작물재배에서 규산시용효과 최근 연구 동향

(제5회 국제규소학술대회를 중심으로)

                                                                                               새턴바이오텍(주) 기업부설연구소장

                                                                                                                                    농학박사 강양순

1. 규산의 중요성

식물이 정상적인 생육을 하는 데는 17가지의 필수원소가 요구된다. 이들 성분들은 모두 토양이나 물과 공기 등 자연에서 천연적으로 공급되지만 늘어나는 지구상의 인구부양을 위한 식량생산에는 못 미쳐 화학비료나 영양제로서 농약과 함께 과잉공급에 따른 환경오염은 물론 식품안전성에서 친환경지속농업이 요구되고 있다.

최근 들어 세계적으로 규산질비료가 친환경농업소재로 각광을 받고 있는 가장 큰 이유이다. 우리나라는 1965년부터 지금까지 벼농사에 규산질비료를 정부가 무상공급해온 세계 유일한 규산질비료 사용국이고 시중에는 함 규산질비료 생산업체가 100여개 정도로 급격히 증가되고 있다.

이러한 규산 선호 현상은 규산의 친환경적 효과가 주요인이기도 하지만 다른 요인으로는 정부가 무상으로 공급하는 기존규산의 효과 및 사용면에서 불리한 점들이 개선된 새로운 제품개발 결과로도 볼 수 있다. 본 연구소에서도 친환경 월간지에서 “큰손규산이야기”를 통한 농업에서 규산의 역할을 지속적으로 홍보해 왔다.

이와 더불어 규산의 농업적 효과에 대한 과학적 연구의 뒷바침이 되고 있는 국제규소학술대회가 과거 10년을 넘은 찬란한 역사를 갖고 있기 때문이다. 1999년 미국 플로리다에서 제1회 국제규소발표회에 이어 2회 발표회는 2002년 일본 쯔루오카에서, 3회 발표회는 2005년 브라질 우버란디아에서, 4회 발표회는 2008년 남아공 콰줄라에서, 5회 발표회는 2011년 중국 북경에서 각각 다수의 논문이 발표되었고 제 6회 발표회는 2014년 노르웨이 암말에서 개최예정에 있으며 제 7회 발표회는 한국에서 유치할 전망에 있다.

과거 10년 넘어 식물분자생물학과 농업에서 규소의 역할에 관한 연구가 급진적이고 괄목할 만큼 성과를 이루어내었다.

이번 제5회 발표회의 주제는 규소와 지속농업발전에 관한 것으로 우수한 학자들과 연구자, 학생들, 비료생산업자들, 비료수요자들이 각자의 최근 연구 성과를 발표하고 국제적 파트너로서 귀중한 경험을 교환하는 포럼이 되었다.

비록 규소가 고등식물의 생장에서 필수원소로 인정되지는 않지만 특히 화본과 식물 즉, 벼, 밀, 보리, 옥수수, 수수 및 사탕수수 등에 대해서는 유익하거나 준 필수성이 증명되어왔다.

고등식물에서 유익한 효과로는 식물이 병해충과 재배환경 스트레스들인 알루미늄과 중금속 독성, 염류장해, 한발과 고온장해, 냉해, 영양결핍장해 및 자외선 등에 노출되었을 때 아주 월등하다.

특히 최근 들어 규산을 많이 흡수하는 벼에서 규산흡수유전자의 존재가 일본 학자(Ma, 2006)에 의해서 밝혀짐으로서 많은 연구자들은 규산을 적게 흡수하는 식물세포에 벼의 규산흡수유전자를 형질 전환시킨 식물체의 규산효과 연구가 활발히 진행되고 있어 농작물재배에서 규산 역할의 중요성이 부각되고 있다.

아시아, 아프리카, 북남미 국가들에서는 광재 칼슘규산비료가 상업화되어 벼와 사탕수수에 널리 사용되고 있고 한국과 일본에서는 수용성규산도 개발되어 엽면시비도 가능하게 되었다.

오늘날 규소는 농업의 지속성에서 더 더욱이나 중요한 역할을 하고 있다. 과거 20년 동안 식물과 농업에서 규소의 역할은 기초와 응용 연구에서 큰 발전으로 세계적인 학자들과 정부관료 및 농민들에게도 넓게 인식되었다.

특히 미국과 러시아에서는 농작물 생산에 친환경농자재로 인증제가 실시되고 있으나 한국에서는 아직도 규산의 농업적 이용 효과에 관한 이해 부족으로 병해충자재로만 인증되어 있고 작물의 재배생육용으로는 배제되고 있는 안타까운 실정에 있다.

이리하여 본고는 제 5회 국제규소학술대회에서 발표된 규산효과에 관한 세계적인 연구 발표 내용을 토대로 우리나라 친환경농업 실천을 위한 작물재배에서 규산의 효과를 소개하고자 한다.

2. 국제규소연구 발표동향

이번 학술대회에서는 28개국 150여명의 참여자로부터 112편의 연구논문이 발표되었다. 발표 논문은 아시아 9개국에서 73편으로 과반수이상 치우쳐 있고 다음이 유럽 10개국에서 16편으로 약 14%를 점하며 나머지 중남미 3개국에서 7편, 아프리카 2개국, 북미 2개국에서 각각 5편씩이었다.

국가별로는 중국에서 아시아 발표 건수의 과반수인 36편(49%)을 차지하여 전체국가 중에서는 32%로서 가장 많은 발표를 하였고 이란에서 12편, 인도에서 8편, 브라질에서 5편에 이어 대부분 국가들에서는 1-4편이 발표되었다. 중국은 BC경에 이미 보릿짚을 규산소재로 사용한 오랜 역사와 이번 제 5회 주최국으로서 가장 많은 발표국가로 나타났다. 물론 과거 발표대회에서도 주최 국가에서 발표건수가 많았고 국별 초청연사의 안배로 이번과 비슷한 발표경향이었고, 한국에서는 경상대 정병룡교수가 원예작물로 2편을 발표하였다.

그리고 작물별 발표 건수는 30종의 작물에 대한 107편의 논문이 발표되었다. 11종의 화본과 작물에 관한 연구는 80편으로 75%를 차지하고 15종의 원예작물에서 20편, 콩과 특용작물에서 8편이 발표되었다.

화본과 식량작물로는 벼에 관한 연구가 46편으로 가장 많은 43%를 점하고 밀 10편 9.3%, 사탕수수 8편 7.5%, 옥수수 6편, 수수 3편, 보리, 트리티케일, 핑거밀렛, 잔디 등이 1-2편 발표되었다.

원예작물은 9종의 채소에서 1-2편, 국화와 장미에서 각각 2편씩, 포도 3편, 체리, 바나나 각 1편씩 발표되었다.

4종의 콩과 특용작물에서 콩은 3편, 땅콩 2편, 담배 2편 해바라기 1편이 발표되었다.

분야별 발표건수는 작물생육형질 38편, 병해충방제 20편, 중금속장해 12편, 생리생화학 11편, 분자생물학 10편, 규산분석법 10편, 기상재해방제 6편, 염류장해 5편으로 분포되었다.

작물생육에 관한 연구가 35%로 주종을 이루었고 병해충방제 19%, 중금속 및 염류장해 등 화학적 스트레스 연구가 15%, 기상재해 등 물리적 스트레스연구 5%로 작물생육 스트레스 경감연구로 이루어졌다.

3. 작물재배에서 규산의 필수성

규소는 식물생육에서 필수원소로 인정되고 있지는 않지만 작물재배에서 광합성효율을 증진시키는 생육촉진효과와 생육을 저해시키는 병충해, 기상재해, 중금속 등 화학적 장해 등 각종 저해요인을 경감시키는 효과로 잘 알려져 있다.

이번 대회에서는 작물재배에서 규소의 필수성을 제시하는 연구내용들이 부각되었다.

o DNA와 RNA에서 규소분포와 생리적 기능

1986년 러시아 생화학자 Alyoshin에 의해서 식물의 에너지 합성장소인 종자배아와 엽록체 및 미토콘드리아의 유전정보 전달물질인 DNA와 RNA에서 규소의 존재가 최초로 알려진 이후로 존재 의미에 관한 많은 연구가 이루어졌다. 이번 대회에서 Chen 등은(2011) 모든 작물의 종자배유와 세포핵중의 DAN와 RNA에 존재하는 규소가 핵분열과 세포안정성에 관여하는 사실을 밝혀 규소의 필수성이 제시되었다.

o 벼 규소흡수유전자 및 분포유전자의 구명과 형질전환

왜 벼는 식물 중에서 규산을 가장 많이 흡수하는가? 에 대한 의문이 제기되어 왔다. 2006년 일본 농학자 Ma 등은 토양용액 중 규산을 벼 뿌리의 외피조직에서 흡수하여 내피조직으로 전달하는 흡수유전자(LSi1, LSi2)의 역할을 밝혔고 2007년에는 내피조직에서 규산을 물관으로 전달하는 전달유전자(LSi3)를 발표하였으며 2008년에는 물관으로 이동된 규산을 식물의 각 조직으로 분포시키는 분포유전자(LSi6)의 역할을 밝혔다. 그 후 많은 학자들에 의해서 벼의 규산흡수유전자를 타 식물로의 형질전환식물 연구가 활발해지면서 작물의 생육에 규산의 중요성이 인식되는 계기가 되었고 이번 연구대회에서도 벼 규산흡수유전자의 형질 전환된 식물에서 규산의 효과가 검증되는 연구결과들이 다수 발표되었다.

o 유기규산의 존재와 생리적 기능

벼 조직에 유기규산복합물의 존재가 발표된 이후로 규산의 생리생화학적 기능연구가 이루어졌고 함 페놀복합규산이나 규산결합단백질(SBP)에서 라이신이나 proline 단백질은 규산과 상호작용으로 중합과정을 촉진시키는 것으로 밝혀져 규산의 생리생화학적 기능에 관여될 것으로 보고되었다.

4. 지구온난화와 환경오염에 따른 규산의 작물생육스트레스 경감 효과

지구온난화로 열대성병해충의 서식환경이 좋아져서 농작물생육에 대한 생물적 스트레스가 증가되고 이상기후의 빈발로 가뭄피해, 홍수피해, 냉해, 고온장해, 해일피해, 조풍피해, 지진피해, 낙뢰피해 및 자외선피해 등 물리적 스트레스도 가중되고 있다.

그리고 화학비료나 농약 등의 과용으로 대기오염, 수질오염 및 토양오염 등의 환경오염으로 농경지 염류장해나 중금속장해 등 화학적 스트레스를 갖는 재배환경에 처해지고 있다.

이러한 다양한 스트레스 재배환경 하에서 농작물생산에 대한 규산의 경감효과가 이번 학술대회에서도 다수 발표되었다.