식물에도 호르몬이 있다.

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식물에도 호르몬이 있다.

개요: 옥신, 에틸렌, 엡시스산

  유럽 일부 도시에서 아직도 사용되고 있든 가스 가로등은 낭만적인 분위기를 한껏 만들어준다. 그런데 이상하게도 가스등 가까이 있는 가로수는 수은등 가까이에 있는 가로수보다 낙엽이 빨리 진다. 그런가 하면 아직 충분히 익지 않아 시퍼런 레몬을 석유스토브 위에 놓아두면 색이 노랗게 변한다. 그러나 전기스토브 위에서는 색깔 변화가 느리다.

  이런 현상은 가스등이나 석유스토브로부터 나오는 에틸렌 기체 때문이다. 가스나 석유가 불완전 연소할 때 소량 생기는 에틸렌은 식물 호르몬으로 꽃의 개화를 촉진하거나 억제하며 바나나, 사과, 감, 배 등 과일의 성숙을 돕는 작용을 한다.

  호르몬이란 말은 희랍어에 어원을 두고 있는데, 어떤 일을 일으키거나 어떤 물질을 움직이게 한다는 의미를 갖고 있다. 생물학에서는 세포에서 만들어지는 유기 생성물로, 체액을 따라 멀리 있는 세포로 옮겨가 다른 세포의 활성이나 활동에 독특한 영향을 끼치는 화학물질을 의미한다. 일반인들은 동물계뿐만 아니라 식물계에도 호르몬이 있다는 이야기를 별로 듣지 못했을 것이다. 식물호르몬은 동물호르몬과 그 화학구조가 아주 다르다. 동물계에서는 아미노산으로부터 유도된 고분자량 화합물인 폴리펩티드나 단백질 및 스테로이드가 대표적인 호르몬이다. 이들의 화학구조는 에틸렌과는 거리가 매우 멀다.

  사과상자에 떫은 감을 함께 넣어두었다가 며칠 후에 보면 단감이 되어 있다. 사과 꼭지 반대쪽에서 에틸렌이 나오는데 이 화합물이 감에 호르몬 작용을 한 것이다. 떫은맛을 주는 가용성 타닌(tannin)을 불용성 타닌으로 만들기 때문에 이런 변화가 생긴다. 그뿐이 아니다. 에틸렌은 카네이션이 꽃을 피우지 못하게 하며, 포도나 수박을 상하게 한다. 이상하게도 귤상자 속에는 상한 귤이 서로 이웃하고 있는 것을 종종 본다. 이는 상처 난 귤 옆에 있는 귤이 쉽게 상하기 때문이다. 상처 난 귤은 에틸렌을 방출하며, 이렇게 방출된 에틸렌은 이웃 귤에 작용하여 무르게 만든다.

  이렇듯 에틸렌은 불가사의한 성질을 지니고 있는 신비한 식물 호르몬이다. 멜론도 사과처럼 에틸렌을 방출한다는 사실이 알려져 있다. 에틸렌은 탄소 2개가 이중결합으로 이루어져 있으며, 각 탄소는 수소 2개와 결합하고 있는 석유화학 제품이다.

  이 화합물을 중합(길게 연결하여 고분자를 만듦)하면 폴리에틸렌이라는 플라스틱이 된다. 이 합성 플라스틱은 그린 하우스의 비닐, 필름, 전깃줄 피복, 쇼핑백, 아기 우윳병 등을 만드는데 사용한다. 현재 인류가 사용하고 있는 합성수지 중 소모량이 가장 큰 합성수지가 바로 폴리에틸렌이다. 그러나 폴리에틸렌은 에틸렌 기체와 같은 호르몬 작용을 전혀 보여주지 못한다.

플라스틱을 만드는 원료로 주로 사용되고 있는 에틸렌 기체가 시퍼런 바나나의 성숙도를 조절하는 힘을 갖고 있다니, 화합물들이 보여주는 다양한 능력은 참으로 재미있고도 놀랍다.

������ 옥신

(1) 옥신의 분리 : 1926년 벤트(F. Went)

활성물질의 호학적 특성은 밝히지 못했지만 이것을 옥신이라 부름

화학적 특성이 알려진 후 인돌아세트산(indoleacetic acid;IAA)이라 부름, 호르몬의 농도는 귀리유식물이 얼마나 굽는가에 의해 계산된다.

( 굽는 각도가 클수록 더 많은 호르몬이 존재한다. )

(2) 옥신의 구조와 역할

1) 옥신의 구조 : 아미노산 중에 하나인 트립토판의 구조와 유사(트립토판은 옥신의 선구물질이다)

2) 옥신의 역할

① 유사분열에 의한 세포증식을 일으키지 않고, 세포신장을 통해 세포를 확장시킴

<성장촉진 - 농도가 적정일 때, 억제 - 고농도일 때>

⇒ 옥신이 있으면 세포로부터 빠져나온 수소이온들이 세포벽으로 스며든다.

→ 세포벽의 산성화는 효소를 활성화시켜 세포벽 셀룰로스 섬유 사이의 특정 결합을 끊는다

→ 세포벽이 풀어지면서 억제되고 었던 팽압이 증가되어 세포 신장

② 잎의 탈리현상(abscission) : 옥신이 감소함에 따라 잎에 있는 많은 양분들이 식물체의 다른 부위로 이동 → 에틸렌(호르몬)이 셀룰라제의 분비를 유도하여 떨켜층(abscission zone;잎 자루의 기부에 있는 세포)에 있는 세포들의 벽 분해 → 슈베린의 양이 많은 세포들이 떨켜층의 안쪽을 따라 만들어짐으로써 식물체의 관다발 조직을 막히게 함

→ 얇은 벽을 지닌 유조직 세포들이 떨켜층을 따라 신장하면서 연결을 약화시키면 마침내 잎은 떨어짐

③ 뿌리의 정단 생장에 관여(뿌리 정단도 세포신장에 의해 자람)

④ 뿌리 분화에 관여 → 옥신을 줄기의 끝에 처리하면 부정근이 왕성히 자란다.

[농림수산] 식물에 종양을 유발시키는 새로운 화학 물질 발견

미국의 과학자들에 의해 식물에 양성 종양(benign tumor)을 유도하는 새로운 화학 물질이 발견되었다. 이번 연구는 오레곤주립대(Oregon State Univ.)를 비롯해 미국 농무성(U.S. Department of Agriculture)과 민간 기업의 과학자들이 함께 수행했으며 연구 결과는 학술지 "PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences)", 5월 16일자에 발표되었다.

이번에 발표된 연구 결과에 따르면, 연구진이 발견한 화학 물질은 극히 낮은 농도로 도 식물에 종양을 유도할 수 있다는 특성을 갖는다. 그 결과로 생성되는 식물 종양 은 식물이 해충에 대해 나타내는 방어 기작(defense mechanism) 가운데 하나에 해 당한다.

아직까지 이번 연구 성과를 곧바로 상업화시킬 수 있는 가능성은 희박하다고 연구진 은 밝혔다. 그러나 이번에 발견된 화학 물질은 식물에 종양 형성을 유도시키는 것으로는 처음으로 동정된 물질이기 때문에 학문적인 차원에서 매우 흥미롭다는 설명 이다.

오레곤주립대학의 원예학 교수인 윌리엄 프립스팅(William Proebsting)에 따르면, 이번에 발견된 물질은 식물의 생장 조절에 분명한 영향을 미치는 특성을 가지는 것으로 전혀 새로운 계통의 화학 물질에 해당한다. 또한 매우 낮은 농도에서도 활성을 나타낸다는 특성을 갖는다. 화학 물질을 거의 감지할 수 없는 정도의 낮은 농도에 서도 식물에 종양을 유도하는 활성을 보였기 때문이다.

이번 연구에서는 완두(pea)와 완두바구미(pea weevils)를 연구 대상으로 삼았다. 완 두바구미는 무당벌레(ladybug)보다 크기가 작은 미세한 해충으로 완두에 가장 큰 피 해를 입히는 해충 가운데 하나로 알려져 있다. 완두바구미는 번식을 위해 완두콩 꼬투리에 알을 낳아야만 하는데, 완두는 이 해충의 공격에 대한 자체의 방어 기작을 가지고 있다고 한다.

일단 완두바구미가 알을 낳으면 완두는 바구미에서 일종의 화 학 물질을 감지해서 해충에 대한 방어 기작을 발동시킨다. 연구진이 동정한 화학 물질이 바로 완두바구미로부터 완두가 감지하는 물질이다.

연구진이 동정한 화학 물질은 완두콩 꼬투리에 세포 분열이 일어나도록 유도하는데 그 결과로 작은 크기의 종양이 생성됨으로써 완두바구미의 알이 위로 밀려 올라와 완두콩 꼬투리로부터 제거된다. 그리고 생성된 식물 종양은 바구미 알이 유충으로 변화한 후라도 유충이 완두콩 꼬투리로 침투하는 것을 방지하며 유충을 다른 포식자 에게 노출시킴으로써 결과적으로 완두가 해충으로부터 피해를 입을 위험이 크게 줄어드는 결과를 빚게 된다.

그러나 이번 연구 성과가 농업이나 다른 분야에 유용하게 응용될 수 있으리라고 단 정하기는 아직 이른 실정이다. 전혀 응용되지 못할 가능성도 있다고 연구진은 밝혔다. 그러나 이번 연구 성과로 생물체 사이의 상호작용을 이해할 수 있는 이해의 폭 이 깊어진 셈이며 화학 물질을 사용해 세포 분열을 조절할 수 있다는 사실을 발견한 것만도 중요한 성과라는 설명이다.

연구진이 동정한 화학 물질은 매우 낮은 농도에서도 활성을 나타내며 이 화학 물질 에 대한 완두의 반응도 매우 정확했던 것으로 전해졌다. 따라서 이 물질을 완두 꼬투리에 처리하면 해충을 방제하는 기작을 곧바로 유도할 수 있다는 설명이다. 신기 하게도 완두의 꼬투리만 영향을 받을 뿐 같은 식물의 다른 부위는 전혀 영향을 받지 않는다고 한다.

연구진이 대상으로 삼은 완두에서 종양 형성에 관여하는 유전자는 이미 동정되어 있는 것으로 알려져 있다. 그리고 이번 연구를 통해 종양 생성 유전자 발현을 유도하는 주요 화학 물질이 발견되었기 때문에 앞으로 유전자 수준의 보강 연구도 뒤를 이 을 전망이다.

아직까지 이번 연구에서 동정한 화학 물질이 상업적으로 응용될 가능성은 낮아 보인 다. 그러나 연구진은 식물 호르몬 가운데 하나인 옥신(auxin)의 예를 들면서 식물 호르몬의 작용 기작을 규명하는 것이 왜 중요한지 밝혔다. 옥신은 세포 신장(cell elongation)을 유도하는 물질인데 발견 당시에는 상업적인 응용이 어렵다는 견해가 대부분이었다.

그러나 옥신에 대한 연구 성과는 뿌리-자극 호르몬(root-stimulating hormones)의 개발로 이어지면서 새로운 유형의 제초제(herbicide)를 탄생시키는 밑거름이 된 바 있다.

� 에틸렌

과일의 성숙 과정을 조절

잘 익은 과일에서 냄새를 풍기는 기체, 식물체 조직에서 에틸렌의 농도는 생성과 누출의 속도에 딸라 결정된다.

씨앗이 발아할 때 강하고 두꺼운 훅(Hook)을 만들어 토양을 뚫고 올라온다. 이 때 에틸렌은 식물체가 똑바로 자라는 것을 방해해 유식물의 어리고 약한 잎이 펴져 다치는 것을 방지한다.

# 식물세포에서 흔히 발견되는 아미노산인 메티오닌이 변형된 것으로 과일의 성숙과정 조절

# 토양으로부터 유식물이 나올 때 중요한 기능을 하는 것을 추측

# 식물체가 똑바로 자라는 것을  방해하고, 싹이 땅 위로 나올 때까지 유식물의 약한 잎이 펴지는 것을 억제

에틸렌의 농도가 낮아지면 줄기는 곧게 자라고 잎은 넓게 퍼진다.

# 대기 중에 에틸렌이 많으면 잎의 탈락을 유도하며 결국 식물체가 죽게된다.

(에틸렌은 탈리현상이 일어나기 바로 전에 셀룰라제 생성을 촉진시킴)

# 어떤 꽃에서는 에틸렌이 성 결정을 돕는다(암꽃과 수꽃이 떨어진 식물체에 지베렐린을 처리하면 수꽃이 발달하나 에틸렌을 처리하면 암꽃이 발달)

� 에틸렌에 의한 식물들의 의사소통?

 어떤 농부가 태풍에 떨어진 덜 익은 과일을 창고에 넣어 두었는데 우연히 석유난로를 피웠더니 금방 성숙되는 것을 보고 온도를 높여주면 사과가 빨리 익는다고 생각을 하였다. 다음 해에는 사과의 출고를 앞당기기 위해 보일러 장치가 된 방을 마련하여 덜 익은 사과를 넣고 인공적으로 성숙시키려 하였지만 사과가 익는 것이 아니라 모두 썩게 되어 큰 손해를 보았다고 한다. 후에 풋과일의 성숙에는 열이 필요한 것이 아니라 석유가 탈 때 나오는 적은 양의 에틸렌 가스가 결정적인 기여를 한다는 것이 밝혀졌다. 에틸렌은 과일의 껍질에 붉고, 노란 색깔을 나타나게 하며 과일을 영글게 해 주는 물질인 것이다. 이 에틸렌은 휘발성 물질이므로 한 과일에서 만들어지면 주변으로 발산되므로 자신만 성숙하는 것이 아니라 좀 덜 익은 과일 속에 들어가 빨리 익으라고 재촉하게 된다. 그러므로 같은 지역에 있는 과일들은 거의 같은 시각에 에틸렌을 만들게 되므로 한꺼번에 수확할 수 있게 해준다.

이런 점에서 에틸렌이 과일 사이의 의사를 소통시켜 주는 물질인 것이다. 식물이 에틸렌을 체외로 발산하는 목적은 과일을 보다 많이 성숙시키는 데 있다. 즉, 과일을 많이 열리게 하여 잘 익은 씨를 많이 만들어 과일과 함께 널리 퍼뜨리는 것이 목적이다. 따라서 의사소통 물질인 에틸렌을 만드는 것은 식물의 종족 보존 본능인 것이다.

� 매 신선도 그대로 저장기간 2배 늘려

   카보텍 '에딜렌스톱'개발 특허출원

  과일과 야채, 화훼류 등의 신선도를 그대로 유지하면서 저장기간을 2배 이상 늘릴 수 있는 신기술이 개발됐다.  벤처기업 카보텍(대표 임재신)은 최근 기존 저온 저장창고에 비해 과일, 야채류 등의 신선도와 저장기간을 2배 이상 늘릴 수 있는 장치인 `에틸렌 스톱(Ethylene Stop)'을 개발했다고 밝혔다.

 에틸렌 스톱은 식물호르몬 성분의 하나로 성숙을 촉진하나 수확 후에는 노화와 병원균의 침투를 앞당겨 품질을 저하시키는 에틸렌(H2C=C2H)가스를 제거하는 기능을 한다. 회사측은 저온 저장할 때는 에틸렌이 지속적으로 배출돼 장기간 보관하지 못했으나 에틸렌 스톱을 사용할 경우 이런 문제점을 해소할 수 있다고 설명했다.

 에틸렌은 저장청과물에 대하여 매우 낮은 농도에서도 조직연화, 엽록소 파괴, 식물노화촉진, 부채촉진 등의 악영향을 미친다. 황용수 충남대 원예학과 교수팀에 따르면 에틸렌 스톱의 저장실험을 한 결과 배의 경우 일반 저온저장창고에서는 5월에 58.2%가 상품가치를 상실했으나 이 장치를 설치한 창고에서는 7.2%만이 장해를 입고 6월까지도 신선도가 유지되는 것으로 조사됐다. 카보텍은 특허출원 후 지난 9월부터 본격적인 판매에 들어가 현재 13대가 농협 및 농가에 보급됐다고 밝혔다.

 ✉ 귤을 높은 곳에서 떨어뜨리면 당도가 높아질까?

▶ 실험 방법

1.떨어뜨릴 귤을 정해 원래의 당도와 산도를 측정한다.

2. 귤을 높은 곳에서 떨어뜨린 후 원래 산도와 당도를 비교한다. 정확도를 기하게 위해 10회 반복한다.

▶ 실험 결과

원래 산도는 3.4에서 변화가 없었고 당도는 8.0에서 11.7로 대폭 증가하였다.

▶ 결론

인체에 있어서 미각을 담당하는 기관은 혀뿐만이 아니라 코도 역시 민감하게 작용함을 증명할 수 있었다. 또한 떨어뜨린 귤의 당도가 높아지는 이유는 식물 속에 있는 식물 호르몬인 에틸렌이 상처를 받으면 더 많이 생기는데 이 에틸렌이 당도를 높이는 역할을 하기 때문이다.

☢ 앱시스산(abscisic acid : ABA)

# 카르복시기를 포함하는 짧은 탄소사슬로 이루어져 있다.

# mRNA의 생산을 억제함으로써 겨울에 휴면을 유도한다.

# mRNA의 생산이 억제되면 옥신과 지베렐린의 생성도 억제된다.

# 수분 스트레스 동안에 엡시스산은 공변세포로 들어가 K+를 공변세포 밖으로 방출

→ 물이 공변세포 밖으로 이동하고 느슨해진 공변세포는 수축되면서 열렸던 기공을 닫음

< 기공개폐 >

[기공 열림]CO2농도가 감소하면 공변세포내로 K+ 이 유입되어 삼투압증가하고 팽압이 증가하여 기공이 열리게 된다. 이 때 앱시스산 농도는 감소한다.

[기공닫힘]수분함량 감소하면 앱시스산 농도가 증가하여 공변세포의 K+ 방출이 일어난다. 그러면 삼투압과 팽압이 감소하여 기공이 닫히게 된다.

-> 식물이 물의 손실을 방지할 수 있다.

☃ 낙엽은 왜 지는 것일까 ?

온대 낙엽수림은 계절에 따른 변화가 특징이다. 봄에는 싹이 돋고 여름에는 짙은 녹색의 잎으로 변하며 가을에는 단풍이 들고 겨울에는 낙엽이 진 앙상한 가지만 남는다. 채색된 가을의 낙엽수림은 매우 아름답지만 겨울이 곧 다가온다는 것을 알려준다. 점차sk낮의 길이가 짧아지고 태양 빛은 약해지고 기온이 내려가면 낙엽수는 잎을 떨어뜨리는데 이러한 변화를 잎은 어떻게 알아내는 것일까 ?

낙엽은 잎의 잎자루와 가지가 붙어 있는 부분에 떨켜라는 특별한 조직이 생겨나서 잎이 떨어지는 현상이다. 떨켜는 잎이 떨어진 자리를 코르크화해서 수분이 증발해 나가거나 해로운 미생물이 침입해 들어오는 것을 막는 성질도 갖고 있다. 생물체는 주위환경의 변화에 대해 반응한다. 이 변화를 감지하고 반응할 때 이를 전달하는 신호물질이 호르몬이다. 식물 호르몬 중 앱시스산은 식물의 겨울나기를 알려주는 호르몬이다. 이 호르몬은 낙엽수가 겨울에 잠을 자도록 유도하는 것이다. 휴면은 온대 낙엽성 식물에 특히 중요하다, 이 휴면은 낙엽성 식물이 낮은 온도와 수분 부족에 적응해서 생긴 것이다.

겨울에 물이 부족해 식물이 수분 스트레스를 받게 되면 물의 손실을 방지하기 위해 기공을 닫아야 한다. 그런데 기공은 수분을 증발시키는 곳일 뿐 아니라 광합성에 필요한 이산화탄소가 들어오는 통로이기도 하다. 그렇기 때문에 수분 부족을 피하기 위해 기공을 닫으면 잎에서 광합성이 일어날 수 없게 된다. 또 주변의 온도가 낮으므로 잎에서의 생화학 반응의 속도는 더욱 느려져 이 결과낙엽수의 잎은 죽게 되어 떨어지게 되는 것이다.

낙엽수에는 두 가지 종류가 있다. 은행나무와 단풍나무 같은 낙엽수는 늦가을에 떨켜를 만들어 일제히 잎을 떨어뜨리고 벌거숭이가 된다. 그러나 밤나무나 떡갈나무는 떨켜를 만들 줄 모른다. 본래 이들 식물이 더운 지역에 살았기 때문에 떨켜를 만들어 낙엽을 떨어뜨려야만 할 필요가 없었던 것 같다. 그 때문에 이들 식물은 겨울이 되어 잎이 갈색으로 변하고 바싹 마르더라도 가지에 붙어 있다가 겨울의 강풍에 조금씩 나무에서 떨어져 나가는 것이다. 오 헨리의 『마지막 잎새』에 나오는 담쟁이덩굴도 잎에 떨켜를 만들지 않는 식물이다.

낙엽수의 수명은 1년이다. 상록수의 잎은 많은 종류가 2-3년간 유지되다가 새로운 잎이 나게 되면 떨어진다. 침엽을 가진 상록수 중에는 30년 이상 잎을 유지하고 있는 것도 있다.  

<참고사이트>

@ 호기심천국 방송 사이트 (http://www.sbs.co.kr/tv/index.html)

@ 일반 생물학 사이트 (http://dragon.seowon.ac.kr/~bioedu/main.htm)

@http://guide.kangwon.ac.kr/%7Esciedu/part1/bio/nam/ques

@ http://mail.jamsin.or.kr/leesi/생물2

@ 29장 식물의 조절 반응      

  ( http://user.chollian.net/~kidk/univ/gbio/bio29.htm )

@ 29장 옥신 (http://dragon.seowon.ac.kr/~bioedu/bio/ch29.htm)

@ 식물에도 호르몬이 있다.

   ( http://science.kongju.ac.kr/highschool/chem)

@ 식품 음료 신문

 ( http://agsearch.snu.ac.kr/thinkfood/200/news/200pack02.htm )

@ 과학잡지 과학동아 (http://www.science.donga.com)