최근 들어 외래잡초인 핑크뮬리(Pink Muhly, Muhlenbergia capillaris)가 관상용으로 전국적으로 도입되어 무분별하게 재배되고 있어서 사회적 문제가 되고 있다. 핑크뮬리는 외떡잎식물(Monocots) 벼목(Poales) 벼과(Poaceae)에 속하는 식물로 미국의 건조한 서부지역이 원산지로 알려져 있고, 습한 기후, 더위, 가뭄을 잘 견디고, 월동이 가능하다. 여름에는 푸른 빛의 잎으로, 가을에는 분홍빛에서 자주빛의 화서가 아름답게 피기 때문에 관상조경용으로 전국의 지자체에서 관광 목적의 조경을 위해 대단위로 식재하였으나, 환경 위해성의 문제가 우려되고있는 외래식물이기도 하다. 본 연구에서 외래식물인 핑크뮬리가 생태계에 미치는 영향을 이해하고자 알렐로파시 효과를 검정하기 위한 실험을 수행하였다.
핑크뮬리 식물 시료는 2019년 10월 경기도 양주시 광사동 소재 나리농원에서 수집하였으며(Fig. 1), 수집 당시의 화서는 분홍색을 띄고 있었고, 종자결실기에 도달한 상태였다. 수집된 핑크뮬리 생체 시료는 4℃ Thermos®에 담아 실험실로 운반하였고 실험실 조건(낮/밤 21/19℃, 상대습도 50%)에서 건조하였다.
완전 건조된 핑크뮬리 시료를 6 mm 단위로 마쇄한 후, 100 g씩 취하여 methanol (MeOH) 2 L가 담겨 있는 5-L Erlenmeyer flask에 넣고 진탕기(100 rpm)에서 24시간 동안 추출한 후 농축하였다. 농축된 시료는 동결건조기(ILSHIN LAB, Seoul, Korea)로 건조하여 고형의 건조물을 얻었으며, 4oC의 시료 냉장고에 보관하면서 살초력 검정 시험에 사용하였다.
핑크뮬리 MeOH 추출물의 살초력을 판단하고자 실내 시험(in vitro seed bioassay)과 온실 시험(greenhouse experiment)을 수행하였다. 실내 시험은 핑크뮬리 MeOH 추출물을 증류수로 희석하여 10,000 μg mL-1의 저장 용액(stock solution)을 조제한 후, 이로부터 농도를 달리하는 처리액(working solution)을 제조하였다. 이후 각 농도의 처리액을 1 mL씩 분취하여 모래(sea sand, 10-20 mesh; DAEJUNG, Siheung, Korea) 1 g 위에 각각 5립의 유채 종자(Canola, Brassica napus L.)와 3립의 나팔꽃 종자(Morning glory, Ipomoea nil [L.] Roth)가 치상되어 있는 24-well tissue culture plate에 처리하였다. 모든 시험은 3 반복 수행하였으며, 온도 25℃, 습도 70%, 광도 250 μmol m-2 s-1 조건의 환경에서 생장시켰다. 나팔꽃 종자는 처리액 처리 3일 후, 유채 종자는 처리 5일 후, 유식물의 생체중 및 신초길이를 측정하여 시료에 대한 GR50값(식물의 생장을 50% 저해할 수 있는 약량 값)을 구하였다.
온실 시험은 대전 소재 ㈜목우연구소 온실에서 수행되었는데, 옥수수(Zea mays), 콩(Glycine max), 밀(Triticum aestivum), 벼(Oryza sativa)와 잡초인 물피(Echinochloa crus-galli var. echinata), 바랭이(Digitaria sanguinalis), 쥐꼬리뚝새풀(Alopecurus myosuroides), 호밀풀(Lolium perenne), 둥근잎유홍초(Quamoclit coccinea) 어저귀(Abutilon theophrasti), 털비름(Kochia scoparia), 도꼬마리(Xanthium strumarium)를 대상으로 살초력을 검정하였다. 먼저, 밭토양(sandy loam, Daejeon, Korea), 수도용상토(Bunong Horticulture Mix #2, Bunong Industry, Gyeongju, Korea), 원예용상토(Bunong rice nursery media, Bunong Industry, Gyeongju, Korea)가 1:1:1 (v/v/v) 비율로 담겨 있는 사각플라스크에 1 cm 깊이로 종자를 파종하고 낮 25-30℃, 밤 15-20℃가 유지되는 온실에서 생육하였다. 이후, 핑크뮬리 MeOH 추출물을 50% acetone 수용액(0.1% Tween 20 첨가)으로 용해하여 0.63, 1.25, 2.50, 5.00, 10.00 kg ai ha-1 약량으로 조제하였다. 토양처리구는 약제 처리 하루 전 종자를 파종한 다음에 처리하였고, 경엽처리구는 파종 2-3주 후에 처리하였다. 처리된 포트는 온실에서 생육하여 약제 처리 후 7, 14일에 달관평가(0-10; 0: 효과없음, 10: 완전고사)를 실시하였다. 온실 시험도 3반복으로 진행하였으며, 달관평가 후 사진촬영을 병행하여 약해 및 약효의 증상을 검증하였다.
MeOH 추출액을 0, 2,000, 4,000, 6,000, 8,000, 10,000 μg mL-1의 농도로 제조하여 실내 실험(in vitro seed bioassay)에 이용하였다. 각 농도액 처리 5일 후, 유채 종자의 생체중과 신초길이를 측정한 결과, 무처리구 유채 유식물 신초의 평균 길이와 표준오차는 0.93±0.14 cm이었던 반면, 핑크뮬리 MeOH 추출물 2,000, 4,000, 6,000, 8,000, 10,000 μg mL-1 처리시 유채 유식물의 신초길이는 무처리구 신초길이에 비하여 각각 77.7, 64.4, 16.6, 19.3, 11.8%로 감소한 것으로 나타났다. 핑크뮬리 MeOH 추출물 처리는 유채 유식물의 생체중도 억제였는데, 핑크뮬리 MeOH 추출물을 2,000, 4,000, 6,000, 8,000, 10,000 μg mL-1로 처리하였을 때 유채 유식물의 생체중은 무처리구에 비하여 63.5, 58.2, 43.9, 46.0, 38.4% 감소하였다. 이러한 결과를 바탕으로, 핑크뮬리 MeOH 추출물이 유채 식물의 생장을 50% 억제하는 GR50값을 계산한 결과, 신초길이의 경우 4,147 μg mL-1이었고, 생체중의 경우에는 4,997 μg mL-1로 나타났다. 본 연구의 결과로부터 핑크뮬리 MeOH 추출물에는 유채 유식물의 생장을 억제하는 생리활성 화합물이 존재하는 것으로 판단되었다.
각 농도액 처리 3일 후, 나팔꽃 종자의 생체중과 신초길이를 측정한 결과 생체중에 대한 GR50값은 >10,000 μg mL-1이었고, 신초길이에 대한 GR50값은 1,627 μg mL-1로 나타났는데, 본 연구의 결과로 유채와 나팔꽃 유식물의 생체중과 신초길이에 대한 GR50값은 두 식물 모두 생체중보다는 신초길이가 더 민감한 것으로 나타났다.
핑크뮬리 MeOH 추출물을 토양에 처리하고 작물과 잡초의 생장에 미치는 영향을 연구한 결과 핑크뮬리 MeOH 추출물은 대상 작물과 잡초에 어떠한 영향도 미치지 않았다. 본 연구에서 처리 약량을 최대 10 kg ha-1까지 처리했음에도 불구하고 식물에 약해 또는 작물에 약효가 발현되지 않았는데, 그 이유로는 MeOH 추출물이 토양에 흡착되어 작물로의 흡수가 이루어지지 않았거나, 비록 작물로 흡수가 되었더라도 in vitro에서 확인되었던 제초활성물질이 작물에 약해를 나타내거나 잡초류에 약효를 나타내지 못할 정도의 함량이나 특성을 가졌을 것이라 사료되었다.
핑크뮬리 5 kg ha-1 이하의 약량을 작물과 잡초의 경엽에 처리했을 때, 토양처리 결과와 마찬가지로 어떠한 약효나 약해도 발견되지 않았으나(Fig. 2), 5 kg ha-1 처리구의 물피에서는 생육이 억제되었을뿐만 아니라 잎이 기형적으로 꼬이는 twisting 증상이 관찰되었다(Fig. 3). 이러한 증상은 저농도의 옥신 혹은 옥신 처리 제초제에서 발현되는 증상과 유사하였지만 이와 관련해서는 좀 더 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
본 연구에서는 국내로 무분별하게 도입되어 식재된 외래식물 핑크뮬리 식물을 메탄올로 추출하고, 추출물이 다른 식물의 생장에 영향을 미치는지를 조사하였다. 핑크뮬리는 전국의 많은 지자체에서 관상용으로 식재하여 관리하고 있지만, 외래식물이라는 특성 때문에 언제든지 주변으로 유출되어 생태계를 교란할 수 있다. in vitro 실험에서 핑크뮬리 MeOH 추출물은 유채와 나팔꽃의 생장을 억제하였는데, 이 결과로부터 핑크뮬리 식물의 추출물은 알렐로파시 효과를 갖는 것으로 사료되었다. 외래식물인 핑크뮬리가 우리나라 생태계에 정착할 경우 국내 자생식물들과 경쟁하여 우점종이 될 수도 있을 것이다. 외래식물이 국내의 생태계에서 확산되고 있는 생태계 교란 식물인 돼지풀(Kim et al., 2019), 단풍잎돼지풀(Choe et al., 2007; Kim and Choe, 2008), 환삼덩굴(Oh et al., 2008), 가시박(Moon et al., 2008) 등과 같은 외래식물들도 초기에는 큰 문제가 되지 않았으나, 국내 자생식물과 경쟁을 하여 우점종이 되었으므로 핑크뮬리의 경우도 그 가능성에 대한 철저한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
알렐로파시 화합물을 이용하여 제초제를 만들기 위한 노력이 전세계적으로 이루어지고 있는데, 그 한 예로 호주의 자생식물 Callistemon citrinus에 함유된 leptospermone의 화학구조를 변형시켜 mesotrione을 개발한 것을 들 수 있다(Beaudegnies et al., 2009). 본 연구에서 핑크뮬리의 경우에도 식물의 추출물을 이용하여 그 가능성을 조사하였으나, 토양 처리된 추출물 시험구에서는 별다른 제초 활성이 전혀 발견되지 않았고, 또한 경엽처리된 시험에서도 물피를 제외한 다른 식물의 생육이 억제되는 효과가 발견되지 않았다. 따라서 핑크뮬리에는 살초활성을 나타내는 알렐로파시 화합물이 함유 되어있지 않은 것으로 판단되었다.
외래식물의 침입으로 인한 영향은 생태계에 다각도로 존재한다. 일부 외래식물은 생태계, 특히 생물다양성을 심각하게 훼손하는 경우도 있으며, 인축의 건강에 대한 악영향을 미치기도 한다. 따라서, 향후 국내로 도입되는 외래식물에 대한 알렐로파시를 비롯한 다양한 생태계 영향에 대해 과학적이고 정량적인 평가를 통해 그 위해성을 파악하고, 이를 토대로 관리대상 외래식물과 도입 및 활용 가능한 외래식물에 대한 이해와 관리가 필요할 것이라 판단되었다.
요 약
전국의 많은 지방자치단체에서 외래식물인 핑크뮬리를 무분별하게 도입하여 관상용으로 식재하고 있다. 핑크뮬리는 자생식물과 경쟁하여 국내 생태계에 언제든지 영향을 미칠 수 있지만 이에 대한 연구는 전무한 형편이다. 본 연구에서 저자들은 외래식물인 핑크뮬리가 식물의 생장에 어떠한 영향을 미치는지 조사하였다. 개화기의 핑크뮬리 식물을 채취하여 메탄올 추출물을 얻고 in vitro에서 seed bioassay, 온실 조건에서 토양 처리 및 경엽 처리 실험을 수행하였다. 핑크뮬리 메탄올 추출물의 유채식물에 대한 뿌리 길이 및 생체중에 대한 GR50 값은 각각 4,147 및 4,997 μg mL-1 이었는데, 이와 같은 결과는 핑크뮬리가 타감작용을 나타낼 가능성이 존재한다는 것을 나타낸다. 10 종의 식물종자가 파종된 토양에 핑크뮬리 추출물(10 kg ha-1)을 살포한 결과 어떠한 식물생장 저하도 관찰되지 않았다. 그리고 핑크뮬리 추출물(10 kg ha-1)을 식물의 경엽에 살포한 경우에도, 피에서의 미약한 피해를 제외하고는, 대부분의 식물에서는 생장억제나 약해가 발견되지 않았다. 결론적으로 외래식물인 핑크뮬리는 in vitro에서는 알렐로파시 효과를 나타내었만 in vivo에서는 다른 식물의 생장에 영향을 주지는 않았다.
주요어: 식물생장억제효과, 알렐로파시, 핑크뮬리
Acknowledgment
This work was supported by the Korean Ministry of Environment (Grant no. 20180227002). Authors thanks to Mr. Min Rae Cho, at Yangju Agriculture Technology Center for his support of sampling Pink Muhley plant.
Author Information
Minji Hong, https://orcid.org/0000-0002-1310-5472
Sela Bo, Kangwon National University, M.Sc. student
Hyejeong Jang, Kangwon National University, M.Sc. student
Nam-kyu Cho, Moghu Research Center Ltd., Senior
Ki Hwan Hwang, Moghu Research Center Ltd., Vice President
Sowndhrararjan Kandhasamy, https://orcid.org/0000-0002-8638-6025
Sun Hee Hong, https://orcid.org/0000-0001-7581-0604
Yong Ho Lee, Hankyong National University, Post-doctoral Fellow
Songmun Kim, https://orcid. org/0000-0002-8032-7569
