Determination of Optimal UV Stress Period before Harvest for Maximizing Phytochemical Production of Kale Cultivated in Plant Factories

Abstract

최근 UV-B가 식물공장에서 재배되는 케일의 이차대사산물을 향상시키기 위해서 사용되고 있다. 그러나 기존 UV-B 스트레스는 생육 초반에 적용되어 수확기 작물의 이차대사산물 증진에 효과가 있을 지 아직 불분명하다. 본 연구의 목적은 엽록소 형광분포 이미지를 이용하여 수확 단계에서 성숙한 케일 잎의 불균일한 UV-B 분포와 이차대사 산물 축적과의 관계를 분석하고, 식물공장에서 재배되는 케일의 이차대사산물 생산의 최대화를 위한 수확 전 UV 스트레스의 최적 처리 시기를 결정하는 것이다. 케일 만추 콜라드는 온도 20℃, 상대 습도 70%, 광도 350 mol m-2·s-1, 명기/암기 16 h/8 h에서 재배하여 정식후 42일에 수확하였다. 광원은 LED (R : B : W = 8 : 1 : 1)을 사용하였다. 먼저, 엽면의 UV-B 조사량 분포에 따른 엽록소형광(Fv/Fm)을 엽록소 형광이미지 분석기로 측정 하였다. 또한 수확 5, 4, 3, 2, 1 일 전부터 하루 4시간 동안 4.2 W.m-2 UV-B에 노출시켰다(T5, T4, T3, T2, T1). 수확 후 각 처리 별 생체중, 건물중, 총 페놀릭 함량(TPC), 총 플라보노이드 함량(TFC) 및 항산화능을 비교하였다. 동일한 케일 잎에서도 UV-B가 조사된 양에 따라 Fv/Fm 값이 상이하였지만, TPC와 TFC는 위치별 유의적인 차이가 없었다. 즉, 이차대사산물의 증진이 국부적인 Fv/Fm에 비례하지 않았다. UV-B 스트레스 처리는 이차대사산물을 증진시키고 생체중과 건조중을 감소시켰다. T5에서 항산화능, TPC, TFC는 대조군에 비해 유의적으로 높았지만 건조중은 가장 낮았다. 총 이차대사산물 생산량을 고려할 경우, T2가 가장 적합한 처리 기간이었다. 실제로 T2가 T5에 비해서 농도는 낮았지만 건물중은 높았다. 그 이유는 UV-B조사에 의한 이차대사산물의 농도가 증진보다 건물중 감소가 이차대사산물 총 생산량에 더 큰 영향을 미쳤기 때문이다. 스트레스 처리를 통해 케일의 이차대사산물 최대화하기 위해선 짧은 기간 스트레스를 처리하는 것이 생체중과 건조중의 감소를 줄여 더 효율적일 것으로 판단된다.

Recently ultraviolet-B (UV-B) has been used to improve the secondary metabolites of kales grown in plant factories. However, it is still unclear whether UV-B stress will be effective in enhancing the secondary metabolites at harvest because most of UV-B stresses were applied at early growth stage. The objectives of this study were to analyze the secondary metabolites accumulation at uneven UV-B distributions in leaves of matured kales at harvest stage using spatial chlorophyll fluorescence images and to determine the optimal UV stress period before harvest for maximizing secondary metabolites production of kales cultivated in plant factories. Kales (Brassica oleracea L. cv Manchoo Collad) were grown at a temperature of 20oC, photosynthetic photon flux density of 350 μmol∙m-2∙s-1, and photoperiod of 16 h/8 h (light/dark) in a plant factory, and harvested at 42 days after transplanting. Light-emitting diodes (LED) with red:blue:white = 8:1:1 were used. At first, spatial chlorophyll fluorescence (Fv/Fm) of the plants at different UV-B intensities in leaves at harvest were measured by a leaf fluorescence image analyzer. And then, the plants were additionally exposed to 4.2 W·m-2 UV-B for 4 h a day from 5, 4, 3, 2, and 1 days before harvest (T5, T4, T3, T2, and T1, respectively). Fresh and dry weight, total phenolic content (TPC), total flavonoid content (TFC), and antioxidant capacity were compared at harvest. In the same leaves, Fv/Fm values were different according to locations exposed to different UV-B intensities, while no significances were observed in TFC and TPC. This indicated that accumulation of secondary metabolites is not always proportional to the local Fv/Fm values. UV-B stress decreased fresh and dry weights and increased secondary metabolites. TFC, TPC, and antioxidant capacity at T5 were significantly higher than any other treatments but dry weight was the lowest. Considering total amounts of secondary metabolites, T2 was the optimum treatment period, in which the concentration was lower but the dry weight higher than T5. This is because the dry weight had a greater effect on the total amount than the secondary metabolites concentration induced by UV-B radiation. To maximize the secondary metabolites of kales with UV-B treatment, it would be more efficient to use short-term stresses to minimize the loss of fresh and dry weights.