서 론
잔디(turfgrass)는 골프나 축구, 야구 같은 스포츠 시설에서, 옥상녹화나 벽면 녹화 혹은 마당 같은 주거용 및 상업용 지역에서, 공원이나 산림훼손지, 학교운동장 등과 같은 공공 지자체에서 다양한 용도로 매우 광범위하게 사용되고 있으며, 사용의 범위가 확대됨에 따라 잔디가 식재 되는 면적은 더욱 늘어날 것으로 생각된다(Bae et al., 2013; Wang et al., 2022).
그 중 천연잔디 학교운동장은 학생들에게 교과활동 시 신체적, 정서적으로 긍정적인 영향을 미치고 교직원과 학부모, 지역 주민까지도 이용이 가능한 지역시설의 하나로 중요한 지역 공동 공간이기 때문에 그 수가 증가하는 추세에 있다(Chang et al., 2021; Lavorgna et al., 2011).
천연잔디 학교운동장은 안전하고 자연친화적 공간 제공 및 환경조절 기능의 우수 등 다양한 장점을 가지고 있지만 잔디의 품질이 경기력에 영향을 미치지 않기 때문에 골프장과 같은 전문 관리 인력이 없고 예산이 넉넉하지 않기 때문에 잔디 관리에 어려움을 겪고 있다(Chang, 2019; Chang et a1., 2021).
따라서 학교에서 천연잔디 운동장을 조성하는 경우 저 관리로 기능적이고 심미적 기능을 제공할 수 있어야 하는데 이를 위해서는 여러 스트레스 상황에서도 내환경성이 우수하여 잔디의 품질이 유지되는 한국잔디 신품종이 개발되어야 한다(Joo et al., 1997).
잔디의 품질 평가에는 다양한 방법이 존재하는데 가장 흔히 사용되는 방법은 NTEP (National Turfgrass Evaluation Procedure) 평가 기준을 사용한다. 하지만 NTEP 평가는 평가자의 경험이나 훈련 정도에 따라 결과가 달라지고, 여러 잔디를 동시에 평가하는데 한계가 있어 객관적인 평가가 수행되기 힘들다.
보다 객관적이지만 간단하고 빠른 잔디 품질의 평가를 위해 간단한 형태적 평가와 식물에서 여러 스트레스 정도를 나타내는 대표적인 지표물질인 지질과산화물(malondialdehyde, MDA)로 생리적 평가를, 이미지를 이용한 녹색 엽면적 평가를 실시하였다.
본 연구는 2022년에 교배된 품종의 답압 저항성 평가를 위해 형태적 분석, 생리적 분석과 더불어 RGB 이미지 분석을 통해 잔디의 생육 특성을 정량적으로 분석하여 보다 쉽고 간편하게 내답압성이 우수한 잔디 교배 후대를 선발하기 위해 시행되었다.
재료 및 방법
잔디 식재 및 관리
본 연구는 경상남도 사천시 곤명면 조매동길 75 (35°6'14.54''N, 127°58'13.45''E)에 위치한 국립산림과학원 산림바이오소재연구소 잔디유전자원보존원에서 수행되었다. 2022년도 인공 교배한 교배조합 126개체 중 지상부 개수와 녹색지수가 높은 23개체를 최종 선발하여 실험하였다. 2024년 09월 19일에 9 cm × 9 cm × 9 cm 화분에 마사토를 채운 뒤 최종 선발된 23개체를 식재하였다. 생육 촉진을 위해 잔디는 온실에서 재배하였으며, 답압 처리 기간의 온실 환경 조건은 평균온도 25.74 ± 4.18℃, 상대습도 77.33 ± 15.67% 였다.
답압 스트레스 처리
무게 40 kg, 직경 21.6 cm, 길이 110 cm, 원형 돌기 507개가 부착된 알루미늄 소재 마모용 답압 기계를 제작하고, 일정한 힘으로 구동할 수 있도록 모터를 부착해서 정해진 구획을 왕복할 수 있게 누르는 압력과 함께 마모 기기를 이용하여 마모 스트레스를 처리하였다. 마모 스트레스는 9월 23일부터 5일간 하루 3시간, 시간당 2,400 J 의 운동에너지를 가하였으며, 5일간 누적된 답압은 총 15시간으로, 운동에너지는 총 36,000 J을 답압 수준으로 처리한 후 답압 스트레스 평가 지표로 MDA 함량과 비파괴적으로 평가하기 위해 초장, 최하위 잎높이, 지상부 밀도, 녹색 엽면적 평가(number of green leaf pixels)를 실시하였다.
잔디 생육 분석
답압에 의한 마모 스트레스 누적에 따른 잔디 지상부 형태적 특성을 비교하기 위해 잔디 초장(plant height), 최하위 잎높이(lowest leaf height)와 지상부 개수(number of shoots)을 측정하였다.
초장은 지면으로부터 가장 높게 자란 잎의 높이까지 측정하였고, 최하위 잎높이는 지면으로부터 줄기 첫째 붙은 잎의 기부까지의 높이를 측정하였다(Choi et al., 2012). 지상부 밀도는 5cm × 5cm 크기의 사각틀을 이용하여 사각틀 내의 지상부의 개수를 측정하였다. 상기 모든 형태적 생육 특성 조사는 3반복(n=3)조사하였다.
MDA 분석
답압으로 인한 마모 스트레스를 정량화하기 위해 MDA 분석을 실시하였다. MDA 함량 분석은 Health and Pacher가 제시한 방법에 준하여, 마모 스트레스 처리 직후 0.1 g을 측량하고, 20% 트리클로로아세트산(Trichloroacetic acid, TCA) 2.5 mL에 침지시켰다. 침지된 샘플은 분쇄기(Schwingmühle Tissue Lyser, Retsch, Haan, Germany)를 통해 완전히 균질화 시킨 후 원심분리기(Centrifuge 5810R, Eppendorf, Hamburg, Germany)에 넣어 3,000 rpm, 10분 동안 가동하였다. 원심분리 후 균질화된 식물체 잔사를 제외하고 2 mL의 TCA 용액을 추출하였다. 해리된 MDA 측정을 위해 추출된 용액에 2 mL의 티어바르비툴산(Thiobarbituric acid, TBA)를 첨가한 뒤 80℃ 항온 수조에서 15분간 가열하여 반응을 유도하였다. 반응된 MDA-TBA 용액을 분광광도계(Multiskan Skyhigh, Thermo Fisher scientific, Massachusetts Waltham, USA)를 통해 450 nm (A450), 532 nm (A532), 600 nm (A600)의 흡광도를 측정하였다. 각 파장 흡광도를 기반으로 아래 공식을 통해 MDA 함량을 추정하였다(Lee et al., 2011).
MDA (nmol·g-1) = 6.45×(A532-A600)-0.56×A450
RGB 분석
답압에 의한 마모 스트레스 누적에 따른 식물 지상부 형태형성 요인을 기존의 주관적인 NTEP 평가보다 더 객관적인 수치로 비교 분석하고자 하여 RGB 이미지를 이용하였다. 아크릴 상자를 제작하여 카메라 촬영 높이를 고정하여 이미지 분석에 외부 요인이 미치는 영향을 최소화하였다. 아크릴 상자는 40 cm (W) × 50 cm (D) × 60 cm (H) 크기로 제작되었다. 각 이미지는 답압으로 인한 마모 스트레스 직후, 마모 스트레스 후 1주차, 그리고 2주차에 촬영되었으며, RGB 이미지는 잔디의 녹색 잎이 프로그램에 쉽게 인식되도록 Photoshop 프로그램(Adobe systems Inc., San Jose, CA, USA)에서 원본 이미지를 색반전한 후, 색조, 채도, 밝기를 일괄적으로 변환한 뒤 Python 프로그램(Version 3.8, Python software Foundation, Beaverton, OR, USA)으로 녹색 픽셀수를 분석하였다.
답압으로 인한 마모 스트레스 이후 잔디가 회복되는 정도를 알아보기 위해 내답압성 실험이 끝난 잔디의 지상부를 답압 후 2주차까지 동일한 방법으로 촬영하여 분석하였다.
통계분석
통계분석은 SAS 프로그램(SAS 9.4, SAS Institute Inc., Cary, North Carolina, USA)을 이용하여 분산분석(Analysis of variance, ANOVA)을 하였고, 평균 간 비교는 Tukey' HSD를 통해 5% 유의수준에서 각 처리 간 유의성을 검증하였다. 각 요인 별 상관분석은 Pyrthon 프로그램을 이용해 분석하였다.
결과 및 고찰
우리나라가 원산지인 한국잔디(Zoysia spp.)의 육종을 위하여 2022년 선발된 23개체를 답압 스트레스 처리한 후 형태적 조사와 더불어 스트레스 지표인 지질과산화 정도를 말론디알데하이드(MDA, malondialdehyde) 함량을 분석하여 내성평가를 수행하였다. 또한, 비파괴적이고 신속하게 잔디 평가가 가능한 녹색 엽면적 평가(number of green leaf pixels)를 실시하였다.
형태적, 생리적 조사와 더불어 이미지 분석을 실시한 결과 답압 후 전체적인 생육 상태가 현저하게 낮아졌고(Table 1), 지질과산화 함량은 낮아졌으며, 녹색 엽면적 지수는 낮아졌다(Fig. 1, 2). 이후 녹색 엽면적 지수는 소폭 회복세를 보였으나, 갑자기 추워진 기온으로 인한 저온 스트레스를 받아 다시 다소 감소하였고 이는 육안으로도 확인이 가능했다(Fig. 3). 형태적 평가의 두 항목 이상 상위 30%를 보이는 개체는 22Z-054, 22Z-071, 22Z-073, 22Z-109였다. 그리고 스트레스를 받으면 수치가 높아지고, 내환경성이 높을수록 수치가 낮은 MDA 함량 하위 30%를 보인 개체는 22Z-018, 22Z-022, 22Z027, 22Z-029, 22Z-130, 22Z-134였다. 답압 스트레스 조건에서 형태적, 생리적 측정한 값들 간에 상관성이 크지 않았고, 동일한 개체에서도 높은 수치의 차이를 보였는데 이는 교배 후대 잔디의 생육기간이 길지 않았고 반복이 충분하지 않아 추후 또 다른 지표들의 탐색이 필요할 것으로 생각된다. 녹색 엽면적 지수는 상위 30%를 선발했을 때 22Z-017, 22Z027, 22Z-033, 22Z-042, 22Z-054, 22Z-057이 선발되었는데 상관성이 크지 않지만, 형태적, 생리적 평가 항목에서도 답압 저항성을 보인 22Z-027, 22Z-054가 역시 RGB 이미지 분석에서도 우수했다.
Table 1
Effect of traffic stress on the growth measurements of Zoysiagrass hybrids after traffic treatment. Treatments were as follows; control (no wear treatment), wear treatment (The compaction kinetic energy was 2,400J, and it provide for 3 hr per day during 5 days.).
Fig. 1
Effect of traffic stress on the Malondialdehyde content of Zoysiagrass hybrids after wear treatment. Treatments were as follows; control (no wear treatment), wear treatment (The compaction kinetic energy was 2,400J, and it provide for 3 hr per day during 5 days.). Error bars indicate standard deviation.
Fig. 2
Effect of traffic stress on the No. of green leaf pixels of Zoysiagrass hybrids after wear treatment. Treatments were as follows; control (no wear treatment), wear treatment (The compaction kinetic energy was 2,400J, and it provide for 3 hr per day during 5 days.). Error bars indicate standard deviation.
Fig. 3
Effect of traffic stress on the image (original & RGB) of Zoysiagrass hybrids after wear treatment. Treatments were as follows; control (no wear treatment), wear treatment (The compaction kinetic energy was 2,400J, and it provide for 3 hr per day during 5 days.). Error bars indicate standard deviation.
답압 후 지상부 개수와 녹색 엽면적 지수의 상관계수는 r=0.3526으로 정의 상관관계를 보였는데 다른 지표들에 비해 가장 직접적 연관이 있기 때문이라고 생각된다(Fig. 4).
그리고 본 연구에서는 과산화지질 함량이 녹색 엽면적 지수와 아주 낮은 정의 상관관계(r2=0.0631)을 보였지만, 타 연구에서는 답압으로 인한 마모 스트레스로 인해 피복 밀도가 줄어들었으며 녹색 픽셀 값이 직관적으로 줄어들어 부의 상관관계를 보였다고 보고 되었다(Jeong et al., 2023).
Bae et al.가 MDA 함량이 내염성 및 내건성 저항성 품종 선발에 한계가 있다고 언급한 것처럼 녹색 엽면적 지수나 MDA 함량만으로는 답압 저항성 교배후배 계통 선발을 하기에는 어려움이 있다고 생각된다.
차년도 온실과 화분 식재 환경이 아닌 외부 포장에서의 반복실험으로 내답압성이 우수한 개체의 선발에 신뢰도를 높일 필요성이 있고, 평가지표 간의 상관도가 높지 않아 추가적인 평가지표가 필요할 것으로 생각된다.
요약
잔디는 전세계 거주 지역에서 가정용 정원, 운동장 및 골프장, 공원 및 레크리에이션 장소, 도로변 식생에 활용된다. 저관리로 고품질을 유지할 수 있도록 비생물적(가뭄, 더위, 추위, 염분) 및 생물학적(질병 및 곤충) 스트레스 내성이 향상된 잔디 품종을 개발하는 데 꾸준히 요구된다. 본 연구에서는 학교 운동장에 적합한 답압 저항성이 높은 잔디를 선택하기 위해 2022년에 교배된 한국잔디의 품질 평가를 실시했다.
잔디 품질을 보다 빠르고 정량적으로 평가하기 위해 잔디 지상부의 형태학적 평가, 과산화지질 함량 분석을 통한 생리적 평가, RGB 이미지 분석을 실시하였다.
교배된 잔디의 품질 평가 결과 답압 후 모든 잔디 품종에서 생육 상태가 현저하게 낮아졌고, 답압 후 1주일 후 소폭 회복세를 보였으나, 2주 후 급격한 저온으로 인한 스트레스로 다소 생육이 저하되었다.
답압 후 지상부 개수와 녹색 엽면적 지수의 상관계수는 정의 상관관계를 보였는데 다른 지표들에 비해 가장 직접적 연관이 있기 때문이라고 생각된다.
과산화지질 함량과 녹색 엽면적 지수가 본 연구에서는 아주 낮은 정의 상관관계를 보였는데 타 연구에서는 부의 상관관계를 보였다.
녹색 엽면적 지수나 MDA 함량만으로는 답압 저항성 교배후배 계통 선발을 하기에는 어려움이 있으며, 우수한 내답압성 품종 선발에 신뢰도를 높이기 위해 추가적인 평가지표가 필요하다고 생각된다.
한국에서는 토종 잔디 유전자원에 대한 연구가 늦게 시작되었지만, 우리의 주된 과제는 잔디 자원에 대한 심층적인 연구와 응용을 강화하고, 새로운 잔디 품종의 선발 및 육종 속도를 가속화하는 것이다.
Acknowledgement
This research was funded by the Forest Biomaterial Research Center, National Institute of Forest Science (Project No. FG0900- 2020-01).
Authors Information
Eun Seol Jeong, Forest Biomaterials Research Center, National Institute of Forest Science, Postmaster researcher
Dong Hee Kim, Forest Biomaterials Research Center, National Institute of Forest Science, Bachelor researcher
Jun Hyuck Yoon, Forest Biomaterials Research Center, National Institute of Forest Science, Researcher
Jin Joong Kim, Forest Biomaterials Research Center, National Institute of Forest Science, Postmaster researcher
Eun Ji Bae, Forest Biomaterials Research Center, National Institute of Forest Science, Researcher
Eun Ji Bae, https://orcid.org/0000-0003- 4597-8873
Eun Seol Jeong, https://orcid.org/0000-0003-4644-8102
