Leaf Shape Index, Growth, and Phytochemicals in Two Leaf Lettuce Cultivars Grown under Monochromatic Light-emitting Diodes

단색 발광다이오드에서 자란 축면상추 두 품종의 엽형, 생장 및 기능성 물질

As an artificial light source, light-emitting diode (LED) with a short wavelength range can be used in closed-type plant production systems. Among various wavelength ranges in visible light, individual light spectra induce distinguishing influences on plant growth and development. In this study, we determined the effects of monochromatic LEDs on leaf shape index, growth and the accumulation of phytochemicals in a red leaf lettuce (Lactuca sativa L. 'Sunmang') and a green leaf lettuce (Lactuca sativa L. 'Grand rapid TBR'). Lettuce seedlings grown under normal growing conditions ($20^{\circ}C$, fluorescent lamp + high pressure sodium lamp, $130{\pm}5{\mu}mmol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$, 12 hours photoperiod) for 18 days were transferred into incubators at $20^{\circ}C$ equipped with various monochromatic LEDs (blue LED, 456 nm; green LED, 518 nm; red LED, 654 nm; white LED, 456 nm + 558 nm) under the same light intensity and photoperiod ($130{\pm}7{\mu}mmol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$, 12 hours photoperiod). Leaf length, leaf width, leaf area, fresh and dry weights of shoots and roots, shoot/root ratio, SPAD value, total phenolic concentration, antioxidant capacity, and the expression of a key gene involved in the biosynthesis of phenolic compounds, phenylalanine ammonia-lyase (PAL), were measured at 9 and 23 days after transplanting. The leaf shape indexes of both lettuce cultivars subjected to blue or white LEDs were similar with those of control during whole growth stage. However, red and green LEDs induced significantly higher leaf shape index than the other treatments. The green LED had a negative impact on the lettuce growth. Most of growth characteristics such as fresh and dry weights of shoots and leaf area were the highest in both cultivars subjected to red LED treatment. In case of red leaf lettuce plants, shoot fresh weight under red LED was 3.8 times higher than that under green LED at 23 days after transplanting. In contrast, the accumulation of chlorophyll, phenolics including antioxidants in lettuce plants showed an opposite trend compared with growth. SPAD value, total phenolic concentration, and antioxidant capacity of lettuce grown under blue LED were significantly higher than those under other LED treatments. In addition, PAL gene was remarkably activated by blue LED at 9 days after transplanting. Thus, this study suggested that the light quality using LEDs is a crucial factor for morphology, growth, and phytochemicals of two lettuce cultivars.

인공광원으로써, 단색 파장을 갖고 있는 발광다이오드(light-emitting diode; LED)는 밀폐형 식물생산시스템에서 사용될 수 있다. 가시광선의 다양한 파장범위 사이에서, 각각의 스펙트럼들은 식물의 생육과 발달에 특징적인 영향을 유도한다. 이번 연구는 단색 발광다이오드에 따른 적축면 상추('선망')와 청축면 상추('그랜드래피드 TBR')의 엽형, 생장 및 기능성 물질의 영향을 구명하고자 실시하였다. 정상적인 환경 조건($20^{\circ}C$, 형광등 + 고압나트륨등, $130{\pm}5{\mu}mmol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$, 광주기 12시간)에서 18일간 자란 상추 묘를 다양한 LED 광원(청색 LED, 456nm; 녹색 LED, 518nm; 적색 LED, 654nm; 백색 LED, 456nm + 558nm)이 설치된 같은 환경 조건($20^{\circ}C$, $130{\pm}7{\mu}mmol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$, 광주기 12시간)의 인큐베이터에 정식하였다. 엽장, 엽폭, 엽면적, 지상부 지하부의 생체중 및 건물중, 지상부/지하부 비율, 엽록소 함량, 총 페놀 농도, 항산화도, phenylalanine ammonia-lyase(PAL) 유전자의 발현 정도를 정식 후 9일과 23일째에 측정하였다. 두 상추 품종의 엽형지수는 청색 LED와 백색 LED 처리에서 모든 기간 동안 대조구와 비슷한 결과를 보였다. 그러나 적색 LED와 녹색 LED 처리는 다른 처리보다 엽형을 길게 유도하였다. 녹색 LED 처리는 상추 생육에 부정적인 영향을 보였다. 지상부 지하부의 생체중 및 건물중, 엽면적과 같은 생육 특성의 대부분은 두 축면 상추 모두 적색 LED 처리에서 가장 높았다. 적축면의 경우 정식 후 23일째에 적색 LED 처리의 지상부 생체중은 녹색 LED 처리보다 3.8배 높았다. 반면, 상추의 엽록소, 총 페놀 농도, 항산화도는 생육과 반대의 경향을 보였다. 청색 LED 처리에서 자란 상추의 엽록소 함량, 총 페놀 농도, 항산화도는 다른 LED 처리에 비해 유의적으로 높은 값을 보였으며, PAL 유전자 또한 정식 후 9일째 청색 LED에서 가장 높은 발현 정도를 나타냈다. 따라서 이 실험을 통해서 광질은 상추의 생육, 형태 및 기능성물질의 축적에 중요한 요소로 작용한다는 것을 확인할 수 있었다.