기여자

식물의 비생물적 스트레스: 올바른 방법으로 평가하는 방법

식물 연구자는 최고의 품종을 선택하거나, 비생물적 스트레스 내성을 이해하거나, 질병 저항성을 연구하거나, 기후 회복력을 파악하는 등 작물의 성과를 효과적으로 평가해야 합니다. 하지만 날씨 데이터만 측정하고 있다면 핵심 성과 지표를 놓치고 있을 수 있습니다. 이 글과 아래 동영상에서는 중요하지만 종종 간과되는 지표인 토양 수분 잠재력에 대해 설명합니다. 수분 잠재력은 식물의 가뭄 내성을 결정할 때 실제 가뭄 조건을 평가할 수 있는 유일한 방법임에도 불구하고 비생물적 스트레스 연구에서 식물 연구자들은 이를 제대로 활용하지 않습니다. 수분 잠재력이 무엇이며 식물 연구의 품질을 향상시킬 수 있는 방법에 대해 알아보세요.

식물 육종의 정량적 유전학: 더 나은 데이터가 필요한 이유

식물 개체군을 연구해 본 적이 있다면, 유전과 환경이 관찰 가능한 표현형에 미치는 영향을 나타내는 그림 1의 단순화된 방정식에 익숙하실 것입니다.

이 방정식은 관찰된 표현형(식물 키, 수확량, 알맹이 색깔 등)을 유전자형(식물의 기본 유전)의 영향과 환경의 영향(강우량, 일평균 기온 등)으로 분류합니다. 이 방정식을 통해 연구의 품질은 수집하는 환경 데이터의 종류에 따라 직접적으로 달라진다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 올바른 유형의 데이터를 측정하지 않으면 전체 연구의 정확성이 저하될 수 있습니다.

수분 잠재력: 식물의 수분 스트레스 이해의 비밀

가뭄 연구는 재현하거나 정량화하거나 설계하기 어려운 것으로 악명이 높습니다. 가뭄의 시기, 강도, 지속 기간에 대해 예측할 수 있는 것이 없고, 토양 유형이 다른 여러 지역을 비교하기가 어렵기 때문입니다. 또한 강수량이나 체적 수분 함량만으로는 토양에서 발생하는 가뭄 상태를 적절하게 설명할 수 없다는 것도 잘 알고 있습니다. 토양 수분 잠재력은 가뭄에 대한 정량적 평가를 할 수 있고 현장과 시간 경과에 따른 결과를 쉽게 비교할 수 있는 방법을 제공하기 때문에 식물 연구에서 가뭄 스트레스를 정량화하는 데 필수적인 도구입니다. 그 이유를 자세히 살펴보겠습니다.

토양에 대해 생각할 때는 보통 식물의 성장과 관련된 맥락에서 생각합니다. 토양은 영양분 가용성, 잠재적 질병 압력, 뿌리 성장, 물 가용성 등을 통해 식물 성장에 영향을 미친다는 것을 알고 있습니다.

많은 연구자들은 체적 수분 함량을 측정하는 기존의 토양 수분 센서로 식물의 수분 가용성을 파악할 수 있다고 생각합니다.

그러나 수분 함량 센서로 가뭄 스트레스의 특성을 파악하거나 작물의 물 사용 효율을 이해하거나 식물의 비생물학적 스트레스 내성을 연구하려는 경우 잘못된 매개 변수를 측정하고 있는 것입니다. 수분 함량은 토양에 얼마나 많은 물이 있는지만 알려줍니다. 식물이 그 물을 사용할 수 있는지 여부는 알 수 없습니다. 이 짧은 동영상을 통해 그 이유를 알아보세요.

비생물학적 스트레스에 대한 이해: 수분 함량보다 수분 잠재력이 더 나은 이유에 대해 자세히 살펴보기

체적 수분 함량 데이터를 사용하여 비생물적 스트레스를 정량화할 때 발생하는 한 가지 문제는 식물의 맥락에서 수분 가용성에 대한 정보를 보간하려면 토양 유형과 질감을 이해해야 한다는 점입니다. 여러 사이트에 걸쳐 토양 유형이 다른 경우 비교가 어렵습니다. 반면에 토양 수분 잠재력은 물 가용성을 직접적으로 평가합니다. 즉, 이미 토양의 질감을 고려하고 있다는 뜻입니다. 수분 잠재력을 측정하면 추가 분석이나 토양별 보정 없이도 여러 사이트와 시간에 걸쳐 직접 비교할 수 있는 측정값을 얻을 수 있습니다.

체적 수분 함량을 사용하여 가뭄 스트레스를 나타내는 또 다른 문제는 수분 함량이 단지 양에 불과하다는 것입니다. 토양에 얼마나 많은 물이 추가되었는지(또는 토양에서 고갈되었는지)를 알려줍니다. 하지만 식물이 그 물을 얼마나 이용할 수 있는지, 또는 그 물에 접근하기 위해 얼마나 많은 에너지가 필요한지는 알려주지 못합니다. 반면에 수분 잠재력은 토양에 있는 물의 에너지와 식물이 얼마나 많은 토양 물을 사용할 수 있는지를 표시하여 식물이 편안하거나 스트레스를 받는지 알려줍니다. 그렇기 때문에 식물이 실제 가뭄 상태를 겪고 있는지 알고 싶을 때 수분 함량보다 수분 전위가 훨씬 더 유용한 측정치입니다. 아래 동영상에서 어떻게 작동하는지 알아보세요.

토양 수분 잠재력의 정의가 복잡하고 이해하기 어렵다는 이유로 토양 수분 잠재력 측정을 기피하는 사람들도 있습니다. 하지만 토양 수분 잠재력을 이해하지 못해도 효과적으로 사용할 수 있습니다. 수분 잠재력은 식물을 위한 일종의 수온계라고 생각하면 됩니다. 집의 온도 조절기를 보고 22℃(72℉)를 보고 "인간으로서 이 정도면 쾌적하다"라고 생각할 수 있는 것처럼, 토양 수분 전위 데이터를 보고 토양에 있는 물의 양이 식물에게 쾌적한지 여부를 이해할 수 있습니다. 아래 동영상에서 그 이유를 설명합니다.

그림 4는 식물을 위한 일종의 '쾌적 온도계'로서 수전위를 생각할 수 있는 방법을 보여줍니다. 수분 전위에 대한 kPa 값은 항상 음수 값으로 표시됩니다. kPa에 대해 생각할 수 있는 한 가지 방법은 값이 음수일수록 토양이 건조하다는 것입니다. 0 값은 완전 포화 범위에 속하며, -1000 kPa 이하는 영구 시들음 지점에 도달하기 시작하는 값입니다.

그림 4의 하단에서 옥수수는 생육 기간 동안 -50kPa 범위의 토양을 선호한다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 익는 동안에는 -800~-1200 kPa 범위의 토양을 선호하는데, 이는 상당히 건조한 상태입니다.

그림 4의 상단에서 감자는 약 -30~-50kPa의 더 좁은 창을 선호한다는 것을 알 수 있습니다.

수분 잠재력 데이터는 가뭄 스트레스를 어떻게 나타낼 수 있나요?

다음 두 그래프는 수분 포텐셜 데이터를 통해 식물의 수분 스트레스를 보다 정확하게 파악할 수 있는 방법을 설명합니다. 그림 5는 잔디의 체적 수분 함량 데이터를 보여줍니다.

시간이 지남에 따라 관개 또는 강수량이 급증하는 것을 주목하세요. 토양 유형에 대한 컨텍스트가 없으면 물의 가용성이나 잔디밭의 토양이 잔디에 얼마나 편안한지에 대한 결론을 내리기 어렵습니다.

그림 6에서는 물 잠재력 데이터를 추가하여 식물이 최적의 물 가용성 범위에 있는지 훨씬 쉽게 확인할 수 있습니다.

이 그래프를 보면 시즌 초반에는 관개를 과도하게 적용했음을 알 수 있습니다. 7월경에는 관개 빈도를 줄여 토양이 건조해져 최적의 -30~-50kPa 범위에 가까워졌습니다.

8월 말과 9월 초에는 관개 이벤트 사이에 너무 많은 시간이 지나기 시작하여 잔디에 심각한 가뭄 스트레스를 주는 것을 볼 수 있습니다. 9월 13일 전후의 수분 함량 하락은 그 전후의 수분 함량 하락과 크게 다르지 않습니다. 수전위 데이터를 확인해야만 잔디가 영구적인 시들음 지점까지 갈 수 있는 최적의 kPa 범위에서 급격히 떨어지는 것을 알 수 있습니다. 데이터 이해에 대한 자세한 내용은 토양 수분 데이터 해석 방법 웨비나를 시청하세요.

비생물학적 스트레스 연구에서 물 잠재력의 몇 가지 제한점

수분 잠재력은 다른 모든 것과 마찬가지로 식물의 가뭄 내성을 판단하는 데 사용할 때 한계가 있습니다. 고려해야 할 세 가지 사항이 있습니다:

1. 수분 잠재력은 물을 언제 뿌려야 하는지 알려주지만, 얼마나 많은 물을 뿌려야 하는지 정량적으로 알려주지는 못합니다. 물 균형 정보를 고려하지 않는 건조지 연구를 실행하는 경우에는 문제가 되지 않습니다. 그러나 시스템에 유입되는 물의 양을 알고 싶거나 시스템에 추가해야 하는 물의 양을 알고 싶다면 체적 수분 함량을 추가해야 합니다.
2. 수분 전위 센서는 설치 후 조정하는 데 최대 하루가 걸릴 수 있으므로 현장 점검에는 적합하지 않습니다. 센서가 토양과 동일한 속도로 반응하기까지 시간이 걸리기 때문입니다.
3. 그동안 수자원 잠재력은 연구자들이 이 데이터를 수집할 수 있는 적절한 도구가 없었기 때문에 제대로 활용되지 못했습니다. 사용 가능한 현장 센서 중 상당수는 부정확하거나 사용하기 어렵거나 가격이 비쌌습니다. 여전히 이러한 문제를 안고 있는 일부 수위 센서가 있지만, 현재 시중에는 실용적인 옵션이 출시되어 있습니다. METER TEROS 21 수전위 센서는 저렴하고 정확하며 견고하고 설치가 간편합니다. 또한 플랜트에서 사용 가능한 스펙트럼의 측정 범위가 넓고 중앙에서 중앙까지 일관성이 높습니다.

식물의 비생물적 스트레스 측정 시 변동성 포착하기

수전위 측정을 할 때 데이터 양에 집중해야 할까요, 아니면 데이터 품질에 집중해야 할까요? 의외의 답이 나올 수도 있습니다. 최근 한 연구에서는 식물 표현형 데이터의 맥락에서 이러한 상충 관계를 살펴봤습니다. 이 연구에서는 정확도는 높지만 노동 집약적인 방법인 현장 식물의 수작업 측정과 훨씬 더 많은 데이터를 생성하지만 정확도는 떨어지는 드론 기반 이미지에서 식물 높이를 추출하는 방법을 비교했습니다. 연구진이 발견한 것은 처리량 증가로 정확도 저하를 보완할 수 있다는 것입니다. 즉, 일반적으로 더 적은 수의 정확한 데이터 포인트보다 더 많은 데이터 포인트를 보유하는 것이 더 바람직합니다( Lane, H.M. 및 S.C. Murray 참조. 2021. 작물 과학. 식물 개체군의 표현형을 분석할 때 높은 처리량이 높은 정확도보다 더 나은 결정을 내릴 수 있습니다).

이 높은 처리량 개념은 수위 데이터 또는 다른 유형의 환경 데이터를 수집하는 동안 현장의 변동성을 포착하는 데 적용됩니다. 예를 들어, 그림 8에서 대량 전기 전도도 측정에서 얼마나 많은 변동성이 있는지 살펴보세요. 샘플링 지점이 하나 또는 몇 개에 불과하다면 사이트 전체에서 추정할 때 잘못된 결론을 도출할 수 있습니다.

식물의 가뭄 내성 결정: 올바른 데이터 = 더 정확한 결과

최고의 품종을 선택하든, 질병이나 기후 회복력을 더 잘 이해하든, 연구 목표를 달성할 수 있는 능력은 올바른 유형의 데이터를 수집하는 능력에 달려 있습니다. 수분 함량 데이터 와 날씨 데이터에 수분 잠재력 데이터를 추가하면 식물이 실제로 가뭄 스트레스를 겪고 있는지 여부를 정확하게 평가할 수 있습니다. 수분 함량과 수분 잠재력의 차이에 대해 자세히 알아보려면 토양 수분 101 웨비나를 시청하세요.

참조

레인, 홀리 M. 및 세스 C. 머레이. "높은 처리량은 식물 개체군을 표현형 분석할 때 높은 정확도보다 더 나은 결정을 내릴 수 있습니다." 작물 과학 61, no. 5 (2021): 3301-3313. 기사 링크.

이 주제에 대한 사례 연구 읽기

앤드류 그린 박사와 그의 고문인 제라드 클루텐버그 박사와 앨런 프리츠 박사가 왜 토양의 수분 잠재력을 모니터링하는 것이 가뭄 스트레스 연구에서 일관되고 반복 가능한 치료를 시행할 수 있는 유일한 정량화 방법이라고 생각하는지 알아보세요.

사례 연구를 읽어보세요: "가뭄에 대한 내성 검사"

질문이 있으신가요?

저희 과학자들은 수십 년 동안 연구자와 재배자들이 토양-식물-대기 연속체를 측정할 수 있도록 지원해 온 경험을 가지고 있습니다.

• 전문가와 상담하기
• 견적 요청하기