[번역중] 과일의 영양분 관리

이 내용은 Indian Journal of Fertilizer에 게재된 Nutrient Management in Fruit Crops의 내용 번역을 원문과 함께 올린 것입니다. 어려운 단어가 많아 번역이 쉽지 않네요. 그래도 관심 있으신 분들은 참조 하시길...

Fruits crops by the virtue of their nutritional qualities have already emerged as a major alternative, cutting short the

menacing load on the consumption of traditional monotonous cereal/tuber crop-based diet. Nutrient management

based production system of perennial fruit crops is inherently complex to understand due to large variation in nutrient

use efficiency (NUE). Current state of diagnosis of nutrient constraints in current season standing crop has

minimum efficacy. Therefore, development of production- linked nutrient norms using crop specific index plant parts,

needs a thorough revisit at orchard level using conventional basin irrigation versus fertigation. Application of

hyperspectral analysis as proximal sensing of nutrient stress has started imparting precision to nutrient constraint

diagnosis. On the other hand, the biggest constraint in making soil test ratings more purposeful is the non-redressal

of spatial variation in soil fertility in form of soil fertility analogues vis-a-vis fruit crops. Conjoint use of geoinformatics

and nutrient experts as decision support tool(s) accommodating site specific nutrient management strategy, newer

concept of fertigation such as open field hydroponics and variable rate application as possible improvements in NUE

collectively using logical relationship between canopy volume and nutrient requirement, exploiting further the nutrient–

harmone and nutrient-microbe (in consortium mode) synergies have yielded definite edge over conventional methods

of nutrient management options in fruit crops.

과일은 영양분이 아주 많아 곡물이나 감자, 고구마 등을 중심으로 한 전통적인 식생활을 위협할 대체재로 떠올랐다. 다년생 과일의 생산 시스템에 대한 영양분 관리는 쉽게 이해할 수 없는 어쩔수 없는 복잡함이 있다. 그 이유는 영양분 사용 효율(NUE, Nutrient Use Efficiency)의 분포가 넓기 때문이다. 올 시즌에 재배되고 있는 작물에 대한 영양분 제한 처방은 현재로서는 효과가 거의 없는 실정이다. 그러므로, 작물별 생장 단계별로 특화된 지표를 활용하여 생산 연계 영양분 표준을 개발해야 한다. 이를 위해 수반관개를 사용하는 전통 과수원과 적하시비법을 사용하는 과수원을 직접 방문, 조사하여 비교할 필요가 있다. 영양분 스트레스의 근접 검출을 위한 초분광 분석기법 도입은 영양분 제한 처방에 비를 전하기 시작 했다.  반면, 토양 검사 결과에 따른 등급을 목적에 잘 부합하게 만드는 데 가장 큰 제약은, 과일에 대한 토양 비옥도가 위치에 따라 달라지며 그것을 보정하지 않는 것이다. 지리정보학 및 영양학 전문가의 협업을 통해 특정 장소별 영양분 관리 전략을 수립하는 것은 개방형 수경재배나 단계별 시비율 변화법과 마찬가지로 새로운 적하시비법 개념 중 하나이다. 이러한 NUE 제고 아이디어들은 선택적으로 덮개의 부피와 영양분 요구량 사이에 논리적 관련성을 가지고 있다.   이용하다    영양소 호르몬과 영양소 미생물이 시너지를 내어 전통적 방식의 영양소 관리 방식보다 훨씬 나은 결과를 보여 주었다. 

INTRODUCTION

Perennial fruit crops represent hardly 1% of the global agricultural land area, but Mediterranean region covers maximum of 11% area, which are of great economic importance in world trade and tariff (34). On the other hand, Indian fruit industry occupies 6.82 million ha with a total production of 80.96 million

tons (48). Approximately 1.7 million (2.8%) of deaths worldwide are attributable to micronutrient deficiency induced through lesser consumption of fruits and vegetables and regarded as top 10 selected risk factors for global mortality (185). In the 21st century, nutrient efficient plants will play a major role in

increasing crop yields compared to the 20th century, mainly due to limited land and water resources available for crop production, higher cost of inorganic fertiliser inputs, declining trends in crop yields globally, and increasing environmental concerns. 

도입

다년생 과일이 전세계 경작지 면적에서 차지하는 비중은 1% 밖에 되지 않는다. 하지만 지중해 지역에서는 경작지 면적의 최대 11%를 차지하고 있다. 지중해 시장은 세계 무역에 있어 커다란 경제적 위치를 점하고 있다. 반면에 인도 과일 산업의 경우는 6.82백만 핵타의 면적에서 80.96백만톤의 생산량을 보이고 있을 뿐이다. 과일과 야채의 섭취 부족으로 인해 micronutrient가 부족해 지는 경우 대략 1.7백만명(전 세계 인구의 2.8%)이 사망에 이르게 될 것으로 전망 된다. 이는 전세계 사망 위험 요인 톱 10 중 하나이다. 20세기에 비해 작물 생산이 증가한 21세기에는 영양소 효율적 작물이 중요한 역할을 하게 될 것이다. 그 이유는 작물 생산에 필요한 토양및 수자원의 부족과 무기질 비료 투입비용 증가, 전세계 작물 수확량 감소 추세, 환경에 대한 우려 증가 등이 있다.   

Furthermore, at least 60% of the world’s arable lands have mineral deficiencies or elemental toxicity problems, and on such soils fertilisers and lime

amendments are essential for achieving improved crop yields (94). In the light of climate change related issues, perennial fruit trees play an important role in

carbon cycle of terrestrial ecosystems and sequestering atmospheric CO2 (71, 41). Net C sink and C storage in biomass of apple orchard ranged from 19 to

32 Tg C, respectively, and from 230 to 475 Tg C in 20 years period, amounting to 4.5% of total net C sink in the terrestrial ecosystems in China(189). In an estimate, it has been obsersved that an acre of apple orchard fixed about 20

tonnes of CO 2 from the air each season, and provided over 15 tonnes of O

2, equivalent to over 5 billion BTU’s of cooling power (67). While other studies showed that citrus trees carbon sequestration in biomass ranged from 23.9 tonnes CO 2/ha for young trees to 109 tonnes CO 2 /ha for mature trees (84).

또한 세계 경작지 면적의 최소 60%가 미네랄 부족 및 산성화 문제를 겪고 있어 비료 시비와 알칼리 성분 보정 등을 해야만이 수확량 증대를 이룰 수 있다. 기후 변화 관련 문제에 있어서도 다년생 과일나무들이 중요한 역할을 한다. 바로 대기 중의 이산화탄소를 제거함으로 육지 생태계의 탄소 순환에 일조하는 것이다. 사과 농장의 순 탄소 흡수 및 저장량은 각각 19~32 Tg C이며, 20년을 놓고 봤을 때는 중국 전체 육상생태계 탄소 흡수량의 4.5%에 해당하는 230~475Tg C에 달한다. 추산컨데 1 에이커의 사과 농장은 각 시즌 별로 20톤의 이산화탄소를 포집하고, 15톤 이상의 산소를 뱉어 내는 것으로 보인다. 이는 50억 BTU 이상의 열 에너지와 맞먹는 수준이다. 그리고 다른 연구에서는 레몬나무가 흡수하는 헥타르 당 이산화 탄소의 양이 어린 나무는 23.9톤, 장성한 나무는 109톤이라고 밝히고 있다.

Fruit crops by the virtue of their perennial nature of woody framework (Nutrients locked therein), extended physiological stages of growth, differential root distribution pattern (root volume distribution), growth stages from the point of view of nutrient requirement and preferential requirement of some nutrients by specific fruit crop, collectively make them nutritionally more efficient than the annual crops (159, 111). There will be an increasing importance of nutrient efficient cultivars that are higher producers. Nutrient efficient plants are defined as those plants, which produce higher yields per unit of nutrient, applied or absorbed than other plants (standards) under similar agroecological conditions. Horticultural crops occupy 10% of cultivated area. Share of fertiliser use in horticulture has risen from 2% in 1990s to 8% in 2012-13 (Average application rate: 159 kg/ha with N:P:K use ratio 1.6:0.9:1.0), with banana and grapes being two most heavily fertilised fruit crops (19). 

과일은 다년생 작물로서 영양분을 식물 내에 내재할 수 있다는 장점으로 인해 다음과 같은 특징을 가지고 있다. 성장의 생리학적 단계를 확장하였으며, 뿌리의 산포 형태를 다양하게 하였고, 특정 과일의 영양분 필요 측면 및 특정 영양분 선호 측면에서 생장 단계를 확장 하였고 결과적으로 1년생 작물에 비해 영양분 사용에 있어 효율적으로 되었다. 앞으로 영양소를 효율적으로 사용해 생산량을 높일 수 있는 품종에 대한 니즈가 증가할 것이다. 영양소 효율적 작물이란 유사한 영농생태계에서 여타 일반 작물과 비교할 때 영양소 단위 당 수확량이 많은 작물을 의미한다. 원예작물은 경작지의 10%를 차지한다. 원예작물의 비료 사용 비중은 1990년의 2%에서 2012-13년의 8%로 상승하였다(평균 시비량은 헥타르 당 159kg이었으며, NPK 사용 비율은 1.6:0.9:1.0이다). 그 중 바나나와 포도가 가장 비료를 많이 사용한 품종이었다. 

During the last three decades, much research has been conducted to identify and/or breed nutrient efficient plant species or genotypes/cultivars within different fruit species but the success in releasing nutrient efficient cultivars has been limited. The main reasons for limited success are that the genetics of plant responses to nutrients and plant interactions with environmental variables are not well understood (33). Fruit crops by the virtue of their perennial nature of woody framework (Nutrients locked therein), extended physiological stages of growth, differential root distribution pattern (root volume distribution), growth stages from the point of view of nutrient requirement and preferential requirement of some nutrients by specific fruit crop, collectively make them different than the annual crops (165, 2008; 140, 141).

지난 30년 간, 영양소 효율적 작물 종 혹은 서로 다른 과일 간의 유전자형/품종을 파악하고 교배시키기 위한 많은 연구가 행해 졌지만 그다지 성공적이지는 않았다. 그 주요 원인은 유전적으로 작물이 어떻게 영양소에 반응하고, 환경적 변수와 교류하는지에 대한 이해가 부족했기 때문이다. 과일은 다년생 작물로서 영양분을 식물 내에 내재할 수 있다는 장점으로 인해 다음과 같은 특징을 가지고 있다. 성장의 생리학적 단계를 확장하였으며, 뿌리의 산포 형태를 다양하게 하였고, 특정 과일의 영양분 필요 측면 및 특정 영양분 선호 측면에서 생장 단계를 확장 하였고 결과적으로 1년생 작물에 비해 영양분 사용에 있어 효율적으로 되었다.

Microbes are considered gateway to improved use efficiency of applied fertilisers. A still bigger question emerges, whether rhizosphere competent microbes could collectively contribute towards improved resilience of plant’s rhizosphere (184). And if those microbes are so successful in promoting growth response, addition of starter nutrients in such combination may further magnify the magnitude of response called nutrient-microbe synergy. Our earlier studies have shown that rhizosphere effective microbes have the tendency to play multiple roles (103, 138, 54) to overcome various biotic and abiotic stresses while interacting with an environment. A sound understanding of nutrientmicrobe synergy could possibly lay a solid foundation in unlocking the productivity potential of perennial fruit crops, besides safeguarding the soil health, both physic-chemically as well as biologically. In this background, incise efforts have been made to analyse various aspects of an effective nutrient management in giving the desired fillip to the productivity of fruit crops.

미생물은 시비된 비료의 효율성을 높이기 위한 관문이라고 할 수 있다. 하지만 여기서 더 큰 의문이 드는 것은 근권(토양 중에서 식물의 뿌리가 영향을 미치는 범위) 주의의 미생물이 전체적으로 식물 근권의 회복력을 향상시키는데 기여할 수 있는가 하는 점이다. 만약 이 미생물들이 식물 생장을 촉진 시키는데 기여할 수 있다면 영양소-미생물 시너지라고 하는 방식을 활용할 수 있을 것이다. 이는 미생물과 영양분의 혼합을 통해서 작물의 반응 규모를 보다 확장하는 방식이다. 이전 연구를 통해 근권에 효과적인 미생물은 환경에 적응하는 과정에서 여러가지 다양한 생물학적 미생물학적 역경들을 극복할 수 있도록 하는 역할을 수행 한다는 것이 밝혀 졌다. 영양소-미생물 시너지에 대한 올바른 이해를 통해 다년생 과일 작물의 생산성 잠재력을 증진할 수 있는 확실한 기반을 제공할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 물리적, 화학적, 생물학적으로 토양이 건강해질 수 있는 보호장치를 마련할 수 있다는 점에서 의미가 있다. 이러한 배경 하에, 과일의 생산성 향상을 목적으로 특정 영양소를 제대로 공급하기 위한 효과적인 영양소 관리의 다양한 측면을 분석 하기 위해 엄청난 노력이 기울여 졌다.     

LEAF NUTRIENT DIAGNOSTICS : LINKAGE TO PRODUCTIVITY

Plant nutritionists across the globe are on their toes to find ways and means to identify nutrient constraints as early in standing crop season as possible while dealing with perennial crops (148). Exciting progress has been made over the years, and accordingly, the basis of nutrient management strategy has experienced many paradigm shifts 140). While doing so, it is being increasingly felt to have some diagnostic tool to identify nutrient constraint as and when it originates by capturing the signals released at subcellular level. On the other hand, conventionally used diagnostic tools of identifying nutrient constraints such as leaf analysis (Table 1), soil analysis, juice analysis, and to some extent, metalloenzymebased biochemical analysis, all have been under continuous use and refinement(141, 145). But despite so much of genuine efforts worldwide, no one of these alone provides complete information, except the combined use of leaf and soil analysis, which are used on a comparatively wider scale (170, 171). Establishment of absolute figures of normal, deficient or excess nutrient level are not real, unless the dynamic aspect of leaf nutrient concentration is considered, especially when various nutrients interactions produce resonance within close space of tissue composition (165). Tertiary diagrams and nutrient ratios are early representation of interacting nutrients in the tissue compositional space (142).

잎사귀의 영양상태 진단 : 생산성과의 연결고리

전 세계 식물 영양학자들은 다년생 식물을 연구함과 동시에 현재 재배 중인 작물의 영양소 제한을 밝혀내기 위한 방법과 수단을 알아내기 위해 혈안이 되어 있다. 지난 몇년간 대단한 발전이 있었고 그에 따라 영양소 관리 전략에 많은 패러다임 변화가 있었다. 그 와중에 아세포 수준에서 방출되는 신호를 검지함으로써 영양소 제약을 확인할 수 있는 진단 도구의 필요성이 증대 되었다. 반면에 이파리 분석(표1), 토양 분석, 즙 분석, 그리고 금속 효소 기반 생화학 분석까지 포함할 수 있는 영양소 제약 확인을 위한 전통적 진단 도구들은 지속적으로 사용 되면서 개선 되어 나가고 있다. 하지만 전 세계적으로 많은 노력이 기울여 짐에도 불구하고 위의 방식 중 어떤 한 방식만으로는 전체 그림을 볼 수 없다. 비교적 광범위하게 사용되는 잎과 토양 분석의 병행 방법을 통해서는 완성된 정보를 얻을 수 있다. 영양 수준의 정상, 부족, 초과 여부에 대한 절대적 수치를 설정 하는 것은 현실적이지 않다. 잎사귀의 영양소 농도 변화의 역학을 반영할 수 있으며 특히 다양한 영양소의 상호작용이 조직의 밀접한 공간 내에서 공명을 일으키는 경우를 할 수 있다면 현실성을 띌 수 있다. Tertiary 도표와 영양소 비율은 조직 공간 내에서의 영양소 상호 작용에 대한 초기 징후를 보여 주는 것이다.  

Productivity of the plant depends essentially on the nutrient balance and the biological activity. There are definite limitations with the leaf analysis application which is largely dependent upon composition of index leaves or any other plant parts. On the other hand, overlapping phenotypic symptoms of plants deficient in N, S or Fe accompanied by lowered chlorophyll concentration makes the distinction between nutrients most often very difficult (158). Other example of Fedeficiency showing typical chlorosis pattern due to interrupted chlorophyll synthesis may be cited, even though chlorophyll chelates Mg rather than Fe. Nutrient deficiency, thus, involves degradative changes in chloroplast components and additional cellular compartments(172). In the light of these information, an integrative physiological approach was suggested. For example, the use of the peroxidase in the diagnosis of Fe- and Mn- deficiencies prompted checking the utility of the method for citrus cultivars grown on differentially fertile soils. Parallel to what was observed with peroxidase, catalase, and aconitase reduced their levels of activity with Fedeficiency and  increased with Mn-deficiency, facilitated to establish the possibility of using the latter enzyme as an alternative mean of diagnosing Fe- and Mn-deficiencies. In the early diagnosis of mineral deficiencies in lemon trees, aconitase has proved as precise as peroxidase, a specific Femetalloenzyme or even more so (158, 144).

작물의 생산성은 필연적으로 영양소의 밸런스와 생물학적인 활동의 영향을 받을 수 밖에 없다. 잎사귀 분석법은 지표가 되는 잎사귀나 해당 식물의 다른 부분의 구성에 따라 크게 좌지우지될 수밖에 없다는 절대적인 한계가 있다. 반면에, 작물의 질소나 황 또는 철분의 결핍과 엽록소 농도 저하가 동시에 나타나는 표현형 증상이 있는 경우 부족한 영양소가 무엇인지를 판단 하기가 매우 어렵게 된다. 철분 부족의 또 다른 예로 엽록소 합성에 방해를 받음으로 인해 전형적인 위황병 증세를 들 수 있을 것이다. 엽록소는 킬레이트 화학반응에 철분 보다는 마그네슘을 더 중요하게 사용하지만 말이다. 그 말인 즉 영양소 결핍은 엽록체 구성 성분과 기타 세포 조직에 부정적인 변화를 가져온다는 것이다. 이러한 정보로 미루어 볼 때, 통합적인 생리학적 접근법이 효과적일 것으로 판단 되었다. 예를 들어, 철분, 망간 부족을 진단하는 데 페록시다아제(과산화수소에 의해 유기물이 산화하는 것을 촉매하는 산화환원 효소의 총칭)를 사용하는 것은 영양소 상태가 각기 다른 토양에서 재배된 시트러스 작물에 대한 시비 방법의 유용성을 확인하도록 하는데 쓰이게 되었다. 페록시다아제 사용에서 알게된 것과 마찬가지로 카탈라아제(과산화수소를 물과 산소로 분해하는 효소)와 아코니타제는 철분이 부족할때 활동이 침체 되고, 망간이 부족할 때 활발해 진다는 것을 알게 되었다. 이로 인해 철분과 망간 부족을 진단 하는 대안으로서 카탈라아제와 아코니타제를 효소로서 사용하는 것에 대한 가능성을 제시하게 되었다. 시트러스 나무의 미네랄 부족 조기 진단 과정에서 아코니타제는 페록시다아제와 대등하거나 더 나은 진단 효소임이 증명 되었다.

Studies have shown that nutritional status of the responsive tissues transmits signals as a regulator of gene expression and at times, that can become a limiting factor in the process of plant development. There are other interesting improvements such as the determination of the nutrient evolution along the vegetative cycle, the substitution of the critical levels by the critical zone, fractionating the nutrient contents (especially the biologically active ones), and finally implementing the biochemical diagnosis. For the latter, the use of activities of specific enzymatic systems and also of metabolites concerned with photosynthesis, has a good potential to improve the accuracy of nutrient constraint diagnosis over other conventional diagnostics. Many studies suggested that the levels of enzymatic activity could be effectively used as an alternative diagnostic tool to leaf analysis. Since functional analysis of the nutrients is, thus, based on the examination of certain molecular compounds linked with their functional activity (165).

Not surprisingly, proximal sensing through spectral signatures of crop canopies in the field are more complex and often quite dissimilar from those of single green leaves measured under carefully controlled conditions. Even when leaf spectral properties remain relatively constant throughout the season, canopy spectra change dynamically depending upon variation in soil type, vegetation, and architectural arrangement of plant components. Vegetation indices provide a very simple yet elegant method for extracting the green plant quantity signal from complex canopy spectra(1).