학문
냉철한라마35
식물체 내 삼투압 조절과 가뭄 스트레스에 대한 ABA 반응이 궁금해요
토양에 수분이 부족할 때 식물이 아브시스산(ABA) 호르몬을 급격히 증가시켜 기공을 닫고 체내 수분 손실을 막는 신호 전달 과정이 궁금합니다. 뿌리에서 감지한 건조 자극이 잎으로 전달되어 반응을 일으키는 메커니즘이 궁금해요.
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토양에 수분이 부족하면 뿌리 세포에서 ABA 합성 효소(NCED3) 발현이 늘어나 ABA가 대량으로 생성됩니다.
그럼 뿌리에서 만들어진 ABA는 물관 수액 흐름을 타고 잎으로 이동하고, 동시에 뿌리의 CLE25 소펩타이드 신호도 잎으로 넘어가 잎 자체의 ABA 합성을 추가로 촉진하게 됩니다.
잎의 공변세포에 도착한 ABA는 세포 내 수용체인 PYR/PYL/RCAR과 결합하는데, 이 복합체가 억제 단백질인 PP2C를 차단하여, 묶여 있던 인산화효소 SnRK2를 활성화합니다.
활성화된 SnRK2는 음이온 채널(SLAC1)과 칼륨 유출 채널(GORK)을 활성화하고, 공변세포 내 음이온과 K+이 대량 유출되면서 삼투압 현상에 의해 세포 안의 물이 밖으로 빠져나갑니다.
그럼 수분을 잃은 공변세포의 팽압이 급격히 감소하여 기공이 오그라들며 닫힙니다.
즉, 기공 차단으로 증산 작용을 멈춰 체내 수분 유출을 막는 것입니다.
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채택된 답변안녕하세요. 식물이 가뭄을 견디는 과정은 단순히 물을 적게 흡수하는 것이 아니라, 세포 내부의 삼투압과 기공의 개폐를 조절하면서 물을 최대한 보존하는 정교한 신호체계로 이루어집니다. 그 중심에 있는 호르몬이 아브시스산, 즉 ABA입니다.
토양이 건조해지면 먼저 뿌리 주변의 수분 상태가 변하는데요, 뿌리의 세포는 토양 수분 감소를 감지하고 ABA의 합성과 이동을 증가시키며, 건조 상태에서는 뿌리에서 만들어진 ABA뿐 아니라 뿌리와 잎에서 새롭게 합성된 ABA가 함께 중요한 역할을 합니다. ABA는 물관을 통한 장거리 이동이나 세포 간 신호를 통해 잎으로 전달되고, 잎의 기공을 조절하는 공변세포에 영향을 줍니다.
잎에 도달한 ABA는 공변세포 내부의 ABA 수용체에 인식됩니다. 그러면 일련의 신호전달 과정이 시작되어 특정 단백질 인산화효소가 활성화되고, 이 과정에서 음이온 통로와 칼륨 이온 통로 등이 조절됩니다. 결국 공변세포 내부에 있던 칼륨과 음이온 등의 용질이 세포 밖으로 빠져나가고, 세포 내부의 삼투압이 낮아지면서 물도 세포 밖으로 이동합니다. 공변세포의 팽압이 떨어지면 두 공변세포가 만들어 놓은 기공이 좁아지면서 증산을 통한 수분 손실이 감소합니다.
여기서 삼투압 조절이 중요한 이유는 식물세포가 물을 붙잡아 두는 데 세포 내부의 용질 농도와 팽압이 큰 영향을 주기 때문입니다. 가뭄이 심해지면 식물은 단순히 기공을 닫는 것뿐 아니라 세포 내부에 프롤린이나 당류와 같은 삼투조절 물질을 축적하기도 합니다. 이러한 물질은 세포 내부의 삼투 퍼텐셜을 낮춰 수분을 유지하는 데 도움을 줍니다. 즉 식물은 물을 덜 잃도록 기공을 닫는 동시에, 이미 들어온 물을 세포 안에 유지할 수 있도록 내부의 삼투 환경도 조절합니다. 이때 뿌리에서 감지한 건조 신호가 반드시 ABA 하나만을 통해 잎으로 전달되는 것은 아닌데요, 토양의 건조는 물관을 통한 수분 흐름 자체를 변화시키고, ABA와 펩타이드, 칼슘 신호 및 여러 화학적 신호가 함께 작용합니다. 또한 잎 자체가 수분 부족을 감지하면 잎에서 ABA를 빠르게 합성하여 기공 폐쇄를 강화할 수도 있습니다. 따라서 현대적으로는 뿌리가 가뭄을 감지해서 ABA를 만들어 잎에 보내면 잎이 반응한다고만 설명하기보다는, 뿌리와 잎이 서로 정보를 주고받으면서 전체 식물의 수분 상태를 조절한다고 보는 것이 더 정확합니다. 가뭄이 지속되면 ABA는 기공 폐쇄뿐 아니라 유전자 발현에도 영향을 줍니다. ABA 신호는 가뭄에 대응하는 여러 유전자의 발현을 촉진하여 삼투조절 물질의 축적, 항산화 방어, 스트레스 단백질 생성 등 다양한 방어 반응을 유도합니다. 따라서 ABA는 단순히 기공을 닫는 호르몬이라기보다 식물에게 수분 부족 상황을 알려주고, 수분 손실을 줄이는 동시에 세포가 건조한 환경을 견딜 수 있도록 체내 상태를 재조정하는 스트레스 신호 호르몬이라고 이해하는 것이 좋습니다. 감사합니다.
안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
가뭄이 오면 뿌리와 잎에서 ABA합성이 증가하고 ABA가 잎의 공변세포 수용체에 결합해 이온통로를 조절합니다. K+등이 빠져나가면 삼투적으로 물도 빠져 공변세포 팽압이 낮아지고 기공이 닫혀 증산이 줄어듭니다. 뿌리의 수분상태 신호도 물관을 통해 잎으로 전달됩니다.