전자 수용체로서 생체 이용 가능한 O2가 부족하기 때문에 중간체 축적, NAD(P)+ 수준 감소, 피루브산 축적 및 ATP 농도 감소가 발생합니다. 이러한 변화는 질소(N) 및 인(P)과 같은 영양소의 흡수 및 동화를 포함하여 식물 대사에 부정적인 영향을 미칩니다3,8. 또한, 식물은 에탄올 축적과 혐기성 대사 과정에서 형성된 독소로 고통받습니다9.

알코올 탈수소효소(ADH)는 식물에서 잘 연구된 효소이며 저산소 또는 혐기성 조건에 노출되면 뿌리에서 유도될 수 있습니다. 뿌리 영역의 산소 생체 이용률이 낮으면 ADH 활동이 크게 증가하여 저산소증 또는 무산소증에 대한 식물의 내성이 향상됩니다10,11. ADH 활동은 저산소 또는 혐기성 조건에서 식물의 생존에 필수적인 것으로 간주됩니다. 따라서, 침수된 식물 뿌리 끝의 ADH 활동은 홍수 및 홍수 심각도에 대한 잠재적 내성의 지표로 사용됩니다.

뿌리 영역에 산소를 공급하는 것은 홍수 스트레스로 인한 피해를 완화할 수 있는 잠재적인 방법입니다. 산소 비료에는 CaO2 및 MgO2와 같은 고체 산소 비료(SOF)와 과산화수소(H2O2)와 같은 액체 산소 비료의 두 가지 유형이 있습니다13,14. 여기에 나열된 고체 산소 비료는 생체 이용 가능한 산소를 천천히 방출합니다(즉, 서방성 산소 비료). 반면에 액체 산소 비료인 H2O2는 생체 이용 가능한 산소를 빠르게 방출하며 빠른 산소 비료로 간주됩니다. 과산화수소는 카탈라아제 효소(EC 1.11.1.16)에 의해 생물학적으로 분해될 수 있습니다. H2O2의 분해는 방정식 15에 표시된 대로 H2O2 1몰당 생체 이용 가능한 O2 0.5mol을 방출합니다.