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ISSN : 1225-5009(Print)
ISSN : 2287-772X(Online)
Flower Research Journal Vol.20 No.4 pp.193-199
DOI : https://doi.org/10.11623/frj.2012.20.4.193

몇 가지 춘계단명 자생식물 종자의 형태적, 형태생리적 휴면

이승연1, 이용하1, 김윤진1,2, 김기선1,2*
1서울대학교 농업생명과학대학 식물생산과학부, 2서울대학교 농업생명과학연구원

Morphological and Morphophysiological Dormancy in Seeds of Several Spring Ephemerals Native to Korea

Ki Sun Kim1,2*, Seung Youn Lee1, Yong Ha Rhie1, Yoon Jin Kim1,2
1Department of Plant Science, Seoul National University 2Research Institute for Agriculture and Life Sciences, Seoul National University
(Received 27 August 2012; Revised 24 October 2012; Accepted 31 October 2012.)

Abstract

It has been reported that many spring ephemeral plants have underdeveloped embryos at seedharvest. The seeds with underdeveloped embryos at harvest have morphological (MD) or morphophysiologicaldormancy (MPD). This study was conducted to serve basic information for the research of morphologicaldormancy of seeds in several ornamental spring ephemerals native to Korea. Seeds of Leonticemicrorhyncha, Jeffersonia dubia, Adonis amurensis, Aquilegia buergeriana, Pulsatilla tonkangensis, Ranunculuscrucilobus, Erythronium japonicum, and Trillium tschonoskii were collected from May to June, andembryo morphology and seed germination were investigated. All seeds of eight species had underdevelopedembryos which occupied about 7-20% of the full seed length at harvest. The seeds of L. microrhyncha hadheart-shaped embryos, whereas the seeds of J. dubia, A. amurensis, A. buergeriana, P. tonkangensis, and R.crucilobus had torpedo-shaped embryos. The seeds of two Liliaceae species, E. japonicum and T. tschonoski,had intermediate type between globular and heart-shaped embryo. After 30 days, the seeds of A. buergerianaand P. tonkangensis germinated to 92% and 84%, respectively. On the other hand, no seeds of the other speciesgerminated. It is concluded that seeds of A. buergeriana and P. tonkangensis have morphological dormancy(MD), whereas seeds of the others species have morphophysiological dormancy (MPD). These results could beuseful information to determine morphological seed dormancy and germination.

서 언

휴면은 식물이 자연상태의 불량한 환경조건에서 생존하기 위한 수단으로 생태학적으로 매우 중요한 의미를 지니는데, 이러한 관점에서 종자휴면이란 식물이 개체군 내에서 발아에 적정한 계절적 시점을 탐지하는 생태적 적응과정이라 할 수 있다(Geneve, 2003). 종자휴면의 종류는 학자의 분류 기준에 따라 다르다. Lang(1987)은 휴면의 종류를 단순화하기 위해 종자 발아의 내·외적인 요인에 따라 환경휴면(eco-dormancy), 외재휴면(para-dormancy) 그리고 내재휴면(endodormancy) 이라는 세 가지 종류로 분류하였다. 그러나 위 세 가지 분류는 종자휴면의 다양성을 설명하기에는 미흡하여, Baskin and Baskin(2004)은 생리학적 요인과 형태학적 요인을 복합적으로 고려하여 생리적 휴면(physiological dormancy, PD), 형태적 휴면(morphological dormancy, MD), 형태생리적 휴면(morphophysiological dormancy, MPD), 물리적 휴면(physical dormancy, PY), 조합휴면 combinational dormancy, PY+PD) 등의 다섯 가지로 분류하였고, 각각의 휴면 유형 내에서도 깊이에 따라 세분화하였다.

 춘계단명식물(spring ephemeral)이란 이른 봄에 맹아되어 꽃을 피우고, 단기간 생장하다가 휴면에 들어가는 생장주기가 매우 짧은 숙근성 식물들을 지칭하며 (Kim et al., 2006; Wikipedia, 2012), 복수초(Adonis amurensis), 얼레지(Erythronium japonicum), 노루귀(Hepatica nobilis), 깽깽이풀(Jeffersonia dubia) 등이 속한다. 이러한 춘계단명식물들의 많은 종자들은 배가 충분히 성숙하지 못한 상태에서 모체에서 탈리되는 것으로 보인다(Lee et al., 2011; Nomizu et al., 2004; Rhie et al., 2010; Vandelook and Van Assche, 2009). 따라서 이러한 종자들의 미숙배는 발아하기 전에 일정 크기 이상 자라야 하는데, 아무런 휴면타파처리 없이 30일 내에 배의 신장과 발아가 이루어지는 유형과 저온습윤, 고온습윤 또는 복합처리를 해야만 배가 신장하고 발아되는 유형으로 나눌 수 있으며, 전자를 형태적 휴면(MD), 후자를 형태생리적 휴면(MPD)이라 한다(Baskin and Baskin, 1998).

 지난 수십 년간 국내에서도 많은 숙근성 식물들의 종자휴면에 관해 연구가 진행되어 왔다. 특히, 저온(cold stratification), GA(gibberellic acid) 및 후숙(afterripening) 처리 등을 통하여 휴면타파되는 생리적 휴면, 종피파상(scarification) 등으로 휴면타파되는 물리적 휴면에 관해서는 많은 연구(Kang et al, 2010; Kim et al., 2010; La and Jeong, 2008; Yeam et al., 1985)가 이루어져 왔으나 성숙한 종자가 미성숙한 배를 가지고, 단순히 저온습윤처리, GA처리 등을 통해 휴면이 타파되지 않고, 발아가 억제되는 다소 복잡한 생리기작을 보이는 형태생리적 휴면(MPD)에 관한 연구는 최근에 와서야 깽깽이풀(Rhie et al., 2010), 복수초(Lee et al., 2011) 등에서 구체적으로 이루어지고 있다.

 따라서 본 연구는 몇 가지 자생 관상용 춘계단명식물들을 대상으로 첫째, 성숙한 종자가 미숙배를 가지는지, 둘째, 만약 미숙배 종자라면 형태적 휴면 또는 형태생리적 휴면 중 어떤 휴면 유형을 보이는지를 조사하여, 추후 이러한 종자휴면의 생리적 기작을 연구하기 위한 기초자료를 제공하고자 수행하였다.

재료 및 방법

종자 채종

 실험에 사용된 모든 종자들은 5월부터 6월 사이에 채종하였다. 한계령풀(Leontice microrhyncha), 복수초(A. amurensis), 매발톱(Aquilegia buergeriana), 바위 미나리아재비(Ranunculus crucilobus), 얼레지(E. japonicum) 및 큰연영초(Trillium tschonoskii) 종자는 경기도 용인소재 한택식물원에서 각각 2012년 5월 1일, 2011년 5월 22일, 6월 18일, 6월 1일, 5월 23일, 6월 1일에 채종하였다. 깽깽이풀(J. dubia) 종자는 경기도 오산에 위치한 물향기수목원에서 2009년 5월 27일 채종하였고, 동강할미꽃(Pulsatilla tonkangensis)은 영월군농업 기술센터에서 재배하던 식물체에서 2012년 5월 7일부터 18일까지 채종하였다. 채종한 종자 또는 과실은 지퍼백에 담아 실험실로 가져와 일주일에서 보름정도 건조, 후숙과정을 거친 후 5˚C cold-lab chamber(DS-91, Dasol Scientific Co., Hwaseong, Korea) 에 실험에 사용될 때까지 건조 보관하였다. 큰연영초의 경우 6월 1일 과실을 채집하였는데, 과실 내부의 종자들이 미숙상태여서 보름 이상 실험실 내에서 후숙시킨 후 종자를 정선하여 보관하였다.

종자의 내, 외부 형태 관찰

 채종한 종자들은 곧바로 외부사진을 촬영하였다. 채종 약 보름 후에 종자를 반으로 잘라 해부현미경(KSZ-1B, Samwon Scientific Co., Ltd., Seoul, Korea)으로 내부형태를 관찰하였다. 반으로 자른 종자를 해부현미경의 작업대에 올려놓고 micrometer가 장착된 접안렌즈로 관찰하면서 종자와 배의 길이를 측정하였다. 종자와 배의 길이를 측정한 후 miview usb digital microscope(MV 1302U, CosView Technologies Co., Ltd., Shenzhen, China)를 이용해 60배율로 종자 내부를 촬영하였다. 또한 같은 종이더라도 종자의 크기가 다양하고 배의 길이도 차이가 있어서, 미숙배를 좀더 명확하게 표현할 수 있는 배(embryo)와 종자(seed)의 비율인 E : S ratio (Vandelook et al., 2007, 2009)를 계산하였다.

발아실험

 채종한 종자들은 7-15일 정도 건조 후 정선하였고 곧바로 발아실험에 사용하였다. 정선한 종자들을 90 × 15mm disposable petri dish에 여과지(Whatman No. 2) 2매를 깔고 benomyl 수화제(500 mg·L-1)를 분무하여 약 1시간 정도 소독하였다. 소독 후 증류수로 세척한 후 30립 3반복 완전임의 배치하여 multi-room incubator(DS-13MCLP, Dasol Scientific Co., Ltd., Hwaseong, Korea)에서 배양하였다. 배양환경은 주·야 25/15˚C(12 h/12 h), 광도는 약 20 μmol·s-1·m-2였다. 배양 후 30일째 발아율을 조사하였고, 조사 시 부패하여 미발아된 종자들은 발아율 계산에서 제외하였다.

결과 및 고찰

연구 대상 8종 모두 미숙배 종자임을 확인할 수 있었다(Fig. 1). Martin(1946)은 종자를 내부 배의 형태에 따라 크게 기저형(basal), 지협형(peripheral, 주변형)  및 중축형(axile)의 세 가지 분류군으로 나누었고, 이들 중 기저형에서는 배가 작고 타원형인 미발달형 (rudimentary type)을 그리고 중축형에서는 미발달형배보다 긴 직선형(linear type)을 미숙배의 대표적인 형태로 보고하였다. 매자나무과의 깽깽이풀과 한계령풀은 미발달형의 배를 가지고 있었으나, 깽깽이풀은 어뢰형배(torpedo-shaped embryo), 한계령풀은 심장형배(heart-shaped embryo)를 가지고 있었다(Fig. 1). 미나리아재비과의 복수초, 매발톱 및 바위미나리아재비 역시 위와 마찬가지로 미발달형의 배를 가지고 있었고 심장형보다 더 발달된 어뢰형 배의 형태를 보였으나, 동강할미꽃은 미발달형 배와 다른 유형인 직선형의 배를 가지고 있었고, 형태는 마찬가지로 어뢰형이었다 (Fig. 1).

Fig. 1. Morphology of flowers and seeds in several ornamental spring ephemerals native to Korea. Em: embryo; En: endosperm.

 백합과의 얼레지와 큰연영초는 미발달형 배였으며 구형(globular embryo)과 심장형의 중간형태 정도로 보였으며, 형태가 명확하게 구분되지는 않았다(Fig. 1). 매자나무과 종자들의 배는 미발달형, 직선형 및 주걱형(spatulate) 등 다양한 배 형태를 보이는 것으로 알려져 있다. 우리나라에 자생하는 깽깽이풀은 미국의 Jeffersonia diphylla와 마찬가지로 미발달형의 배를 가지고 있었다. 종자의 형태가 한계령풀과 상당히 유사한 Caulophyllum thalictroides는 직선형의 배를 가진다하여(Martin, 1946), 국내 자생종과는 다름을 알 수 있었다. 미나리아재비과는 미발달형과 긴 형태인 직선형 배의 두 가지 형태가 대부분인 것으로 알려져 있는데(Geneve, 2003; Martin, 1946; Niimi et al., 2006; Nomizu et al., 2004), 본 연구결과에서도 복수초, 매발톱 및 바위미나리아재비는 미발달형이었고, 동강할미꽃은 직선형 배였기 때문에 본 연구결과를 뒷받침 해준다. 백합과 종자들은 대부분이 미발달형보다 몇 배는 더 긴 직선형의 배를 가지는 것으로 알려져 있으나 Erythronium grandiflorum만이 유일하게 미발달형 배를 가진다(Martin, 1946). 본 연구에서도 동일속인 얼레지가 직선형보다는 미발달형을 보여 일치하는 결과임을 알 수 있었고, 속은 다르지만 같은 과에 속하는 큰연영초 역시 미발달형의 배임을 확인하였기 때문에 몇 안 되는 예외종으로 판단된다.

 본 연구에서는 종자 길이와 배 길이를 조사하였는데, 같은 종이더라도 종자의 크기가 다양하고 배의 길이도 차이가 있어서, 미숙배를 좀더 명확하게 표현할 수 있는 E : S ratio(Vandelook et al., 2007, 2009)를 제시하였다. 종자의 길이, 배의 길이 및 E:S ratio 모두 과에 따른 특별한 경향성은 보이지 않았다(Fig. 2). 조사된 8종의 종자 중 깽깽이풀과 얼레지의 종자가 상대적으로 긴 것을 알 수 있었다. 배의 길이는 동강할미 꽃이 0.52mm로 가장 길었고, 얼레지와 깽깽이풀이 다음으로 길었다(Fig. 2). 그러나 종자에 대한 배의 상대적 비율을 표현한 E : S ratio는 다른 경향이었다. 동강할미꽃과 바위미나리아재비는 E : S ratio가 각각 0.20, 0.16이어서 종자길이의 15% 이상 차지하였으나, 나머지 종자들의 경우는 대부분 10% 미만이어서(Fig. 2), 종자마다 배유 내에서 배가 차지하는 영역이 다양함을 알 수 있었다. Baskin and Baskin(1989)은 남한의 특산식물인 깽깽이풀과 동일속인 Jeffersonia diphylla의 종자휴면 연구에서 초기 배의 길이가 약 0.6mm 정도라고 보고하였다. 그러나 한국특산 깽깽이풀의 경우 초기 배의 길이가 약 0.38mm 정도 였기때문에 동일 속 내에서도 배의 크기가 다름을 알 수 있다. 일본 자생종 얼레지의 경우 성숙한 종자의 E : S ratio는 0.081이라 하였는데(Kondo et al., 2002), 한국 자생종의 경우 0.09였기 때문에 비슷함을 알 수 있었다. Kondo et al.(2011)은 큰연영초와 동일속인 Trillium camschatcense의 종자휴면 연구에서 초기E : S ratio가 0.18정도라 보고한 바 있다. 한국의 울릉도에 자생하는 큰연영초의 경우 동일 속이지만 E : S ratio가 0.08이었기 때문에 동일 속이라 할지라도 종내에서도 배의 비중이 다양함을 알 수 있었다.

Fig. 2. Seed length, embryo length, and the ratio of embryo to seed length (E : S ratio) in seeds of several ornamental spring ephemerals native to Korea. Embryo and seed lengths were measured using a dissecting microscope fitted with an ocular micrometer.

 파종 30일 후의 발아율은 연구대상 8종 간에 극명한 차이를 보였다(Fig. 3). 25/15에서 배양 30일 후 측정한 발아율은 매발톱이 92%, 동강할미꽃이 84%였고, 이외의 종자들은 전부 발아하지 않았다(Fig. 3). Baskin and Baskin(2004)은 종자휴면을 크게 생리적 휴면(physiological dormancy, PD), 형태적 휴면(morphological dormancy, MD), 형태생리적 휴면(morphophysiological dormancy, MPD), 물리적 휴면(physical dormancy, PY), 조합휴면(combinational dormancy, PY + PD) 등의 다섯 가지로 분류하였고, 각각의 휴면유형 내에서도 깊이에 따라 여러 가지 유형으로 세분화하였다. 이 분류군 중 미성숙배를 가지는 종자들은 형태적 휴면 또는 형태생리적 휴면을 보이는데, 아무런 휴면타파 처리 없이 30일 내에 배의 신장과 발아가 이루어지는 유형을 형태적휴면(MD)이라 하고, 저온습윤, 고온습윤 또는 복합처리를 해야만 배가 신장하고 발아되는 유형을 형태적인 휴면과 생리적인 발아억제 요인이 복합적으로 작용한다 하여 형태생리적 휴면(MPD)이라 하였다(Baskin and Baskin, 1998, 2004; Walk et al., 1999).

Fig. 3. Percent germination in seeds of several ornamental spring ephemerals native to Korea. Seeds of each species were germinated under 25/15˚C and 12 h photoperiod condition for 30 days.

 본 연구에서 매발톱과 동강할미꽃은 미성숙 배를 가지고 있지만, 30일 내에 대부분의 종자가 발아하였기 때문에 형태적 휴면으로 분류할 수 있다(Fig. 3). 그러나 깽깽이풀, 한계령풀, 복수초, 바위미나리아재비, 얼레지 및 큰연영초는 전혀 발아하지 않았기 때문에 형태생리적 휴면으로 분류할 수 있었다. 따라서 본 연구에사용된 매자나무과와 백합과의 춘계단명식물들은 모두 형태생리적 휴면을 보였고 미나리아재비과만 두 가지 종자휴면유형을 보였다. 매자나무과의 Jeffersonia diphylla(Baskin and Baskin, 1989), 미나리아재비과의 Helleborus niger (Niimi et al., 2006), Aconitum lycoctonum L.(Vandelook et al., 2009), 백합과의 Trillium camschatcense(Kondo et al., 2011) 등에서도 형태생리적 휴면이 보고되고 있어서 본 연구결과를 뒷받침 해준다.

 형태생리적 휴면은 첫째, 종자휴면을 타파시키기 위한 온도, 둘째, 배가 발달하는 동안의 온도, 셋째, GA(gibberellic acid)가 휴면을 타파시킬 수 있는지에 따라 여덟 가지로 분류할 수 있다(Baskin and Baskin, 1998, 2004). 이러한 형태생리적 휴면은 배발달 온도가 상대적 고온인 simple-type MPD와 저온인 complextype MPD의 두 가지 분류군으로 나눌 수 있는데, 각각의 분류군 내에서도 생리적인 휴면의 깊이에 따라 다시 non-deep MPD, intermediate MPD, 그리고 deep MPD의 세 가지 유형으로 나눌 수 있다(Baskin and Baskin, 1998, 2004).

 결론적으로 한반도에 자생하는 많은 수의 춘계단명식물들은 종자가 모식물체에서 탈리되는 시점에 미숙배를 가지고 있는 것으로 판단되었다. 본 연구에서는 8가지 춘계단명종을 대상으로 한 기초특성을 바탕으로하여 형태적 또는 형태생리적 휴면인지는 분류하였으나, 어떠한 유형의 형태생리적 휴면인지에 관해서는 구체적인 휴면의 생태·생리연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다. 또한 기존의 종자휴면 타파 방법으로도 발아가 어렵다고 보고된 종들의 경우 이러한 분류체계를 통해 접근한다면 효과적인 휴면타파법을 개발할 수 있을 것이다. 따라서 국내 자생종을 대상으로 한 이러한 연구들은 학술적인 측면에서 의의가 있을 뿐만 아니라 원예적인 측면에서 종자번식을 위한 중요한 기초자료가 될 것이다.

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