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기억상실은공식인가
가뭄이 든 식물은 물을 아끼기 위해 어떤 방어기제를 쓰나요?
가뭄이 심할 때 식물이 잎을 떨어뜨리거나 기공을 닫는다고 들었는데, 이런 행동들이 수분 손실을 막기 위해 어떤 원리로 작동하는지 궁금합니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요, 기억상실은공식인가님. 이중철 전문가입니다.
식물이 가뭄을 겪을 때 물을 보존하기 위해 사용하는 방어기제는 크게 증산작용 억제, 체내 수분 흡수력 강화, 수분 증발 면적 축소로 나눌 수 있는데요.
토양의 건조를 감지한 뿌리가 식물 호르몬인 앱시스산(ABA)을 분비하여 잎의 기공을 신속하게 닫고, 세포 내 삼투 조절 물질을 축적하며, 잎을 말거나 떨어뜨리는 정교한 생체 제어 시스템을 가동하여 체내 수분 손실을 최소화한답니다.
■ 앱시스산(ABA) 호르몬 분비와 공변세포의 기공 폐쇄 원리
가뭄 스트레스에 직면한 식물이 가장 먼저 취하는 즉각적인 방어 작용은 잎 뒤편에 위치한 기공을 닫는 것이에요.
식물 뿌리 주위의 토양 수분이 부족해지면, 뿌리 세포는 이를 감지하고 스트레스 호르몬인 앱시스산(ABA)을 대량으로 합성합니다. 생성된 앱시스산은 물관을 타고 빠르게 잎으로 이동하여 기공을 둘러싸고 있는 공변세포 표면의 수용체와 결합하거든요. 신호를 받은 공변세포는 세포막의 이온 통로를 열어 세포 내부에 보관하고 있던 칼륨 이온(K+)과 염화 이온(Cl-)을 세포 밖으로 대거 방출합니다. 이로 인해 공변세포 내부의 농도가 낮아지면서 삼투 현상에 의해 세포 안의 수분이 세포 밖으로 빠져나가게 된답니다. 수분을 잃은 공변세포의 팽압이 떨어지면서 바람 빠진 풍선처럼 쭈그러들게 되고, 이 물리적 변화로 인해 열려 있던 기공 틈새가 단단히 닫혀 대기 중으로 수분이 날아가는 증산작용이 멈추게 됩니다.
■ 잎 말림과 탈리층 형성을 통한 수분 손실 면적의 물리적 축소
기공을 닫은 상태에서도 건조가 지속되면 식물은 햇빛과 바람에 노출되는 잎의 표면적을 줄이는 구조적 방어에 들어가는데요.
첫째, '잎 말림 현상'입니다.
옥수수나 벼 같은 벼과 식물의 잎 표면에는 수분량에 민감하게 반응하는 운동세포(기포세포)가 존재하는데요. 수분이 부족해지면 이 세포들이 팽압을 잃고 쪼그라들면서 잎이 안쪽으로 둥글게 말리게 됩니다. 이렇게 잎이 말리면 강한 직사광선에 노출되는 면적이 줄어들고, 말린 잎 안쪽에 습한 공기가 갇히는 미세 환경이 조성되어 수분 증발을 한층 더 억제할 수 있게 된답니다.
둘째, '낙엽 형성 및 잎 떨굼'입니다.
가뭄이 장기화되면 식물은 개체 전체의 생존을 위해 수분을 가장 많이 소비하는 오래된 잎부터 스스로 정리하는 선택을 합니다. 잎자루와 줄기가 연결되는 부위에 에틸렌과 앱시스산의 작용으로 세포벽 분해 효소가 활성화되면서 탈리층이라는 특수한 분리 경계 조직이 형성되지요. 이 탈리층이 완성되면 잎으로 가던 수분 공급 통로가 코르크질로 밀폐되면서 잎이 자연스럽게 떨어져 나가 전체 증산 면적이 획기적으로 줄어들게 된답니다.
■ 세포 내 삼투 조절 물질 축적과 수분 흡수력 유지
식물은 흙 속에 남은 극소량의 수분이라도 효율적으로 빨아들이기 위해 세포질의 농도를 능동적으로 조절하는데요. 세포 내부의 수분 포텐셜이 토양보다 높으면 오히려 식물 몸속의 물이 메마른 흙으로 역유출될 수 있습니다. 이를 막기 위해 식물 세포는 프롤린(아미노산의 일종), 글리신베타인, 수용성 당류 같은 무해한 삼투 조절 물질(삼투질)을 세포질 내에 고농도로 축적해요. 세포 안의 농도가 진해지면 세포 내 삼투압이 높아지고 수분 포텐셜이 낮아져, 메마른 토양 속에서도 식물 내부로 물을 끌어당기는 흡수력을 끝까지 유지할 수 있습니다. 또한 이 물질들은 세포 내 단백질과 세포막 구조를 안정화하여 탈수로 인한 세포 손상을 방지하는 방패 역할도 겸한답니다.
■ 큐티클층 강화와 활성산소 제거 효소의 방어 작용
기공 이외의 표피를 통한 수분 유출을 막고 광합성 중단에 따른 세포 독성을 차단하는 2차 방어선도 구축되는데요. 식물 잎 표면은 본래 왁스질로 이루어진 큐티클층으로 덮여 있는데, 건조 스트레스를 받으면 표피 세포에서 왁스 합성 유전자가 활성화되어 큐티클층을 훨씬 두껍게 코팅합니다. 이를 통해 기공이 닫힌 상태에서 잎 표면을 통해 미세하게 새어나가는 큐티클 증산을 원천적으로 차단하는 것이지요. 동시에 기공이 닫혀 이산화탄소 흡수가 중단된 상태에서 강한 태양광을 받으면 엽록체 내에 유해한 활성산소가 과도하게 발생하므로, 슈퍼옥사이드 디스뮤타아제(SOD)나 카탈라아제 같은 항산화 효소를 대량 분비하여 체내 산화 스트레스를 억제하고 세포 괴사를 막아낸답니다.
정리하자면,
가뭄이 든 식물은 뿌리에서 합성된 앱시스산(ABA) 호르몬으로 공변세포의 팽압을 떨어뜨려 기공을 신속히 닫고, 잎을 말거나 탈리층을 만들어 잎을 떨어뜨림으로써 수분 증발 면적을 줄이며, 세포 내 삼투질 축적과 큐티클 왁스층 코팅을 통해 체내 수분을 지키고 남은 물을 빨아들이는 다층적인 방어기제를 가동합니다.
※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉
채택된 답변안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
가뭄이 들면 식물은 ABA라는 호르몬을 늘려 기공을 닫고 잎에서 빠져나가는 수분을 줄입니다. 심하면 잎을 떨어뜨려 증산 면적 자체를 줄이기도 합니다. 뿌리는상대적으로 더 자라 깊은 곳의 물을 찾는 방향으로 반응할 수 있습니다.
식물은 가뭄이 오면 앱시스산(ABA)과 에틸렌이라는 호르몬을 이용해 수분 손실을 막습니다.
식물이 기공을 닫는 것은 일종의 응급처치라 할 수 있습니다.
뿌리가 물 부족을 감지하면 앱시스산(ABA) 호르몬을 많이 만들고, ABA가 공변세포의 칼륨 이온을 외부로 배출시켜 삼투압을 낮춥니다. 그럼 세포 안의 물이 빠져나가며 바람 빠진 풍선처럼 수축해 기공이 닫히는 것입니다.
하지만, 증산작용이 멈추며 수분 유출을 막기는 하지만, 광합성도 함께 멈춘다는 단점이 있습니다.
그리고 잎을 떨어트리는 것은 장기적 대책입니다.
만일 가뭄이 길어지면 에틸렌 호르몬이 늘어나 잎자루 끝에 떨층을 만듭니다.
그럼 식물은 잎 속 영양분을 줄기와 뿌리로 먼저 회수하고, 에틸렌이 떨층의 세포벽을 분해하여 결합을 약하게 만듭니다.
결국 잎을 떨어뜨리게 되고, 수분이 증발하는 표면적 자체를 근본적으로 줄이는 것이죠.
안녕하세요. 이상현 전문가입니다.
가뭄 시 식물은 ABA 농도를 높여서 기공을 닫아 증산에 의한 수분 손실을 줄이고 뿌리 성장을 촉진해서 더 깊은 토양의 물을 확보합니다. 심한 경우 잎을 떨어뜨리거나 잎을 말아 증산 면적 자체를 감소시키고, 세포에는 당이나 프롤린같은 삼투조절물질을 축적해서 수분을 유지합니다.
감사합니다.