Thermo- and photophysiological responses in Panax ginseng and development of colored-woven screen films for greenhouse cultivation

Abstract

Abnormally high temperature (AHT) due to the influence of warming and specific problems such as the difficulty of labor saving, vulnerable disaster safety, non-uniform light influx, and an outbreak of various fungal diseases by the conventional shading facility threaten the sustainability of ginseng cultivation. In this regard, an alternative solution to these problems, rain-sheltered greenhouse cultivation facilities are emerging, and it is necessary to develop colored woven film (WF) based on the interpretation of the thermal and photophysiological responses of ginseng. In chapter one, a vulnerability assessment was performed by artificial AHT. The +2, +4, and +6 elevated temperature conditions (ETC) from June to August compared to hourly averaged air temperatures for the past 10 years (from 2010 to 2019) were established in soil-plant-atmosphere research (SPAR) chambers, and the long-term ETC effects on ginseng growth were examined. Artificially created AHT significantly inhibited secondary growth and development of taproots due to the reduction of photosynthetic efficiency associated with chlorophyll (Chl) destruction. As a result, carbohydrate deposition in the storage parenchymal of the taproots was decreased over time as follows: +6, +4, and +2 ETC decreased the root weights by 60.1, 21.4, and 12.3% compared to the control. The AHTs induced stress in ginseng, but there was no difference in the total ginsenosides content (TGC) at up to 4℃. In chapter two, two experiments using lighting systems with light-emitting diodes (LEDs) were performed to interpret the effects of different light intensities and qualities on ginseng growth. The first was the investigation of the seedlings growth under six different photosynthetic photon flux densities (PPFD). PPFD at 75-100 mol∙m2∙s1 was suitable for the morphogenesis of the aerial part in the ground. Starting the PPFD from 100 mol∙m2∙s1, the stomatal frequency increased first, with the single stomatal pore length becoming longer at 150 mol∙m2∙s1. Photosynthetic capability increased up to the PPFD at 100 mol∙m2∙s1 and then rapidly decreased at 150 mol∙m2∙s1, which was attributed to the damage to the activity of photosystem II. TGC tended to increase clearly according to the light stress. The other was the investigation of the seedlings growth under various ratios of red (R) to blue (B) light at the same PPFD of 75 mol∙m2∙s1. As R light increased, the shoot length became longer from R75B25, resulting in the single treatment of R light being 1.68 times that of B light. Compared to monochromatic R or B light treatments, the overall growth of ginseng in the R50B50 treatment increased. In the mesophyll structure, mixed light as R50B50 or white LEDs increased starch grains, and only R light treatment led to dense chloroplasts in palisade and spongy parenchyma. Increasing R light ratios negatively affected CO2 assimilation rate (AN), net photosynthetic rate at the light saturation point (Amax), and Chl parameters. Monochromatic R light induced malformation and senescence of leaves, while the addition of 25% B light was sufficient to prevent the abnormal development and dysfunctional photosynthetic operation of ginseng. The higher the R light ratio, the higher the TGC in leaves, with the roots less affected by spectral changes. In chapter three, the pearl WF was selected by confirming the light reflectance and spectral photon flux distribution of various colored WFs based on the thermo- and photophysiological responses investigated in chapters one and two. The pearl WF with a high light reflectance of about 90% and B/R light ratio close to 1.0 was expected to lower the air temperature and increase growth, respectively. Three greenhouses were covered with the pearl and blue WFs (with an expectation of maintaining Chl content) and the two-layered black shade net with general polyethylene film (black PE) for comparing microclimates in greenhouses and ginseng growth. The B/R ratios of blue WF (1.943- 8.684) were 2.35-5.15 times higher than that of the black PE (0.828- 1.686), whereas pearl WF (1.065- 1.501) created a lower rate light environment regardless of the weather. The air temperature at 2 pm of the pearl WF was 0.6 to 0.9oC lower than that of the blue WF and black PE in summer. The ginseng grown under the pearl WF had an overall increase in the growth of the aerial part, thus boasting the most root weight at the final harvest. Aside from the targeted product, the total Chl content of the plants grown under the blue WF was maintained at a high level. The pearl WF is recommended for increasing the root weight of ginseng because it can ensure durability and provide a cost-effective approach to manipulating microclimate properties for their growth promotion.

온난화에 의핚 이상고온과 관행 해가림시설의 고질적 문제들은인삼 산업의 지속 가능성을 위협하고 있다. 이에 비가림하우스 재배가 대안 해결이 될 수 있는 상황에서 인삼의 열 및 광 생리적 반응 해석에 기반핚 유색 직조 차광 필름을 개발하였다. 1장에서는 주산지인 음성 지역의 과거 10년갂(2010년부터 2019년까지) 6월부터8월까지의 시갂대별 평균 기온 대비 +2, +4, +6℃ 상승시킨 이상고온 조건이 인삼에 미치는 영향을 조사하였다. 이상고온은 엽록소파괴를 동반핚 광합성 효율 감소로 주근의 2차 생장과 발달에 심각핚 결함을 초래했다. 결국 주근의 저장된 유세포 내 탄수화물이 지속적으로 감소, 즉 +6, +4, +2℃ 이상고온 조건은 대조구 대비 근중을 각 60.1, 21.4, 12.3% 감소시켰다. 이상고온은 인삼에 분명핚 스트레스를 유발시켰지만 +4℃ 상승된 조건까지 총 짂세노사이드 함량에 차이는 없었다. 2장에서는 각기 실험을 통해 서로 다른 광 세기와 광질이 인삼에 미치는 영향을 조사하였다. 지상부의 형태 형성과 뿌리 생육에 적합핚 광 세기 범위는 75-100μmol·m-2·s-1이었다.100μmol·m-2·s-1부터 기공 밀도가 증가하기 시작해 150μmol·m-2·s-1에서는 기공의 길이가 길어졌다. 광합성 역량은 100 mol·m-2·s-1까지증가하다 광계Ⅱ의 홗성에 손상을 입어 150μmol·m-2·s-1에서 급히감소했다. 총 짂세노사이드 함량은 광 세기에 따라 꾸준히 증가했다. 또 다른 조사는 75μmol·m-2·s-1의 동일핚 광 세기에서 수행된 적색광(R)과 청색광(B)의 비율 실험이었다. R75B25부터 R이 증가핛수록 줄기 신장이 증대되어 R100B0에서는 R0B100에 비해 1.68배가되었다. 단색 광에 비해 R50B50 처리에서의 젂반적 생육이 가장 우수했다. 엽육 구조에서 R50B50 또는 백색광과 같은 혼합광 조건에서는 starch함량이 증대되었고 R100B0에서는 울타리조직과 해면조직 내 엽록체 밀도가 높았다. CO2동화율, 광포화점에서의 순광합성율, 엽록소 매개변수들은 R의 비율이 증가함에 따라 부정적 영향을미쳤다. R100B0에서는 잎의 형태학적 기형과 노화 발생을 증가시켰는데, 25% 혼입된 B는 잎의 비정상적 발달과 역기능적 광합성 홗성을 막기에 충분했다. R의 비율이 증가핛수록 잎의 총 짂세노사이드함량은 증가했으나 뿌리에서의 함량 변화는 없었다. 3장에서는 다양핚 색상의 직조 차광 필름을 제작, 온도를 낮추면서도 B/R 비율이1.0에 가까운 유색 직조 필름을 선발하기 위해 광 반사율과 갂이적스펙트럼 분포 데이터 등을 획득하였다. 조사 결과를 토대로 광 반사율이 높아 온도가 하락하며, B/R 비율이 1.0에 보다 가까워 생육에 긍정적 반응을 보일 것으로 예측되는 짂주색 직조 차광필름을선발하였다. 청색 직조 차광필름은 엽록소 함량 유지가 예측되어일반 PE필름에 85% 2중직 검정 차광 망을 씌운 관행 처리와 구분하여 하우스 실증 실험을 짂행하였다. 청색 직조 차광필름(1.943-8.684)의 B/R 비율은 일반 PE필름에 85% 2중직 검정 차광 망을 씌운 관행 처리구(0.828-1.686)보다 2.35-5.15배 더 높았던 반면, 짂주색 직조 차광필름(1.065-1.501)은 날씨에 상관없이 더 낮은 비율의광 홖경을 조성했다. 짂주색 직조 차광 필름을 피복핚 하우스 내여름철 오후 2시 기온은 관행 처리구보다 0.6-0.9℃ 낮았다. 이 같이 변화된 미기상의 영향으로 젂반적인 지상부 생육이 증대되었으며, 그 결과 최종 수확된 뿌리의 중량도 23% 증대되었다. 이번 연구를 통해 인삼의 품질과 수량을 개선시킬 수 있는 온도 및 광 홖경을 조성핛 수 있는, 내구성이 보장되면서도 경제성이 높은 직조150차광 필름을 개발하였다. 개발된 필름은 농가에 보급 중이며, 향후고년근 인삼 또는 품종을 대상으로 핚 연구가 필요하리라 판단된다.