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ISSN : 1229-3571(Print)
ISSN : 2287-819X(Online)
Korean Journal of Organic Agricultue Vol.26 No.4 pp.677-686
DOI : https://doi.org/10.11625/KJOA.2018.26.4.677

Effect of Kluyvera sp. CL-2 on Sugar contents of Watermelon and Soil Chemical Properties

Soo-Young Hong**, Seong-Chul Choi***, Young-Ho Seo****, Su-Jeong Lim****, Su-Jeong Heo****, Byeong-Sung Yoon****, Young-Hak Park****, Dae Ki Hong****, Jae-Kyeong Song*****
Corresponding author 강원도 농업기술원 환경농업연구과(hsy6520@korea.kr)
20180912 20181029 20181113

Abstract


This study was carried out to determine the effect of Kluyvera sp. CL-2 (KACC 91283P) on the growth of watermelon (Citrullus vulgaris L.). The study consisted of three treatments, no treatment (NT), twice application of Kluyvera sp. CL-2 before transplanting (KC1), and five times application around transplanting (KC2). We determined the chemical properties of soil before and after the treatments, and compared the growth characteristics of watermelon among treatments. The treatment of Kluyvera sp. CL-2 at 1.0×106 cfu mL-1 significantly increased available P2O5. The organic matter showed to increase for all treatments, while soil pH, exchangeable Ca and Mg tended to decrease for all treatments. The leaf width was increased by 11.6% for KC1 and 26.2% for KC2 compared to NT. But there were no significant differences in yield, leaf length, fruit weight, fruit length, fruit width, and pericarp thickness among treatments. The contents of free sugars such as fructose and glucose were increased by microbial treatments but sucrose was not different from NT. The content of glucose in watermelon was increased by 13.8% in KC1 and 12.8% in KC2 compared to NT. The content of fructose increased by 14.6% in KC1 and by 39.8% in KC2 compared to NT. The results from the study imply that Kluyvera sp. CL-2 can be used to increase sugar content in watermelon.



유용미생물(Kluyvera sp. CL-2) 처리가 수박의 유리당 함량 및 토양화학성에 미치는 영향

홍 수영**, 최 승출***, 서 영호****, 임 수정****, 허 수정****, 윤 병성****, 박 영학****, 홍 대기****, 송 재경*****
***강원도농업기술원 옥수수연구소
****강원도농업기술원 환경농업연구과
*****국립농업과학원 농업미생물과

초록


    National Academy of Agricultural Sciences
    PJ010825022018

    Ⅰ. 서 론

    유기합성농약과 화학비료의 사용 및 연작으로 인한 토양의 염류집적은 꾸준히 문제되어 왔으나 농가에서는 생산성 위주의 영농방법과 대규모 경작지 관리 등을 위하여 과다시비를 불가피하게 여겨왔으며 영농방식을 유지하는 과정에서 유기물 감소 및 토양 산성화, 생태 계 교란 등 많은 부작용을 초래하였다(Yang et al., 2008). 친환경 농산물에 대한 소비자의 인식이 향상되고 화학 농자재의 오남용에 대한 규제가 강화됨으로서 생산위주의 농업에서 지속가능한 보전농업으로의 전환이 확산되었고 이들을 대체 할 수 있는 친환경 농자재의 필요성도 증가하고 있다. 저투입 지속적 농업을 유지하고 화학농자재를 대체할 소재 중 하 나로 유용미생물의 긍정적 효과가 입증되고 있으며 환경, 식품 등 다양한 분야에서도 유용 미생물의 기능성에 대하여 연구되었다(Kim et al., 2014;Kim et al., 2015). 농업에서 유용미 생물은 작물의 생육을 촉진하고 근권의 환경을 개선하는 효과가 있으며 식물병과 환경스트 레스에 대한 저항성이 있다. 농업에서는 미생물비료, 토양개량제 등 다양한 용도로 사용되 고 있으며 유기합성농약에 비해 독성이 적고 약효발현이 지속적이라는 장점이 있다. 유용 미생물의 수요와 시장이 증가함에 따라 현재 전국 158개 농업기술센터 중 123개 기관이 미 생물을 배양하여 농가에 보급하고 있다(RDA report, 2014). 식물의 근권에 왕성하게 서식하 는 PGPR균주(plant growth promoting rhizobacterium)들은 작물의 생육에 직․간접적으로 관 여하며, 생육촉진, 유기물분해, 토양정화, 병방제 등 다양한 기능들을 가진다(Woo and Kim, 2008;Kim et al., 2012;Jung et al., 2013;Moon and Koo, 2013). Rhizobium, Azotobacter, Azospillium 속은 질소고정력을 증가시키며, Pseudomonas 속은 난용성 인산염의 가용화를 촉진시킨다. Burkholderia 속은 식물병에 대해 방제효과가 있으며, Bacillus 속은 gibberellic acid나 indolacetic acid 등의 식물생장촉진 호르몬을 생성하여 작물의 생육에 관여한다(Chung et al., 2006). Heo 등(2016)은 Bacillus subtilis S37-2를 1.0×106 cfu mL-1로 상추에 처리하였을 때 생육이 촉진되고 수량이 증대된다고 보고한 바 있으며 Lee 등(2014)은 Pseudomonas 속 을 배추에 처리하였을 때 염 스트레스 경감효과 및 생육촉진 효과가 있다고 보고한 바 있 다. 그 밖에 Kluyvera 속의 인산가용화 촉진 효과(Kwon et al., 2007b), Bacillus 속의 생육촉 진 및 수량증대효과(Kwon et al., 2007a) 등 미생물의 생육촉진효과에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 작물 및 환경에 맞는 미생물 활용방법이 체계적으로 확립되어 있지 않고 현장에서의 효과검증 사례 또한 미비하므로 이러한 농업미생물 이용이 성공하기 위해 서는 효율성이 높은 유용미생물 균주의 확보 및 배양기술의 체계화, 농업 현장에서 작물별, 용도별 처리방법 등 보다 구체적이고 실용적인 기술의 개발이 필요한 실정이다. 본 연구의 목적은 농촌진흥청에서 개발한 유용미생물 Kluyvera sp. CL-2를 처리하였을 때 나타나는 생 육환경의 변화를 관찰하고, 미생물 처리 후 작물의 생육 특성 및 효과를 검정하는 데에 있으 며, 향 후 실용적인 미생물 활용방법을 확립하기 위한 자료로 이용하고자 실시하였다.

    Ⅱ. 재료 및 방법

    1. 시험재료 및 균주 처리방법

    본 연구는 강원도 양구군 남면에서 수행하였으며 시료로 사용한 수박의 품종은 삼복꿀 이었다. 4월 10일 파종, 5월 8일 정식하였으며 8월 1일 수확하였다. 시험구는 완전임의배치 법(Completely randomized design)으로 배치하였으며 재식거리는 45 cm × 2.3 m였다. 본 연구 에 사용된 Kluyvera sp. CL-2 (KACC 91283P) 균주는 국립농업과학원 미생물은행(Korean Agricultural Culture Collection, KACC)에서 분양받아 사용하였다. Bacillus soytone medium (BSM, Soytone 0.5%, Sucrose 2%)배지에 1% 접종하여 36시간 동안 진탕배양기(180 rpm, 2 8℃)를 이용하여 1.0×108 cfu mL-1로 배양 후 희석하여 사용하였다. 균주배양액은 1.0×106 cfu mL-1로 7일 간격 본포에 2회, 5회 관주처리 하였다.

    2. 시험 전 후 토양화학성 변화

    Kluyvera sp. CL-2 균주의 생육효과검정을 실시한 시설하우스의 토양은 가천통(Coarse loamy over sandy skeletal, mixed, mesic family of Fluvaquentic Endoaquepts)이며 토양화학성 은 Table1에 나타내었다. 미생물 처리에 따른 토양화학성 변화를 조사하기 위하여 수확 직 후의 토양성분을 분석하였다. 토양화학성 분석항목은 pH, EC (electrical conductivity), 유기 물(OM), 유효인산, 치환성 양이온 이었으며 표토 0~20 cm 깊이의 토양을 채취하여 음지에서 자연건조 후 2 mm 체를 통과시켜 시료로 사용하였다. pH, EC는 시료와 증류수를 1:5로 혼합 하여 초자전극법으로 측정하였으며, 유기물함량은 Tyurin법으로 하였다. 유효인산은 Lancaster 법으로 1:10 비율로 추출하여 분광광도계(Uvikon xs, Secoman, France)로 측정하였으며, 치환성 양이온은 1N ammonium acetate로 추출하여 ICP (GBC Intergra, GBC, US)로 분석 하였다.

    3. 수확기 품질특성 및 수량

    무처리구 대비 미생물 처리 군에서 나타나는 특성을 조사하기 위하여 수확 직후 처리구 별 생육상태를 측정하였으며 측정항목은 수량, 엽장, 엽폭, 과중, 과장, 과폭, 과피두께 이었 다. 측정방법은 농업과학기술 연구조사 분석기준에 준하였다. 엽장과 엽폭은 처리구별 주 당 세 번째 잎이 완전히 발달했을 때의 세로 길이와 가로 길이를 각각 측정하였으며, 과중 은 수확한 과실 각 각의 무게를 측정한 후 평균값을 산출하였다. 과장은 꼭지를 제외한 과 실의 가장 긴 세로 길이를 측정하였으며, 과폭은 가로의 가장 긴 직선길이를 측정하였다. 과피두께는 과실을 세로로 절단하고 과육을 분리 한 뒤 과실의 세로면의 선단부터 꼭지의 중간지점을 측정 하였으며 처리구별 총 수량을 비교하였다.

    4. 수확기 과육의 유리당 함량

    수확 후 유리당 함량을 분석하기 위하여 과실에서 씨를 제거한 과육부분만을 취하여 분 쇄한 것을 시료로 사용하였다. 시료 5 g에 증류수 50 ml를 가하여 진탕한 뒤 5000 rpm에서 15분간 원심분리 하였다. 상등액을 분리한 뒤 0.45 ㎛ membrane filter에 통과시킨 여액을 시 료로 사용하였으며 HPLC (Nano Space SI-2, Shiseido, Japan)로 유리당을 분석하였다. Column 은 250 × 4.6 mm (Shodex Asahipak (NH2P-50 4E)를 사용하였으며 이동상은 Acetonitrile : d- Water를 75:25 비율로 하여 1 ml min-1로 유지하였다. 표준시약 및 시료는 각 10 ㎕씩 주입 하였으며 한 시료 당 20분간 분석하였다. 분석 항목은 수박의 유리당 조성에서 가장 많은 비중을 차지하는 fructose, glucose, sucrose로 하였으며 수확 직후 미생물 처리구별 함량을 비교, 분석하였다(Table 2).

    5. 통계처리

    본 실험에서 수집한 데이터는 SPSS 통계처리 프로그램을 사용하였으며 평균 간의 유의 차는 Duncan 다중검정으로 비교하였고, 95% 수준에서 분석하였다.

    Ⅲ. 결과 및 고찰

    1. 시험 전․후 토양화학성 변화

    미생물 처리에 따른 토양화학성 변화를 조사하기 위하여 수확 직후의 토양성분을 분석 한 결과 유효인산은 무처리구 대비 미생물 처리구에서 유의하게 증가하였으며 미생물 2회 처리구와 5회 처리구 간의 차이는 없었다. 유기물은 시험 전에 비하여 모든 처리구에서 증 가하였으며 pH, EC는 유의적인 차이는 없었다. 치환성 양이온은 K, Ca는 유의적인 변화가 없었으나, Mg는 2회 처리구에서는 무처리구 대비 감소하였고 5회 처리구에서는 증가하는 경향을 보였다. Kluyvera 속 미생물은 난용성 인산을 가용화 균으로 촉진시키는 것으로 알 려져 있는데, Kluyvera sp. CL-2 균주처리 후 유효인산의 함량이 증가하였다는 Kwon 등 (2007)의 보고와 같이 본 실험에서도 유효인산 함량이 유의적으로 증가하였다(Table 3). Jang (2017)의 연구에 따르면 Kluyvera sp. CL-2 처리 40일 이후부터 토양의 유효인산이 감 소하였고, 사양토가 양토와 식양토보다 유효인산의 함량이 높게 나타났다고 보고하였는데 이는 처리시기 및 환경이 미생물의 활성을 좌우하는 중요한 요인이 됨을 시사하며, 향후 미생물의 활용도를 높이는 최적의 조건을 탐색하는 연구가 필요하다고 판단된다. 또한 실 험을 수행한 시설 재배지 토양의 유효인산이 처리 후 증가함으로서 과잉되는 결과를 보였 으므로 처리 전 토양의 화학성 및 생육환경도 충분히 고려할 필요가 있다고 판단된다.

    2. 수확기 품질특성 및 수량

    무처리구 대비 미생물 처리군에서 나타나는 특성을 조사하기 위하여 수확 직후 생육상 태를 측정하였다. 엽폭은 무처리구 대비 증가하는 경향을 보였으며 2회 처리구보다 5회 처 리구의 증가율이 더 높았다(Table 4). 미생물 처리구의 수량, 엽장, 과중, 과장, 과폭, 과피두 께는 무 처리구와 차이가 없었다. Lee 등(2014)은 Pseudomonas sp. G19를 배추에 1.0×108 cfu mL-1로 처리하였을 때 생체중량이 27% 증가하였으며, Kwon 등(2007)은 Bacillus subtillis S37-2를 배추에 8.7×105~8 cfu mL-1로 처리하였을 때 8.7×108 cfu mL-1로 처리 시 생체중 증가 량이 48.7%로 가장 높았다고 보고하였는데, 수박에 처리한 Kluyvera sp. CL-2 1.0×106 cfu mL-1보다 100배 이상 높은 농도였다. Moon 등(2013)은 삼채와 애기장대에 식물생장촉진미 생물 17종을 1.0×107 cfu mL-1로 처리하였을 때 두 식물의 생육촉진효과를 나타내는 미생물 이 서로 다르다고 보고하였으며 생육촉진효과가 식물마다 상호작용하는 미생물이 각 각 다 르게 존재하는 것을 시사하였다. 본 연구에서는 Kluyvera sp. CL-2 처리 시 수박의 영양생장 기에 엽폭이 증가하는 효과를 보였으나 생식생장기 생육 및 수량에는 변화가 없었는데, 미 생물처리에 의한 영향이 생육단계에 따라 다르게 나타나는 것으로 추론된다.

    3. 수확기 과육의 유리당 함량

    굴절당도계는 가용성 고형물에 대한 굴절률을 나타낸 것으로 당 이외의 성분이 함께 측 정되어 실제로 느끼는 단맛과 차이가 있다는 지적이 제기되어 왔으므로 본 연구의 당도는 유리당 함량으로 비교․분석하였다(Kim et al., 2003;Kim and Park, 2007). 수확 후 처리구별 유리당 함량을 분석한 결과 무처리구 대비 미생물 처리구에서 fructose와 glucose가 유의적 으로 증가하였으나, sucrose는 유의성은 없었으나 무처리구 보다는 증가하는 경향을 보였다 (Table 5). 이당류인 Sucrose가 가수분해되면 단당류인 fructose와 glucose로 분해되므로 본 연구에서의 fructose와 glucose의 증가는 sucrose의 분해에 의한 것으로 판단된다(Chung et al., 2006). Glucose 함량은 2회 처리구가 무처리구 대비 13.8% 증가하였고, 5회 처리구는 12.8% 증가하였으나 미생물처리 횟수 간의 차이는 없었다. Fructose함량의 경우 2회 처리가 무처리구 대비 14.6% 증가하였으며 5회 처리는 39.8% 더 높은 함량을 보여, 결과적으로 미 생물처리 횟수 증가에 따른 유의수준의 fructose 함량 증진 효과가 확인되었다. 수박의 당 함량에 대한 연구가 꾸준히 진행되어 왔으며 각각의 품종, 숙기, 재배시기 에 따라 유리당 함량과 조성이 모두 다르게 보고되었는데(Kim et al., 2013; Richmond et al., 1981; Sohn et al., 1996) 본 연구에서는 미생물 처리여부와 관계없이 sucrose함량이 가장 높게 검출되었다. 유리당 함량의 증가율은 fructose가 가장 높았는데, fructose가 단 맛이 가장 강하고, 당도 결 정에 주요한 작용을 한다는 Sohn 등(1996)의 연구결과와 같이, Kluyvera sp. CL-2 처리에 의 한 fructose의 증가는 수박의 당도 증가에 결정적인 요인이 되었을 것으로 판단된다. 또한 단당류의 생성 및 광합성의 당 대사에 인산의 관여가 필수적이므로 미생물 처리 후 토양 중 증가한 유효인산이 수박의 당 대사 과정에도 영향을 주었을 것이라 추론되며(Byun et al., 2014) 여러 효소의 작용과 연속적인 분해, 합성을 반복하는 복잡한 당 대사 기작에서 Kluyvera sp. CL-2가 어떤 경로와 방법으로 관여하는지에 대하여 구명하는 연구가 추가적으 로 진행되어야 할 것이다(Kim et al., 2007; Taiz and Zeiger, 2005). 결과적으로 Kluyvera sp. CL-2의 처리가 수박의 fructose와 glucose의 함량을 유의적으로 증가시킴으로서, 향후 당도 촉진제 역할을 대체할 소재로의 활용가능성이 있음을 시사한다.

    Ⅳ. 적 요

    농촌진흥청에서 개발한 유용미생물 Kluyvera sp. CL-2 처리효과를 검증하기 위하여 수박 에 미생물 배양액을 7일 간격으로 2회, 5회 관주처리하여 처리 전․후의 토양 이화학성 변 화를 관찰하였고, 또한 미생물 처리 후 수확기의 수박 생육특성 및 유리당 함량을 비교하 였다. Kluyvera sp. CL-2 배양액을 1.0×106 cfu mL-1로 7일 간격 본포에 2회, 5회 관주처리 한 결과, 산도와 Ca, Mg은 모든 처리구에서 감소하는 경향을 보였으며 유기물은 모든 처리구 에서 증가하였다. EC와 K는 유의적인 차이가 없었으며, 유효인산은 무처리구 대비 미생물 처리구에서 유의하게 증가하였다. 수확 직후의 수량, 엽장, 과중, 과장, 과폭, 과피두께는 미 생물 처리구와 무처리구 간의 차이가 없었으나, 과폭은 유의적으로 증가하여 2회 처리구는 11.6%, 5회 처리구는 26.2% 증가하였다. 수박의 수확기 유리당 함량을 분석한 결과 sucrose 는 모든 처리구에서 차이가 없었으나, fructose와 glucose의 함량은 무처리구 대비 미생물 처 리구에서 증가하는 것으로 나타났다. Glucose함량은 2회 처리구가 무처리구 대비 13.8%, 5 회 처리구는 12.8% 증가하여 미생물 처리횟수 간의 차이는 없었으나, fructose함량은 2회 처 리구 14.6%, 5회 처리구에서는 39.8% 증가하여 미생물처리 횟수 증가에 따른 유의수준의 fructose 함량 증진 효과가 확인되어 Kluyvera sp. CL-2의 처리가 수박의 당도를 향상시키는 경과를 보였다.

    Figure

    Table

    The chemical properties of soil used in the study

    Analytical conditions of HPLC for free sugar in watermelon (Citrullus vulgaris L.)

    The chemical properties of soil at harvesting stage

    Effect of Kluyvera sp. CL-2 on growth and yield of watermelon (Citrullus vulgaris L.)

    Content of free sugars in watermelon (Citrullus vulgaris L.) at harvesting stage

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