식물과 분자생물학
식물학은 분자생물학의 발전과 궤적을 함께하며 발전해왔습니다식물 분자생물학은 전 세계 수만 병의
과학자들이몰두하는 식물학의 대표적인 분야입니다.최근의 연구결과는 식물도 유전자의 상호작용으로
하루하루 살아간다는사실이 밝혀졌습니다. 유전자가 하나의 물리적인 단위힐 수도 있다는 근거가 된
그레고르 멘델의 연구,유전자가 움직일 수 있다는 바버라 매클린톡의 연구 등 생물학의 흐름을 완전히
바꾼 여러 발견이 식물에서 이루어졌습니다.
하지만 아직도 식물은 연구보다는 심미적인 대상으로만 여겨질 때가 많습니다.
식물은 동물과 달리 모든 부분이 모든 부분으로 자라날수 있습니다.
모든 세포가 될 가능성이 있는 줄기세포가 뿌리 끝과 줄기 끝에 있고,줄기 끝에 있는 세포는 어떤 신호를
받느냐에 따라 잎이 될 수도,줄기가 될 수도 또 꽃이될 수도 있습니다.어떤 신호가 잎으로 자랄 세포의
운명을 되돌릴 수 있는지,그리고 어떤 신호가 줄기 끝 세포를 잎으로자라게 하거나 꽃으로 자라게 하는지
그 세세한 내용이 식물학자들에 의해 연구되어 왔습니다.
식물의 생장
발아.
발아(發芽)는 식물의 씨앗이 싹을 틔우는 과정을 말합니다. 씨앗은 물, 온도, 산소 등 적절한 환경 조건이
갖춰지면 발아가 시작되는데, 이때 씨앗 내부의 배아(胚芽)가 성장하여 뿌리가 내려가고 줄기가 위로
자라면서 새로운 식물이 탄생하게 됩니다. 발아 과정은 식물 생장과정의 시작점으로 매우 중요하며,
특히 농업에서는 발아율이 작물 수확량에 큰 영향을 미칩니다.발아는 물 분자가 씨앗 안으로 침투하면서
시작됩니다.그리고 씨앗 안데 있는 유근이 씨껍질 밖으로 나오면서 끝납니다.발아는 두 단계로 나누는데
물을 흡수하는 1단계가 지나고 나면 씨앗에 저장되어 있던 영양분이 분해되고,미토콘드리아에서
세포호흡을 통해 에너지가 만들어지는2단계가 시작됩니다.
발아는 식물이 자체적으로 만들어 내는 제베렐린 이라는 호르몬에 의해 촉진되고 앱시스산이라는
이또한 식물이 만들어내는 호르몬인데 이 앱시스산에 의해 발아가 지연됩니다. 이것은 모두 식물의 생장에
있어 다음 단계로 도약하기 위한 준비인 것 입니다.
생장.
식물의 성장이 활발해지는 단계로, 뿌리, 줄기, 잎이 더욱 발달하며 광합성을 통해 에너지를 축적하는
중요한 시기입니다. 이 생장기 동안 식물은 충분한 자양분과 에너지를 확보하여 성숙해지고,
이후 꽃이 피고 열매가 맺히는 단계로 준비를 마치게 됩니다.
식물의 생장에는 동물과 마찬가지로 살아가는데 매우 중요한 유전자가 존재하는데 샤페론이라는
유전자 입니다.이 유전자는 동물에게도 존재하는데 샤페론이 줄아들면 식물은 서서히 죽어가게 됩니다.
식물 호르몬 중 하나인 사이토 키닌은 주로 세포 분열과 세포 생장을 촉진하는 역할을 합니다. 이 호르몬은
식물의 뿌리, 씨앗, 과일 등에서 생성되며, 식물의 여러 생리적 과정에 중요한 영향을 미칩니다. 사이토키닌은
옥신(auxin)과 함께 작용하여 식물의 생장을 조절하며, 각기 다른 부위에서 다양한 역할을 합니다.
사이토키닌의 주요 기능과 특징은 다음과 같습니다:
- 세포 분열 촉진: 사이토키닌은 세포가 활발하게 분열할 수 있도록 신호를 보내며,
- 특히 캘러스 형성에 중요한 역할을 합니다. 이때 옥신과 균형을 이루며 작용하는데,
- 옥신과 사이토키닌의 비율에 따라 세포 분화가 달라지게 됩니다.
- 측아(곁가지) 발달 촉진: 사이토키닌은 옥신과 반대 작용을 하여 측아의 성장을 촉진합니다.
- 옥신이 줄기 끝의 생장을 억제하면서 줄기가 길게 자라도록 돕는 반면, 사이토키닌은 옆으로 뻗는 가지를
- 발달시켜 식물이 더욱 넓게 자라도록 합니다. 이로 인해 줄기의 상단보다 하단에서 더 많이 만들어진 옆가지가 나올 수 있습니다.
- 노화 억제: 사이토키닌은 식물 세포의 노화 과정을 억제하여 잎과 줄기 등의 노화 속도를 늦춥니다. 식물의 잎에 충분한 사이토키닌이 공급되면, 잎의 녹색을 오래 유지하면서 광합성 기능이 계속 유지될 수 있습니다. 이 때문에 사이토키닌은 '노화 방지 호르몬'이라고도 불립니다.
- 영양분 분배 조절: 사이토키닌은 식물의 영양분을 잎과 같은 중요한 부위로 이동시키는 역할을 합니다. 예를 들어, 식물이 자라면서 뿌리에서 잎으로 영양분을 효과적으로 전달해주는 역할을 하여, 생장에 필요한 자원을 적절히 분배하게 합니다.
- 환경 스트레스에 대한 반응: 사이토키닌은 환경 스트레스에 대응하여 식물이 적응할 수 있도록 돕습니다. 예를 들어, 가뭄이나 염분 스트레스가 있을 때 사이토키닌이 작용하여 세포 보호에 도움을 줍니다.
사이토키닌은 식물 생리학에서 매우 중요한 연구 대상이며, 이 호르몬을 조절함으로써 식물의 성장을 인위적으로 조절할 수 있는 가능성도 연구되고 있습니다.
개화.
식물의 개화기는 식물이 성숙하여 꽃을 피우는 시기로, 여러 유전자가 이 과정에서 중요한 역할을 합니다. 개화에 관여하는 주요 유전자들은 대개 개화 유도와 꽃 형성에 필요한 신호 전달 및 환경 인식에 관련된 유전자들입니다.
주요 개화 관련 유전자는 다음과 같습니다:
- FT 유전자(Flowering Locus T)
FT 유전자는 꽃의 개화 시기를 조절하는 중심적인 유전자입니다. 이 유전자는 광 주기(햇빛의 길이)에 반응하여 발현되며, FT 단백질을 생성해 개화를 유도합니다. FT 단백질은 잎에서 생성되어 줄기를 통해 성장점으로 이동한 후, 꽃눈을 형성하도록 신호를 전달합니다. 특히 낮의 길이가 길어지는 장일 조건에서 발현이 촉진됩니다. - CO 유전자(CONSTANS)
CO 유전자는 광 주기 변화를 감지하고 FT 유전자의 발현을 조절하는 유전자입니다. 낮과 밤의 길이를 인식하여 FT 유전자의 발현을 촉진하거나 억제합니다. CO 유전자가 활성화되면 FT 유전자가 발현되어 개화를 유도하게 됩니다. 특히 낮 시간이 길어지는 장일 식물에서 중요한 역할을 합니다. - AP1 유전자(APETALA1)
AP1 유전자는 꽃의 초기 형성과정에서 꽃잎과 꽃받침의 발달을 조절하는 유전자입니다. 이 유전자가 활성화되면 꽃의 모양과 구조가 형성되기 시작합니다. AP1 유전자는 개화 시작 이후 꽃의 각 부분이 적절히 형성되도록 조절하는 역할을 합니다. - LFY 유전자(LEAFY)
LFY 유전자는 개화를 조절하는 중요한 전사 인자로, 개화가 시작될 때 발현되어 꽃눈 형성을 촉진합니다. LFY는 AP1과 같은 다른 개화 관련 유전자들을 활성화시켜 꽃의 구조를 형성하는 데 기여합니다. LFY 유전자가 활성화되면 식물이 줄기와 잎을 더 이상 자라게 하지 않고, 대신 꽃을 형성하게 됩니다. - FLC 유전자(FLOWERING LOCUS C)
FLC 유전자는 개화를 억제하는 유전자로, 특히 겨울 동안 발현되어 개화 시기를 지연시키는 역할을 합니다. 그러나 저온 처리(춘화처리)가 이루어지면 FLC의 발현이 억제되어 개화가 촉진됩니다. FLC는 추운 계절이 지나야 개화가 시작되도록 조절하여, 식물이 적절한 시기에 꽃을 피울 수 있게 돕습니다. - GA 유전자(Gibberellin 관련 유전자)
개화에는 식물 호르몬인 **지베렐린(GA)**이 필요합니다. GA 유전자는 지베렐린을 생성하고 이를 통해 개화를 촉진하는 역할을 합니다. 특히 GA는 저온 환경에서 개화가 촉진되는 식물에서 중요한 역할을 합니다.
이들 유전자들은 광 주기, 온도, 호르몬 등 외부 환경 신호에 반응하여 개화 시기를 조절합니다. 이 시스템을 통해 식물은 적절한 시기에 개화하여 번식할 수 있게 됩니다.
결실.
결실기는 식물이 개화와 수정 과정을 마친 뒤, 열매와 씨앗을 형성하는 단계로, 이 과정에서도 여러 유전자가 작용하여 열매와 씨앗의 발달을 조절합니다. 결실기는 식물의 번식 성공 여부에 중요한 영향을 미치며, 이를 위해 다양한 유전자가 협력하여 열매가 제대로 형성되도록 합니다. 다음은 결실기에 중요한 역할을 하는 주요 유전자들입니다.
- AG 유전자(AGAMOUS)
AG 유전자는 열매의 구조 형성에 핵심적인 역할을 합니다. 특히 꽃의 암술과 수술 형성에 기여하며, 결실기에는 열매가 형성되는 부위의 조직을 발달시키는 데 관여합니다. AG 유전자가 적절히 작동하지 않으면 열매가 올바르게 형성되지 않을 수 있습니다. - SHP 유전자(SHATTERPROOF)
SHP 유전자는 열매의 탈리를 조절하는 유전자입니다. 이 유전자는 씨앗이 완전히 성숙한 후 열매 껍질이 벌어지도록 조절하여, 씨앗이 외부로 퍼져나갈 수 있도록 돕습니다. SHP는 주로 꼬투리나 씨앗을 감싸고 있는 열매 조직의 탈리와 관련이 있습니다. - FUS3 유전자(FUSCA3)
FUS3 유전자는 씨앗의 발달과 성숙에 중요한 유전자입니다. 특히 배 발달과 단백질 및 지방 축적을 조절하여 씨앗이 완전히 성숙하고 발아할 준비를 할 수 있도록 합니다. FUS3 유전자는 배아 세포의 분화를 촉진하고, 씨앗의 외부 조직을 강화하여 발아 준비를 완료하게 합니다. - ABI3 유전자(ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3)
ABI3 유전자는 씨앗의 성숙과 건조 내성을 강화하는 데 기여하는 유전자입니다. **앱시스산(ABA)**라는 호르몬과 관련이 있어 씨앗이 성숙하면서 수분을 줄이고 발아를 억제하는 역할을 합니다. ABI3 유전자가 활성화되면 씨앗이 건조한 상태로 들어가 휴면기에 접어들며, 발아에 필요한 준비를 마치게 됩니다. - IND 유전자(INDEHISCENT)
IND 유전자는 열매 껍질의 탈리 과정을 조절하여 씨앗이 분산될 수 있도록 합니다. SHP 유전자와 함께 작용하며, 특히 꼬투리 형태의 열매를 가진 식물에서 열매 껍질이 갈라지면서 씨앗이 방출되도록 돕습니다. 이는 씨앗이 퍼져 나가 번식할 수 있게 돕는 중요한 역할을 합니다. - GA 유전자(Gibberellin 관련 유전자)
지베렐린(GA)은 씨앗 발아를 촉진할 뿐만 아니라, 결실기 동안에도 씨앗과 열매 발달에 중요한 역할을 합니다. GA 유전자는 지베렐린 호르몬의 합성을 조절하며, 열매가 더 크게 자라고 씨앗이 충분히 성숙할 수 있도록 돕습니다. - AP2 유전자(APETALA2)
AP2 유전자는 씨앗의 발달과 열매의 크기를 조절하는 데 관여합니다. 열매의 세포 크기와 수를 조절하여 열매가 적절한 크기와 모양으로 성장하게 하며, 특히 토마토 등 일부 과일 작물의 열매 발달에서 중요한 역할을 합니다.
이 유전자들은 열매와 씨앗의 발달뿐만 아니라, 씨앗이 자연 상태에서 분산되고 발아 준비를 하는 데 필요한 조건을 조절합니다. 결실기에 이들 유전자들이 적절히 작동해야 식물의 번식이 성공적으로 이후어지고 이후 세대가 지속될수 있습니다.
휴면기.
- ABI3, ABI5 유전자: 앱시스산과 관련된 유전자로, 휴면 유지를 돕는 역할을 합니다. 씨앗이 발아하지 않도록 억제하고 휴면 상태를 유지하도록 합니다.
- DOG1 유전자: 씨앗의 휴면을 조절하는 유전자로, 수분이 부족하거나 온도가 낮은 경우 씨앗의 발아를 억제하는 역할을 합니다.
- GA 유전자(Gibberellin 관련 유전자): 휴면 돌파기 단계에서 지베렐린 호르몬을 생성하여 발아를 촉진하는 역할을 합니다. 휴면이 해제되는 시점에서 중요하게 작용합니다.
.환경과 휴면의 관계
식물은 주변 환경의 온도, 일조 시간, 수분 등 변화를 감지하여 휴면기에 들어갑니다. 겨울철의 한랭기나 건조한 시기, 빛의 부족 등의 요인이 모두 휴면에 영향을 줍니다. 휴면기는 종종 겨울 동안 발생하나, 열대 지방 식물은 건조한 계절에 휴면기에 들어가는 경우가 많습니다.
휴면기는 식물이 생장 조건이 좋지 않은 환경에서도 생존할 수 있도록 돕는 중요한 적응 과정으로, 이 시기를 통해 식물은 다시 성장할 기회를 얻게 됩니다.