.Researchers develop 'electronic soil' that enhances crop growth
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.Researchers develop 'electronic soil' that enhances crop growth
연구진, '전자토양' 개발 작물의 성장을 향상시키는 것
작성자: 린셰핑 대학교 부교수이자 연구 감독자인 Eleni Stavrinidou와 Alexandra Sandéhn 박사. 주요 저자 중 한 명인 학생은 식물 성장을 자극하기 위해 eSoil을 저전력원에 연결합니다. 크레딧: Thor Balkhed DECEMBER 25, 2023
보리 묘목은 뿌리 조직이 새로운 재배 기질을 통해 전기적으로 자극을 받을 때 평균 50% 더 많이 자랍니다. 연구 저널 PNAS에 발표된 연구에서 Linköping University의 연구자들은 다음과 같이 말했습니다. 전기 전도성 "토양"을 개발했습니다. 수경재배로 알려진 토양 없는 재배를 위한 것입니다. "세계 인구가 증가하고 있으며 기후 변화도 겪고 있습니다. 그러므로 이미 존재하는 농업 방식만으로는 지구의 식량 수요를 감당할 수 없다는 것이 분명합니다. 하지만 수경법을 사용하면 도시 환경에서도 매우 통제된 환경에서 식량을 재배할 수 있습니다."
Linköping University 유기 전자 연구소 부교수이자 Electronic Plants 그룹의 리더인 Eleni Stavrinidou는 말합니다. 그녀의 연구 그룹은 이제 eSoil이라고 불리는 수경재배에 맞춤화된 전기 전도성 재배 기질을 개발했습니다. 린셰핑 대학교 연구원들은 전도성 "토양"에서 자라는 보리 묘목을 보여주었습니다. 뿌리에 전기 자극을 가하면 15일 만에 50% 더 자랐습니다. 수경재배는 식물이 흙 없이 자라며 물, 영양분, 뿌리가 부착할 수 있는 물질, 즉 기질만 필요로 한다는 것을 의미합니다. 이는 각 묘목이 필요한 영양분을 정확하게 얻을 수 있도록 물 재순환을 가능하게 하는 폐쇄형 시스템입니다.
따라서 물이 거의 필요하지 않고 모든 영양소가 시스템에 남아 있는데, 이는 전통적인 재배에서는 불가능합니다. 보리 묘목은 묘목을 더 빨리 자라게 하는 인공 전자 토양인 eSoil 내에서 자랍니다. 크레딧: Thor Balkhed 수경재배는 대형 타워에서도 수직재배가 가능해 공간 효율성을 극대화한다. 이미 이러한 방식으로 재배되고 있는 작물에는 상추, 허브 및 일부 야채가 포함됩니다. 곡물은 일반적으로 사료로 사용하기 위해 수경재배로 재배되지 않습니다.
이번 연구에서 연구자들은 보리 묘목이 수경재배를 사용하여 재배될 수 있고 전기 자극 덕분에 더 나은 성장률을 보인다는 것을 보여주었습니다. "이러한 방식으로 더 적은 자원으로 묘목이 더 빨리 자랄 수 있습니다. 우리는 그것이 실제로 어떻게 작동하는지, 어떤 생물학적 메커니즘이 관련되어 있는지 아직 모릅니다. 우리가 발견한 것은 묘목이 질소를 더 효과적으로 처리한다는 것입니다.
하지만 전기 자극이 이 과정에 어떤 영향을 미치는지는 아직 명확하지 않습니다." Starvrinidou는 말합니다. 미네랄울은 종종 수경재배에서 재배 기질로 사용됩니다. 이는 생분해되지 않을 뿐만 아니라 매우 에너지 집약적인 공정을 통해 생산됩니다. 전자배양 기판인 eSoil은 가장 풍부한 바이오폴리머인 셀룰로오스와 PEDOT이라는 전도성 폴리머를 혼합하여 만들어졌습니다. 이러한 조합은 새로운 것은 아니지만, 식물 재배 및 이러한 방식으로 식물에 대한 인터페이스를 생성하는 데 사용된 것은 이번이 처음입니다. 이전 연구에서는 뿌리를 자극하기 위해 고전압을 사용했습니다.
린셰핑 연구진의 장점' "토양" 에너지 소비가 매우 낮고 고전압 위험이 없다는 것입니다. Stavrinidou는 새로운 연구가 수경재배 재배를 더욱 발전시키기 위한 새로운 연구 분야의 길을 열 것이라고 믿습니다. “수경재배가 식량안보 문제를 해결한다고는 말할 수 없습니다. 하지만 특히 경작지가 적고 환경 조건이 열악한 지역에서는 확실히 도움이 될 수 있습니다.” 그녀는 말한다.
추가 정보: 외, eSoil: 작물 묘목 성장을 향상시키는 저전력 생체전자 성장 비계, Proceedings of the National Academy of Sciences(2023). DOI: 10.1073/pnas.2304135120. doi.org/10.1073/pnas.2304135120 에 의해 제공 린셰핑 대학교
https://phys.org/news/2023-12-electronic-soil-crop-growth.html
.Accidental Discovery: How a Whiff of an Unusual Chemical Transforms Seedlings Into Super Plants
우연한 발견: 특이한 화학물질 냄새가 묘목을 슈퍼 식물로 변화시키는 방법
주제:농업생화학광합성식물과학대화테네시대학교 작성자 브래드 바인더, 테네시 대학교 2023년 12월 25일 묘목 성장 식물이 씨앗일 때 특정 화학물질에 노출시켜 '프라이밍'하는 것은 나중에 식물의 성장에 영향을 미칠 수 있습니다.
-연구원들은 씨앗을 에틸렌 가스로 처리하면 씨앗의 성장과 스트레스 내성이 모두 증가한다는 사실을 발견했습니다.
향상된 광합성 및 식물의 탄수화물 생산과 관련된 이 발견은 작물 수확량과 환경 스트레스 요인에 대한 회복력을 향상시키는 데 있어 잠재적인 돌파구를 제공합니다. 다른 유기체와 마찬가지로 식물도 스트레스를 받을 수 있습니다. 일반적으로 더위와 가뭄과 같은 조건이 이러한 스트레스를 유발하며, 스트레스를 받으면 식물이 크게 자라지 않거나 생산량을 많이 얻지 못할 수 있습니다.
이는 농부들에게 문제가 될 수 있으므로 많은 과학자들이 탄력성을 높이기 위해 식물을 유전자 변형하려고 시도했습니다. 그러나 더 높은 작물 수확량을 위해 변형된 식물은 스트레스에 대한 보호보다 성장에 더 많은 에너지를 투입하기 때문에 스트레스 내성이 더 낮은 경향이 있습니다. 마찬가지로 식물이 스트레스에서 살아남는 능력을 향상시키면 식물은 성장보다 보호에 더 많은 에너지를 투입하기 때문에 생산량이 줄어드는 경우가 많습니다.
-이러한 난제 때문에 작물 생산을 개선하기가 어렵습니다. 저는 식물 호르몬인 에틸렌이 어떻게 식물의 성장과 스트레스 반응을 조절하는지 연구해 왔습니다. 2023년 7월에 발표된 연구에서 우리 연구실에서는 예상치 못한 흥미로운 관찰을 했습니다.
우리는 종자가 일반적으로 지하에 있기 때문에 어둠 속에서 발아할 때 에틸렌을 첨가하면 성장과 스트레스 내성이 모두 증가할 수 있다는 것을 발견했습니다. 에틸렌은 식물 호르몬입니다 식물은 이동할 수 없기 때문에 더위나 가뭄과 같은 스트레스가 많은 환경 조건을 피할 수 없습니다. 그들은 성장, 발달 및 스트레스 조건에 대처하는 방법을 결정하는 빛과 온도와 같은 환경으로부터 다양한 신호를 받아들입니다.
이 규정의 일환으로 식물은 환경 조건에 적응할 수 있도록 하는 규제 네트워크의 일부인 다양한 호르몬을 생성합니다. 에틸렌은 기체 식물 호르몬으로 처음 발견되었습니다.
-100년 전. 그 이후로 연구에 따르면 연구된 모든 육상 식물은 에틸렌을 생산하는 것으로 나타났습니다. 성장을 조절하고 스트레스에 반응하는 것 외에도 가을에 잎의 색을 바꾸고 과일 숙성을 촉진하는 등 다른 과정에도 관여합니다. 식물을 '프라이밍'하는 방법으로서의 에틸렌 저의 연구실에서는 식물과 박테리아가 에틸렌을 감지하는 방법과 이것이 다른 호르몬 경로와 상호작용하여 식물 발달을 조절하는 방법에 중점을 두고 있습니다.
이 연구를 수행하는 동안 우리 그룹은 우연한 발견을 했습니다. 우리는 어두운 방에서 씨앗이 발아하는 실험을 진행하고 있었습니다. 종자 발아는 유리한 조건에서 종자가 휴면 상태에서 묘목으로 전환되는 식물의 삶에서 중요한 시기입니다. 이 실험에서는 씨앗을 며칠 동안 에틸렌 가스에 노출하여 이것이 어떤 영향을 미치는지 확인했습니다. 그런 다음 에틸렌을 제거했습니다. 일반적으로 실험은 여기에서 끝났을 것입니다.
그러나 이 묘목에 대한 데이터를 수집한 후 우리는 이를 가벼운 카트에 옮겼습니다. 이는 일반적으로 수행하는 작업이 아니지만 향후 실험을 위한 씨앗을 얻을 수 있도록 식물을 성체까지 키우고 싶었습니다. 묘목을 빛 아래에 놓은 지 며칠 후 일부 연구실 구성원은 식물이 잠시 동안 에틸렌으로 가스를 배출했다는 예상치 못한 놀라운 관찰을 했습니다. 훨씬 더 컸습니다. 그들은 에틸렌에 노출되지 않은 식물보다 더 큰 잎과 더 길고 더 복잡한 뿌리 체계를 가지고 있었습니다. 이 식물들은 평생 동안 더 빠른 속도로 계속해서 성장했습니다.
에틸렌으로 프라이밍된 플랜트 비교 왼쪽 공장은 에틸렌으로 프라이밍되지 않은 반면, 오른쪽 공장은 프라이밍되었습니다. 두 식물 모두 같은 나이입니다. 출처: 테네시 대학교
녹스빌 바인더 연구소 동료들과 저는 다양한 식물종이 종자 발아 중에 에틸렌에 노출되었을 때 성장 자극을 나타내는지 알고 싶었습니다. 우리는 답은 '예'입니다라는 사실을 발견했습니다. 우리는 발아하는 토마토, 오이, 밀 및 루콜라 씨앗에 대한 단기 에틸렌 처리의 효과를 테스트했는데 모두 더 커졌습니다.
-그러나 이 관찰을 독특하고 흥미롭게 만든 것은 짧은 에틸렌 처리가 염 스트레스, 고온과 같은 다양한 스트레스에 대한 내성을 증가했다는 것입니다. 산소가 부족한 상태입니다. 자극에 대한 짧은 노출로 인한 성장 및 스트레스 내성에 대한 장기적인 영향을 흔히 프라이밍 효과라고 합니다. 이는 펌프를 더 쉽고 빠르게 시동하는 데 도움이 되는 펌프 프라이밍과 유사하다고 생각할 수 있습니다. 연구에서는 다양한 연령과 발달 단계에서 프라이밍 후 식물이 어떻게 자라는지 조사했습니다.
그러나 다양한 화학 물질과 스트레스를 사용하는 씨앗 프라이밍은 수행하기 쉽고 성공할 경우 다음과 같은 방법으로 사용할 수 있기 때문에 아마도 가장 많이 연구되었을 것입니다. 농부. 어떻게 작동하나요? 첫 번째 실험 이후, 우리 연구실 그룹은 에틸렌에 노출된 식물이 더 크게 자라며 견딜 수 있도록 하는 메커니즘이 무엇인지 알아내려고 노력했습니다. 더 많은 스트레스. 몇 가지 잠재적인 설명을 찾았습니다.
-하나는 에틸렌 프라이밍이 광합성을 증가시킨다는 것입니다. 즉, 공정 공장은 빛으로 당을 만드는 데 사용합니다. 광합성의 일부에는 탄소 고정이 포함됩니다. 여기서 식물은 대기에서 CO2를 흡수하고 CO2 분자를 구성 요소로 사용하여 당을 만듭니다.
광합성과 탄소 고정 과정에서 식물은 햇빛을 흡수하여 성장에 사용하는 당으로 변환합니다. 우리 연구실 그룹은 탄소 고정이 크게 증가했음을 보여주었습니다. 이는 식물이 대기로부터 훨씬 더 많은 CO2를 흡수하고 있음을 의미합니다. 광합성 증가와 상관관계가 있는 것은 식물 전체의 탄수화물 수준이 크게 증가한다는 것입니다. 여기에는 식물의 에너지 저장 분자인 전분과 두 가지 설탕인 자당의 대폭 증가가 포함됩니다.
포도당은 식물에 빠른 에너지를 공급합니다. 식물에 이러한 분자가 더 많아지면 성장 증가 및 식물의 더 나은 능력 스트레스가 많은 상황을 견뎌냅니다. 저희 연구는 발아 중 환경 조건이 식물의 크기와 스트레스 내성을 동시에 증가시킬 수 있는 심오하고 장기적인 영향을 미칠 수 있음을 보여줍니다. 이에 대한 메커니즘을 이해하는 것이 그 어느 때보다 중요하며 세계 인구를 먹일 수 있는 작물 생산을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 생화학 및 교수인 Brad Binder가 작성했습니다. 테네시 대학교 세포 및 분자 생물학. 원본이 The Conversation에 게시된 기사에서 수정되었습니다.
.에틸렌은 식물 호르몬
놀랍게도 에틸렌은 식물호르몬으로 과일의 성숙, 꽃의 개화, 잎의 낙엽화를 촉진합니다. 에틸렌은 식물의 잎, 줄기, 꽃, 과일, 뿌리, 씨앗, 땅속줄기 등 어디에서나 배출되며 식물의 노쇠에도 호르몬 작용을 합니다.
따라서 에틸렌 기체는 과일을 빨리 익히거나, 개화를 촉진하거나 늦출 때 사용하기도 합니다. 식물계와 동물계의 생리학적인 차이가 너무도 큼에 놀랄 뿐입니다. 앞으로 식물계 에틸렌에 대한 더 많은 연구가 기대됩니다.
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