대기 중 CO2농도의 상승에 대한 배추의 광합성과 생장 반응

Abstract

본 연구는 대기 중 <TEX>$CO_2$</TEX> 농도의 증가가 배추(B. campestris subsp. napus var. pekinensis)의 광합성과 생리적 특성에 미치는 영향을 조사하여 미래의 대기중 <TEX>$CO_2$</TEX> 농도 증가로 인한 고랭지 배추의 생산성을 예측해 보고자 수행하였다. 대기 <TEX>$CO_2$</TEX> 농도를 달리하여 배추를 5주 동안 재배하였을 때, 지상부 생체량, 엽수, 엽면적, 엽장, 엽폭은 모두 대기 <TEX>$CO_2$</TEX> 농도 조건(<TEX>$400{\mu}mol{\cdot}mol^{-1}$</TEX>)에서 재배된 배추에서보다 고농도의 <TEX>$CO_2$</TEX> 조건(<TEX>$800{\mu}mol{\cdot}mol^{-1}$</TEX>)에서 재배된 배추에서 더 높게 나타났다. 그리고 증산률(E)이 다소 낮았지만, <TEX>$CO_2$</TEX> 고정률(A), 기공전도도(<TEX>$g_s$</TEX>)와 수분이용효율(WUE)도 고농도의 <TEX>$CO_2$</TEX>에서 높았다. 최대광합성률(<TEX>$A_{max}$</TEX>)은 대조구인 대기 중 <TEX>$CO_2$</TEX> 농도에서 보다 고농도의 <TEX>$CO_2$</TEX> 조건에서 2.2배 더 높았다. 광보상점(<TEX>$Q_{comp}$</TEX>)은 대조구에서보다 고농도의 <TEX>$CO_2$</TEX> 조건에서 다소 낮았다. 순양자수율(<TEX>${\varphi}$</TEX>)은 고농도의 <TEX>$CO_2$</TEX> 조건에서 재배된 배추에서 높았다. 그러나, <TEX>$CO_2$</TEX>반응곡선으로부터 얻은 광호흡률(<TEX>$R_p$</TEX>), 최대카르복실화속도(<TEX>$V_{cmax}$</TEX>), <TEX>$CO_2$</TEX> 보상점(CCP), 최대전자전달률(<TEX>$J_{max}$</TEX>), 탄소고정효율(ACE) 등은 <TEX>$CO_2$</TEX> 농도에 따라서 차이가 없거나 있더라도 미미하였다. 그리고, 광계II의 최대 광화학적 효율(<TEX>$F_v/F_m$</TEX>)과 잠재적 광합성능(<TEX>$F_v/F_o$</TEX>)이 <TEX>$CO_2$</TEX> 농도에 따라 유의한 차이를 보이지 않아 고농도 <TEX>$CO_2$</TEX> 조건이 고랭지 재배시 배추의 생육에 스트레스로 작용하지 않는 것으로 보인다. 배추의 광합성을 위한 최적 온도는 고농도 <TEX>$CO_2$</TEX>에서 <TEX>$2^{\circ}C$</TEX> 정도 더 높았으며, 최적온도 이상의 조건에서는 대기 <TEX>$CO_2$</TEX>와 고농도 <TEX>$CO_2$</TEX>에서 모두 <TEX>$CO_2$</TEX> 고정률은 감소하고 암호흡은 증가하는 양상을 보였다. 이상의 결과로부터 미래의 대기 중 <TEX>$CO_2$</TEX> 증가는 고랭지 재배시 배추의 생육에 있어서 스트레스 요인으로 작용하지는 않으며 수광량의 증가가 생산성을 향상시킬 것으로 보인다. The effects of elevated atmospheric <TEX>$CO_2$</TEX> on photosynthesis and growth of Chinese cabbage (Brassica campestris subsp. napus var. pekinensis) were investigated to predict productivity in highland cropping in an environment where <TEX>$CO_2$</TEX> levels are increasing. Vegetative growth, based on fresh weight of the aerial part, and leaf characteristics (number, area, length, and width) of Chinese cabbage grown for 5 weeks, increased significantly under elevated <TEX>$CO_2$</TEX> (<TEX>$800{\mu}mol{\cdot}mol^{-1}$</TEX>) compared to ambient <TEX>$CO_2$</TEX> (<TEX>$400{\mu}mol{\cdot}mol^{-1}$</TEX>). The photosynthetic rate (A), stomatal conductance (<TEX>$g_s$</TEX>), and water use efficiency (WUE) increased, although the transpiration rate (E) decreased, under elevated atmospheric <TEX>$CO_2$</TEX>. The photosynthetic light-response parameters, the maximum photosynthetic rate (<TEX>$A_{max}$</TEX>) and apparent quantum yield (<TEX>${\varphi}$</TEX>), were higher at elevated <TEX>$CO_2$</TEX> than at ambient <TEX>$CO_2$</TEX>, while the light compensation point (<TEX>$Q_{comp}$</TEX>) was lower at elevated <TEX>$CO_2$</TEX>. In particular, the maximum photosynthetic rate (<TEX>$A_{max}$</TEX>) was higher at elevated <TEX>$CO_2$</TEX> by 2.2-fold than at ambient <TEX>$CO_2$</TEX>. However, the photosynthetic <TEX>$CO_2$</TEX>-response parameters such as light respiration rate (<TEX>$R_p$</TEX>), maximum Rubisco carboxylation efficiency (<TEX>$V_{cmax}$</TEX>), and <TEX>$CO_2$</TEX> compensation point (CCP) were less responsive to elevated <TEX>$CO_2$</TEX> relative to the light-response parameters. The photochemical efficiency parameters (<TEX>$F_v/F_m$</TEX>, <TEX>$F_v/F_o$</TEX>) of PSII were not significantly affected by elevated <TEX>$CO_2$</TEX>, suggesting that elevated atmospheric <TEX>$CO_2$</TEX> will not reduce the photosynthetic efficiency of Chinese cabbage in highland cropping. The optimal temperature for photosynthesis shifted significantly by about <TEX>$2^{\circ}C$</TEX> under elevated <TEX>$CO_2$</TEX>. Above the optimal temperature, the photosynthetic rate (A) decreased and the dark respiration rate (<TEX>$R_d$</TEX>) increased as the temperature increased. These findings indicate that future increases in <TEX>$CO_2$</TEX> will favor the growth of Chinese cabbage on highland cropping, and its productivity will increase due to the increase in photosynthetic affinity for light rather than <TEX>$CO_2$</TEX>.