Effect of Plasma-activated Water Process on the Growth and Functional Substance Content of Lettuce during the Cultivation Period in a Deep Flow Technique System

We suggest a hydroponic cultivation system combined with a plasma generator to investigate the changes in the growth and functional substance content of lettuces during the cultivation period. Lettuce seedlings of uniform size were planted in semi-DFT after seeding for 3 weeks, and the plasma-activated water was intermittently operated for 1 hour at an 8 hours cycle for 4 weeks. Lettuces grew with or without plasma-activated water with the nutrient solution in hydroponics culture systems. Among the reactive oxygen species generated during plasma-activated water treatment, brown spots and necrosis appeared in the individuals closer to the plasma generating device due to O3, and there was no significant difference in the growth parameters. While the rutin and total phenolic content of the lettuce shoot grown in the nutrient solution were higher than that of the plasma-activated water, epicatechin contents in plasma-activated water were significantly greater than the nutrient solution. However, in the roots, all kinds of secondary metabolites measured in this work, rutin, epicatechin, quercetin, and total phenolic contents, were significantly higher in the plasma-activated water than the control. These results were indicated that the growth of lettuce was decreased due to the reactive oxygen species such as ozone in the plasma-activated water, but the secondary metabolites in the root zone increased significantly. It has needed to use this technology for the cultivation of root vegetables with the modified plasmaactivated water systems to increase secondary metabolite in the roots. Additional key words : hydroponics, nitrate(NO3 -), plasma-activated water, reactive oxygen species, secondary metabolites Protected Horticulture and Plant Factory, Vol. 29, No. 4:464-472, October (2020) DOI https://doi.org/10.12791/KSBEC.2020.29.4.464 pISSN 2288-0992 eISSN 2288-100X †These authors contributed equally to this work *Corresponding author: kang@kimm.re.kr Received September 25, 2020; Revised October 16, 2020; Accepted October 17, 2020 담액수경재배 시스템에서 플라즈마수 처리가 상추의 생육 및 페놀류 함량에 미치는 영향 시설원예·식물공장, 제29권 제4호 2020년 465 의 반응을 통해 생성된 활성종은 용존 되는데, 이를 플라즈마 활성수(plasma-activated water)로 정의한다(Leys, 2009; Kang 등, 2015). 플라즈마 활성수의 주된 성분인 활성질소종(reactive nitrogen species, RNS)은 식물체에 공급하는 양액을 구성하는 요소 중 하나로, 질소(N)는 전사 및 mRNA 안정성에 영향을 미치 는 경로를 통해서 특정 단백질의 발현을 조절하며(Sugiharto 와 Sugiyama, 1992), 아미노산에 결합하여 뿌리발달, 신진대 사 등의 신호전달로도 작용할 수 있다. 또한, 질소 공급원은 알 칼로이드(Zhong, 2001), 안토시아닌 등의 화합물의 2차 합성 에 중요한 역할을 한다고 보고되었다. 그리고 질소의 함량이 높아지면 화훼류에서 개화까지의 기간이 단축된다는 연구 결 과도 발표되었다(Amarjeet 등, 1996). 그뿐만 아니라 플라즈 마 활성수 생성 과정에서 발생하는 H2O2는 안정적인 활성산 소종(reactive oxygen species, ROS)으로, 식물에서 신호 분 자의 역할을 한다(Hung 등, 2005). 식물체에 H2O2를 처리할 경우 생장조절 호르몬인 abscisic acid(ABA)와 gibberellic acid(GA)이 조절되어 종자 발아를 촉진시키며(Bahin 등, 2011), 산화스트레스와 관련한 이차대사산물의 증가에 영향 을 주는 것으로 알려져 있다(Orozco-Cárdenas 등, 2001). 유 칼립투스(Eucalyptus pulverulenta)의 경우 H2O2 0.5%와 1% 에 침지했을 때 α-pinene과 1,8-cineole의 함량이 증가했다고 보고되었으며(Baik와 Yi, 2018), 렌틸콩에서 항산화 능력과 phenolic acid 함량의 증가를 촉진하는 것으로 알려졌다 (Swieca, 2015). 또한, 생성된 플라즈마수로 식물을 재배했을 때 콩의 발아율 및 줄기 생장을 향상시켰으며(Zhang 등, 2017), 무는 발아율이 80%, 토마토는 줄기가 60% 더 높았다 고 보고되었다(Sivachandiran 등, 2017). 상추(Lactuca sativa L.)는 1년생 초본식물로 지상부는 쌈 채 소 및 샐러드로 사용되고 있으며 비타민 A, B, C와 다량의 철분 및 섬유소를 포함하고 있는 것으로 알려져 있다(Jang 등, 2007). 상추의 폴리페놀(polyphenol) 중 하나인 rutin은 플라보노이드 배당체로(Kreft 등, 1999) 섭취 후 3,4-dihydroxyphenyl acetic acid(DHPAA), 3,4-dihydroxytolene (DHT), 3-hydroxyphenyl acetic acid(HPAA)와 같은 다양한 대사산물로 전환되고 (Jaganath 등, 2009; Pashikanti 등, 2010) 혈관의 투과성과 동 맥 경화의 위험을 감소시키며 고혈압을 감소시키는 효능이 있 다고 보고되었다(Wojcicki 등, 1995). 또한, 상추가 가진 기능 성 물질 중 quercetin도 flavonoid 계열의 성분으로 인체에서 항염증 및 항산화 효과가 있으며(Lee 등, 2015; Kang 등, 2010), epicatechin은 알츠하이머와 같은 신경성 질환을 예방 할 수 있다고 보고되었다(Lee 등, 2006). 그 외에도 기능성 색 소로 카로티노이드(carotenoid)와 안토시아닌(antocyanin) 성분이 존재하며(Mulabagal 등, 2010), 이러한 2차 대사산물 을 증가시키기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 수경재배는 토양 없이 물을 이용해 작물에 양분을 공급하는 시스템으로, 안정적인 수확이 가능하고 균일한 크기의 작물 을 생산할 수 있다는 특징이 있다. 국내 수경재배는 무농약 고 품질 원예작물에 대한 소비자의 기호가 늘어가면서 증가하였 으며, 최근에는 친환경적인 방식으로 상품의 품질을 높이려 는 연구와 기술의 전환이 이루어지고 있다(Yu와 Bae, 2005). 또한, 소비자는 면역력 증진, 항바이러스 효과 등과 같이 기능 성 강화식품에 대한 관심도가 높아지고 있으며(Rha 등, 2014), 이에 따라, 식물의 2차 대사산물을 이용하여 제품 가공 및 개발 연구가 활발해지고 있다(Lee 등, 2018). 따라서 본 연구에서는 담액수경재배 시스템(deep flow technique, DFT)과 플라즈마 발생장치를 결합하여 상추 재배 기간 동안 간헐적 플라즈마수 처리가 생육 및 페놀류 함량에 미치는 영향에 대해 알아보고자 수행되었다.