요약: 채소 모종은 채소 생산의 첫 단계이며, 모종의 품질은 파종 후 채소의 수확량과 품질에 매우 중요한 영향을 미칩니다. 채소 산업에서 분업이 지속적으로 발전함에 따라 채소 모종은 점차 독립적인 산업 사슬을 형성하여 채소 생산에 중요한 역할을 해왔습니다. 그러나 전통적인 모종 재배 방식은 악천후의 영향을 받아 모종의 생육 부진, 웃자람, 병충해 등의 문제에 직면하는 경우가 많습니다. 웃자람 문제를 해결하기 위해 많은 상업 재배 농가에서는 생장 조절제를 사용합니다. 하지만 생장 조절제 사용은 모종의 경직성 증가, 식품 안전성 문제, 환경 오염 등의 위험을 수반합니다. 화학적 방제 외에도 기계적 자극, 온도 및 수분 조절 등을 통해 모종의 웃자람을 방지할 수 있지만, 이러한 방법들은 화학적 방제에 비해 편의성과 효과가 다소 떨어집니다. 전 세계적인 코로나19 팬데믹의 영향으로 모종 산업에서는 노동력 부족과 인건비 상승으로 인한 생산 관리의 어려움이 더욱 두드러지게 나타나고 있습니다.

조명 기술의 발전으로 채소 모종 재배에 인공 조명을 활용하면 모종 효율이 높고 병해충 발생이 적으며 표준화가 용이하다는 장점이 있습니다. 기존 광원과 비교했을 때, 차세대 LED 광원은 에너지 절약, 고효율, 긴 수명, 친환경성, 내구성, 소형화, 낮은 열복사, 짧은 파장 등의 특징을 가지고 있습니다. 식물 공장 환경에서 모종의 생장 및 발달 요구에 맞춰 적절한 스펙트럼을 구성하고 모종의 생리 및 대사 과정을 정밀하게 제어할 수 있어, 무공해, 표준화된 신속한 채소 모종 생산과 재배 기간 단축에 기여합니다. 중국 남부 지역에서는 비닐하우스에서 고추와 토마토 모종(3~4엽)을 재배하는 데 약 60일, 오이 모종(3~5엽)은 약 35일이 소요됩니다. LED 식물 공장 환경에서 광주기 20시간, 광합성 유효 광량(PPF) 200-300 μmol/(m2•s) 조건으로 토마토 묘목은 17일, 고추 묘목은 25일 만에 재배할 수 있다. 기존 온실 묘목 재배 방식과 비교했을 때, LED 식물 공장 묘목 재배 방식은 오이 생육 기간을 15-30일 단축시켰고, 개체당 암꽃 수와 열매 수는 각각 33.8%와 37.3% 증가시켰으며, 최대 수확량은 71.44% 증가시켰다.

에너지 이용 효율 측면에서 볼 때, 식물 공장의 에너지 이용 효율은 동일 위도의 벤로형 온실보다 높습니다. 예를 들어, 스웨덴의 한 식물 공장에서는 상추 건조 중량 1kg을 생산하는 데 1411MJ의 에너지가 필요한 반면, 온실에서는 1699MJ가 필요합니다. 그러나 상추 건조 중량 1kg당 필요한 전력량을 계산해 보면, 식물 공장에서는 247kWh가 필요한 반면, 스웨덴, 네덜란드, 아랍에미리트의 온실에서는 각각 182kWh, 70kWh, 111kWh가 필요합니다.

동시에, 묘목 공장에서는 컴퓨터, 자동화 장비, 인공지능 등의 기술을 활용하여 묘목 재배에 적합한 환경 조건을 정밀하게 제어하고, 자연 환경 조건의 제약을 극복하여 지능적이고 기계화된 연중 안정적인 묘목 생산을 실현할 수 있습니다. 최근 일본, 한국, 유럽, 미국 등 여러 국가에서 잎채소, 과일채소 등 경제 작물의 상업 생산에 묘목 ​​공장 방식이 활용되고 있습니다. 그러나 높은 초기 투자 비용, 막대한 운영비, 그리고 시스템의 에너지 소비량은 여전히 ​​중국에서 묘목 공장 기술 보급을 저해하는 요인으로 작용하고 있습니다. 따라서 높은 생산량과 에너지 절약을 동시에 달성할 수 있도록 광 관리 전략, 채소 생장 모델 구축, 자동화 장비 도입 등을 통해 경제적 이익을 증대시키는 것이 중요합니다.

본 논문에서는 최근 식물 공장에서 LED 조명 환경이 채소 묘목의 생장 및 발달에 미치는 영향에 대해 고찰하고, 식물 공장 내 채소 묘목의 광 조절 연구 방향에 대한 전망을 제시한다.

1. 빛 환경이 채소 묘목의 생장 및 발달에 미치는 영향

식물 생장과 발달에 필수적인 환경 요인 중 하나인 빛은 식물이 광합성을 수행하는 데 필요한 에너지원일 뿐만 아니라 식물의 광형태발생에 영향을 미치는 핵심 신호이기도 합니다. 식물은 빛 신호 시스템을 통해 신호의 방향, 에너지, 빛의 질을 감지하고, 자신의 생장과 발달을 조절하며, 빛의 존재 여부, 파장, 강도, 지속 시간에 반응합니다. 현재까지 알려진 식물 광수용체는 크게 세 가지 종류로 나눌 수 있습니다. 적색광과 원적외선(FR)을 감지하는 피토크롬(PHYA~PHYE), 청색광과 자외선 A(UV-A)를 감지하는 크립토크롬(CRY1 및 CRY2), 그리고 UV-B를 감지하는 UV-B 수용체인 엘레멘츠(Phot1 및 Phot2, UVR8)가 있습니다. 이러한 광수용체는 관련 유전자의 발현에 관여하고 이를 조절하여 식물의 종자 발아, 광형태발생, 개화 시기, 이차 대사산물의 합성 및 축적, 생물학적 및 비생물학적 스트레스에 대한 내성 등과 같은 생명 활동을 조절합니다.

2. LED 조명 환경이 채소 묘목의 광형태학적 정착에 미치는 영향

2.1 다양한 광질이 채소 묘목의 광형태발생에 미치는 영향

적색과 청색 영역은 식물 잎의 광합성에 높은 양자 효율을 제공합니다. 그러나 오이 잎을 장기간 순수한 적색광에 노출시키면 광합성계가 손상되어 기공 반응 저하, 광합성 능력 및 질소 이용 효율 감소, 생장 지연 등의 "적색광 증후군"이 나타납니다. 낮은 광도(100±5 μmol/(m²•s)) 조건에서 순수한 적색광은 오이의 어린잎과 성숙한 잎 모두의 엽록체를 손상시킬 수 있지만, 순수한 적색광에서 적색광과 청색광(R:B= 7:3)으로 환경을 바꾸면 손상된 엽록체가 회복됩니다. 반대로, 오이 식물을 적색-청색광 환경에서 순수한 적색광 환경으로 전환했을 때 광합성 효율은 크게 감소하지 않아 적색광 환경에 대한 적응성을 보여줍니다. 실험자들은 '적색광 증후군'에 걸린 오이 묘목의 잎 구조를 전자 현미경으로 분석한 결과, 순수 적색광 조건에서 잎의 엽록체 수, 녹말 과립 크기, 그라나 두께가 백색광 처리 조건보다 현저히 낮다는 것을 발견했습니다. 청색광을 조사하면 오이 엽록체의 미세 구조와 광합성 특성이 개선되고 영양분의 과잉 축적이 해소됩니다. 백색광, 적색광, 청색광과 비교했을 때, 순수 적색광은 토마토 묘목의 하배축 신장과 떡잎 확장을 촉진하고, 식물 높이와 잎 면적을 현저히 증가시켰지만, 광합성 능력, 루비스코 함량, 광화학 효율은 현저히 감소시키고 열 발산을 현저히 증가시켰습니다. 동일한 광질에 대해 식물마다 반응이 다르지만, 단색광에 비해 혼합광 환경에서 식물의 광합성 효율이 높고 생장이 더 왕성하다는 것을 알 수 있습니다.

연구자들은 채소 묘목의 광질 조합 최적화에 대한 많은 연구를 진행해 왔습니다. 동일한 광도 조건에서 적색광의 비율이 증가함에 따라 토마토와 오이 묘목의 초장과 생체중이 현저하게 향상되었으며, 적색광과 청색광의 비율이 3:1일 때 가장 좋은 효과를 보였습니다. 반대로 청색광의 비율이 높으면 토마토와 오이 묘목의 생장이 억제되어 키가 작고 콤팩트한 형태를 나타냈지만, 묘목 줄기의 건조물 함량과 엽록소 함량은 증가했습니다. 고추와 수박 등 다른 작물에서도 유사한 양상이 관찰되었습니다. 또한 백색광과 비교했을 때 적색광과 청색광(R:B=3:1)은 토마토 묘목의 잎 두께, 엽록소 함량, 광합성 효율, 전자 전달 효율을 현저하게 향상시켰을 뿐만 아니라, 캘빈 회로 관련 효소 발현 수준, 생장 관련 영양소 함량, 탄수화물 축적량 또한 유의미하게 증가시켰습니다. 적색광과 청색광의 비율(R:B=2:1, 4:1)을 비교했을 때, 청색광 비율이 높을수록 오이 묘목의 암꽃 형성을 유도하고 암꽃의 개화 시기를 앞당기는 데 더 효과적이었다. 케일, 루꼴라, 겨자 묘목의 경우, 적색광과 청색광의 비율이 생중량에 미치는 영향은 유의미하지 않았지만, 청색광 비율이 높은 경우(청색광 30%) 케일과 겨자 묘목의 하배축 길이와 떡잎 면적이 현저히 감소하고 떡잎 색깔이 짙어졌다. 따라서 묘목 생산 시 청색광 비율을 적절히 높이면 채소 묘목의 마디 간격과 잎 면적을 현저히 줄이고, 묘목의 측면 신장을 촉진하며, 묘목의 생육 강도를 향상시켜 튼튼한 묘목을 재배하는 데 도움이 된다. 광량 조건이 일정하게 유지되는 상황에서 적색광과 청색광에 녹색광을 추가하면 단고추 묘목의 생중량, 잎면적, 초장이 유의미하게 향상되었다. 기존의 백색 형광등과 비교했을 때, 적록청(R3:G2:B5) 혼합광 조건에서 '오카기 1호 토마토' 묘목의 Y[II], qP, ETR이 유의미하게 개선되었다. 순수 청색광에 자외선(청색광 100 μmol/(m2•s) + UV-A 7%)을 추가하면 루꼴라와 겨자의 줄기 신장 속도가 유의미하게 감소했지만, 원적외선을 추가했을 때는 반대의 결과가 나타났다. 이는 적색광과 청색광 외에도 다른 광질의 빛 또한 식물 생장 및 발달 과정에서 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. 자외선과 원적외선은 광합성의 에너지원은 아니지만, 식물의 광형태형성에 관여한다. 고강도 자외선은 식물의 DNA와 단백질 등에 해롭습니다. 그러나 자외선은 세포의 스트레스 반응을 활성화시켜 식물이 환경 변화에 적응하도록 생장, 형태 및 발달을 변화시킵니다. 연구에 따르면 낮은 적색광/원적외선(R/FR) 비율은 식물의 음지 회피 반응을 유도하여 줄기 신장, 잎 감소, 건조물 생산량 감소와 같은 형태적 변화를 초래합니다. 가느다란 줄기는 튼튼한 묘목을 키우는 데 바람직하지 않습니다. 일반적인 잎채소와 과일채소 묘목의 경우, 단단하고 촘촘하며 탄력 있는 묘목이 운송 및 식재 과정에서 문제를 일으키기 쉽습니다.

UV-A는 오이 묘목의 키를 작고 촘촘하게 만들지만, 이식 후 수확량은 대조군과 큰 차이가 없습니다. 반면 UV-B는 더욱 뚜렷한 생장 억제 효과를 나타내며, 이식 후 수확량 감소 효과는 미미합니다. 기존 연구에서는 UV-A가 식물 생장을 저해하고 왜소하게 만든다고 제시했지만, UV-A가 작물 생체량을 억제하는 대신 오히려 촉진한다는 증거가 점차 늘어나고 있습니다. 기본 적색광과 백색광(R:W=2:3, PPFD 250 μmol/(m2·s))에 10 W/m2(약 10 μmol/(m2·s))의 적색광과 백색광을 추가한 조건에서 케일의 UV-A는 케일 묘목의 생체량, 마디 길이, 줄기 직경, 잎 폭을 유의미하게 증가시켰지만, UV 강도가 10 W/m2를 초과하면 촉진 효과가 약화되었습니다. 매일 2시간씩 UV-A(0.45 J/(m²•s))를 조사하면 '옥스하트' 토마토 묘목의 초장, 자엽 면적, 생체중이 유의미하게 증가하고, 토마토 묘목의 과산화수소(H₂O₂) 함량은 감소하는 것으로 나타났습니다. 작물마다 자외선에 대한 반응이 다르며, 이는 작물의 자외선 민감도와 관련이 있을 수 있습니다.

접목묘 재배 시, 접목이 용이하도록 줄기 길이를 적절히 늘려야 합니다. 원적외선(FR)의 강도에 따라 토마토, 고추, 오이, 호박, 수박 묘목의 생장에 미치는 영향이 달랐습니다. 냉백색광에 18.9 μmol/(m²•s)의 원적외선을 추가했을 때 토마토와 고추 묘목의 자엽 길이와 줄기 직경이 유의미하게 증가했습니다. 오이, 호박, 수박 묘목의 경우 34.1 μmol/(m²•s)의 원적외선이 자엽 길이와 줄기 직경 증가에 가장 효과적이었으며, 고강도 원적외선(53.4 μmol/(m²•s))이 이 다섯 가지 채소에 가장 좋은 효과를 보였습니다. 이후 묘목의 자엽 길이와 줄기 직경은 더 이상 유의미하게 증가하지 않고 감소하는 경향을 보였습니다. 고추 묘목의 생체중이 현저하게 감소했는데, 이는 다섯 가지 채소 묘목의 FR 포화값이 모두 53.4 μmol/(m2•s)보다 낮았고, FR 값이 FR보다 현저히 낮았음을 나타낸다. 또한, 각 채소 묘목의 생장에 미치는 영향도 서로 달랐다.

2.2 다양한 일광 적분값이 채소 묘목의 광형태발생에 미치는 영향

일광 적산량(DLI)은 식물 표면이 하루 동안 받는 총 광합성 광자량을 나타내며, 광도와 일조 시간에 비례합니다. 계산식은 DLI (mol/m²/day) = 광도 [μmol/(m²•s)] × 일조 시간 (h) × 3600 × 10⁻⁶입니다. 광도가 낮은 환경에서 식물은 줄기와 마디 길이를 늘리고, 키, 잎자루 길이, 잎 면적을 증가시키며, 잎 두께와 순 광합성률을 감소시키는 방식으로 저조도 환경에 반응합니다. 광도가 증가함에 따라 겨자를 제외한 루꼴라, 양배추, 케일 묘목은 동일한 광 조건에서 자엽하 길이와 줄기 신장이 유의하게 감소했습니다. 이는 빛이 식물의 생장과 형태 형성에 미치는 영향이 광도와 식물 종에 따라 다르다는 것을 보여줍니다. DLI(8.64~28.8 mol/m²/일)가 증가함에 따라 오이 묘목의 생육 형태는 키가 작고 단단하며 촘촘해졌고, 엽중량과 엽록소 함량은 점차 감소했다. 오이 묘목 파종 후 6~16일에는 잎과 뿌리가 말라갔다. 무게는 점차 증가하고 생장 속도는 점차 빨라졌지만, 파종 후 16~21일에는 잎과 뿌리의 생장 속도가 현저히 감소했다. DLI 증가는 오이 묘목의 순광합성률을 증가시켰지만, 특정 값 이후에는 순광합성률이 감소하기 시작했다. 따라서 적절한 DLI를 선택하고 묘목의 생육 단계별로 다른 보조광 전략을 적용하면 전력 소비를 줄일 수 있다. 오이와 토마토 묘목의 가용성 당 함량과 SOD 효소 함량은 DLI 강도 증가에 따라 증가했다. 일일 광량(DLI)이 7.47 mol/m2/day에서 11.26 mol/m2/day로 증가했을 때, 오이 묘목의 가용성 당 함량과 SOD 효소 함량은 각각 81.03%와 55.5% 증가했습니다. 동일한 DLI 조건에서 광량이 증가하고 광주기가 짧아질수록 토마토와 오이 묘목의 PSII 활성이 억제되었으며, 낮은 광량과 긴 광주기를 이용한 보조광 전략이 오이와 토마토 묘목의 높은 묘목 지수와 광화학적 효율을 달성하는 데 더 유리했습니다.

접목묘 생산에서 낮은 조도는 접목묘의 품질 저하와 치유 기간 연장을 초래할 수 있습니다. 적절한 광량은 접목 부위의 결합력을 강화하고 건생묘의 비율을 높일 뿐만 아니라 암꽃 발생 마디의 위치를 ​​개선하고 암꽃의 수를 증가시킵니다. 식물 공장에서는 2.5~7.5 mol/m²/day의 일일 광량(DLI)이 토마토 접목묘의 치유에 충분했습니다. DLI가 증가함에 따라 접목 토마토 묘목의 밀도와 잎 두께가 유의미하게 증가했습니다. 이는 접목묘의 치유에 높은 광량이 필요하지 않다는 것을 보여줍니다. 따라서 전력 소비와 재배 환경을 고려하여 적절한 광량을 선택하는 것은 경제적 이익 증대에 도움이 될 것입니다.

3. LED 조명 환경이 채소 묘목의 스트레스 저항성에 미치는 영향

식물은 광수용체를 통해 외부 빛 신호를 받아들이고, 이에 따라 식물체 내에서 신호 분자가 합성 및 축적되어 식물 기관의 생장과 기능이 변화하며, 궁극적으로 스트레스에 대한 저항력이 향상됩니다. 빛의 질은 다양하며, 이러한 빛은 묘목의 내한성 및 내염성 향상에 일정한 촉진 효과를 나타냅니다. 예를 들어, 토마토 묘목에 야간 4시간 동안 빛을 추가로 조사했을 때, 빛을 추가하지 않은 처리구와 비교하여 백색광, 적색광, 청색광, 그리고 적색광과 청색광을 함께 조사한 경우 토마토 묘목의 전해질 투과성과 MDA 함량이 감소하고 내한성이 향상되었습니다. 특히, 적색광과 청색광을 8:2 비율로 조사한 토마토 묘목의 SOD, POD, CAT 활성은 다른 처리구에 비해 유의미하게 높았으며, 항산화 능력과 내한성이 더욱 우수했습니다.

UV-B가 콩 뿌리 생장에 미치는 영향은 주로 뿌리 내 NO와 ROS 함량을 증가시켜 식물의 스트레스 저항성을 향상시키는 데 있으며, 여기에는 ABA, SA, JA와 같은 호르몬 신호 전달 분자도 포함됩니다. 반면 IAA, CTK, GA 함량을 감소시켜 뿌리 발달을 억제하기도 합니다. UV-B 수용체인 UVR8은 광형태형성 조절에 관여할 뿐만 아니라 UV-B 스트레스 반응에도 중요한 역할을 합니다. 토마토 묘목에서 UVR8은 안토시아닌의 합성과 축적을 매개하며, UV에 순응된 야생 토마토 묘목은 고강도 UV-B 스트레스에 대한 저항력이 향상됩니다. 그러나 애기장대에서 유도되는 가뭄 스트레스에 대한 UV-B 적응은 UVR8 경로에 의존하지 않는데, 이는 UV-B가 식물 방어 기작의 신호 유도 교차 반응으로 작용하여 다양한 호르몬이 가뭄 스트레스 저항에 공동으로 관여하고 ROS 제거 능력을 증가시킨다는 것을 시사합니다.

원적외선(FR)에 의한 식물 자엽 또는 줄기의 신장과 식물의 저온 스트레스 적응은 모두 식물 호르몬에 의해 조절됩니다. 따라서 원적외선에 의한 "음영 회피 효과"는 식물의 저온 적응과 관련이 있습니다. 실험자들은 발아 18일 된 보리 묘목을 15°C에서 10일간 처리한 후 5°C로 냉각하고 7일간 원적외선을 추가로 조사했습니다. 그 결과, 백색광 처리와 비교했을 때 원적외선 처리가 보리 묘목의 내한성을 향상시키는 것을 확인했습니다. 이 과정은 보리 묘목의 ABA 및 IAA 함량 증가와 관련이 있습니다. 15°C에서 원적외선 전처리를 한 보리 묘목을 5°C로 옮기고 7일간 원적외선을 추가로 조사했을 때, 위의 두 처리와 유사한 결과가 나타났지만 ABA 반응은 감소했습니다. 서로 다른 R:FR 비율을 가진 식물은 식물 호르몬(GA, IAA, CTK, ABA)의 생합성을 조절하며, 이는 식물의 내염성에도 관여합니다. 염분 스트레스 조건에서 낮은 R:FR 비율의 광 환경은 토마토 묘목의 항산화 및 광합성 능력을 향상시키고, 활성산소(ROS)와 말론디알데히드(MDA) 생성을 감소시키며, 내염성을 증진시킨다. 염분 스트레스와 낮은 R:FR 비율(R:FR=0.8) 모두 엽록소 생합성을 억제하는데, 이는 엽록소 합성 경로에서 PBG가 UroIII로 전환되는 과정이 차단되는 것과 관련이 있을 수 있다. 반면, 낮은 R:FR 비율은 염분 스트레스로 인한 엽록소 합성 저하를 효과적으로 완화시킨다. 이러한 결과는 피토크롬과 내염성 사이에 유의미한 상관관계가 있음을 시사한다.

광 환경 외에도 다른 환경 요인들이 채소 묘목의 생장과 품질에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 이산화탄소 농도가 증가하면 광포화 최대값(Pnmax)이 증가하고 광보상점이 낮아지며 광 이용 효율이 향상됩니다. 광도와 이산화탄소 농도가 증가하면 광합성 색소 함량, 수분 이용 효율, 캘빈 회로 관련 효소 활성이 향상되어 궁극적으로 토마토 묘목의 광합성 효율과 바이오매스 축적량이 증가합니다. 토마토와 고추 묘목의 건중량과 밀도는 일조량(DLI)과 양의 상관관계를 보였으며, 동일한 DLI 조건에서 온도 변화 또한 생장에 영향을 미쳤습니다. 23~25℃의 환경이 토마토 묘목 생장에 가장 적합했습니다. 연구진은 온도와 광 조건을 고려하여 배아 분포 모델을 기반으로 고추의 상대 생장률을 예측하는 방법을 개발했으며, 이는 고추 접목 묘목 생산의 환경 조절에 과학적인 지침을 제공할 수 있습니다.

따라서 생산 과정에서 광 조절 방식을 설계할 때는 광 환경 요인과 식물 종류뿐만 아니라 묘목 영양 및 수분 관리, 가스 환경, 온도, 묘목 생장 단계와 같은 재배 및 관리 요인도 고려해야 합니다.

4. 문제점 및 전망

첫째, 채소 모종의 광 조절은 매우 정교한 과정이며, 식물 공장 환경에서 다양한 광 조건이 각기 다른 종류의 채소 모종에 미치는 영향을 상세히 분석해야 합니다. 이는 고효율, 고품질 모종 생산이라는 목표를 달성하기 위해서는 지속적인 연구를 통해 성숙한 기술 시스템을 구축해야 함을 의미합니다.

둘째로, LED 광원의 전력 이용률은 비교적 높지만, 인공 조명을 이용한 묘목 재배에서 가장 큰 에너지 소비는 식물 조명입니다. 식물 공장의 막대한 에너지 소비는 여전히 식물 공장 발전을 저해하는 병목 현상입니다.

마지막으로, 농업 분야에서 식물 조명의 활용이 확대됨에 따라 LED 식물 조명의 가격은 향후 크게 하락할 것으로 예상됩니다. 반면, 특히 코로나19 이후 노동력 부족으로 인한 인건비 상승은 생산의 기계화 및 자동화를 가속화할 것입니다. 앞으로 인공지능 기반 제어 모델과 지능형 생산 설비는 채소 모종 생산의 핵심 기술 중 하나가 되어 식물 공장 모종 기술의 발전을 지속적으로 촉진할 것입니다.

저자: Jiehui Tan, Houcheng Liu
기사 출처: 농업공학기술(온실원예) 위챗 계정