본문내용
1. 염 스트레스가 식물 광합성 및 생장에 미치는 영향 - 대두와 오이를 중심으로
1.1. 서론
20세기 말부터 지구온난화는 전 세계의 문제이자 관심거리가 되어왔고, 최근 지구온난화와 관련된 한파나 열대기후 현상 등으로 인해 이 문제의 심각성은 부각되고 있다. 20세기에 들어 급속히 늘어나는 인구를 지탱하고 자원을 공급하기 위하여 과도한 경작과 산림 훼손 등으로 토양이 황폐해 졌고 지역적 기후를 변화시켰다. 이러한 사막화는 토양 염류화를 일으키고 식물에게 건조 및 염 스트레스를 유발함으로써 식물의 생산성을 제한하는 요인이 된다. 지구온난화가 식물에 미치는 영향은 다양성 감소, 전염병, 식물과 동물의 공존 불가 등이 있고, 염 스트레스는 최근 대두되고 있는 문제이다. 이러한 염 스트레스의 원인은 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 첫째, 강수량 감소로 인한 가뭄이다. 지구온난화는 지구의 해류 순환과 대기대순환을 방해하므로 지구의 불균등 가열을 가속화시킨다. 따라서, 건조한 지역은 더 건조해지고, 습윤한 지역은 더 습윤해질 수 있다. 이것은 건조한 지역의 사막화를 유발하여 토양의 염 농도 증가의 원인이 되고, 식물은 삼투압에 의하여 수분을 손실할 수 있다. 둘째, 해수면 상승으로 인해 더 많은 경작지가 염에 노출될 수 있다. 바닷물은 평균적으로 35‰의 염도를 가진다. 이 바닷물이 상승해 토양과 만나면, 토양의 염도가 상승하게 된다. 셋째, 인구 증가로 인해서다. 현재 71.5억인 인구는 2060년에는 93억이 될 것으로 예상되고 있다. 인구가 증가함에 따라 생활쓰레기 양도 증가하고, 이 중 음식물 쓰레기가 땅에 매장되면 토양의 염도가 증가하게 된다. 염분 환경하의 식물은 토양의 낮은 수분포텐셜, 높은 토양 표면온도, Na+ 및 Cl-와 같은 이온의 독성, 세포 내 영양염류의 불균형 그리고 이들의 상호 복합적인 요인에 의해 생장의 저해를 받는다(Marschner, 1995). 또한 염분은 광합성과 관련된 하나 혹은 그 이상의 과정에 영향을 미침으로써 식물의 광합성능을 감소시킨다. 이러한 환경하에서 식물이 생장하기 위해서는 이들 요인에 대한 적절한 적응기작이 요구된다. 이번 실험으로 앞으로 더욱 심각해질 토양의 염도 증가로 인한 식물의 이온 흡수 불균등, 광합성률 변화 등과 같은 염 스트레스 문제에 어떻게 반응하는지에 대해 알아보기 위해 대두와 오이를 대상으로 염 스트레스 하에서 식물의 생장, 수분함량, 총 이온 함량, 광합성률과 같은 생리적 특성을 파악하고자 한다.
1.2. 이론적 배경
1.2.1. 식물의 광합성
식물의 광합성은 식물이 태양의 빛에너지를 유기물의 화학에너지로 바꾸어 스스로 에너지를 획득하는 과정이다. 동물은 이러한 식물의 광합성 산물인 유기물과 산소를 이용해 살아간다. 광합성은 지구 생태계 유지에 필수적이며, 광합성 결과물은 지구에 육상생물이 출현하는 계기이기도 하다.
식물의 광합성은 식물체에서 녹색을 띠는 모든 부분의 엽록체에서 일어난다. 엽록체는 녹색 원반형 구조로, 2중막으로 쌓여있다. 내막 안쪽에는 틸라코이드가 있으며, 나머지 공간은 액체 상태의 스트로마로 채워져 있는 구조이다. 식물의 광합성은 틸라코이드와 스트로마의 상호적 관계에 따라 이루어진다. 그라나를 구성하는 틸라코이드 막에는 엽록소 등 광합성 색소와 전자 전달 효소를 포함한 단백질 복합체와 ATP 합성효소가 있어 명반응이 일어난다. 반면, 스트로마에는 리보솜, 자가 DNA, RNA 가 있어 명반응 산물과 CO2를 이용해 유기물의 화학에너지에서 포도당을 합성한다.
광합성은 명반응과 암반응으로 구분한다. 명반응은 빛에너지를 화학에너지로 전환하는 과정으로 빛이 필요하며, 틸라코이드 내막에서 일어난다. 명반응 동안 빛에너지를 이용하여 물을 분해시켜 산소를 방출하고, 방출된 전자는 막의 전자전달계를 통해 NADP+로 전달되어 NADPH를 생성한다. 또한, 전자가 전달되는 동안 방출되는 에너지를 이용하여 ATP를 생성한다. NADPH와 ATP는 암반응의 원료로 사용 된다. 암반응은 명반응 산물과 이산화탄소를 이용하여 포도당을 합성하는 과정으로 빛이 필요 없으며, 스트로마에서 일어난다. 명반응은 ATP와 NADPH를 이용하여 흡수한 CO2를 환원시켜 포도당을 합성한다. 스트로마에 있는 포도당 합성효소 등을 이용해 캘빈회로를 따라 진행된다.
1.2.2. 식물의 엽록체
식물의 엽록체는 녹색을 띠는 식물체의 모든 부분에서 광합성이 일어나는 중요한 세포 소기관이다. 엽록체는 2중막으로 쌓여있는 구조로, 내막 안쪽에는 틸라코이드가 있으며 나머지 공간은 액체 상태의 스트로마로 채워져 있다. 식물의 광합성은 틸라코이드와 스트로마의 상호 작용에 따라 이루어진다.
틸라코이드 막에는 엽록소와 전자전달계 단백질 복합체, ATP 합성효소 등이 있어 빛에너지를 이용하여 명반응이 일어나며, 스트로마에는 리보솜, DNA, RNA 등이 있어 암반응이 일어난다. 명반응에서는 빛에너지를 이용하여 물을 분해하고 전자를 NADP+로 전달하여 NADPH를 생성하며, 전자 이동에 따른 에너지로 ATP를 합성한다. 암반응에서는 이렇게 생성된 NADPH와 ATP를 이용하여 스트로마에서 이산화탄소를 환원시켜 포도당을 합성한다.
이처럼 엽록체 내의 틸라코이드와 스트로마가 서로 협력하여 식물의 광합성이 이루어지며, 환경 변화에 따른 식물의 적응 과정에서도 엽록체의 구조와 기능이 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다.
1.2.3. 광합성의 전체 과정
광합성의 전체 과정은 다음과 같다. 광합성은 명반응과 암반응으로 구분된다. 명반응은 빛에너지를 화학에너지로 전환하는 과정으로 빛이 필요하며, 틸라코이드 내막에서 일어난다. 명반응 동안 빛에너지를 이용하여 물을 분해시켜 산소를 방출하고, 방출된 전자는 막의 전자전달계를 통해 NADP+로 전달되어 NADPH를 생성한다. 또한, 전자가 전달되는 동안 방출되는 에너지를 이용하여 ATP를 생성한다. NADPH와 ATP는 암반응의 원료로 사용된다. 암반응은 명반응 산물과 이산화탄소를 이용하여 포도당을 합성하는 과정으로 빛이 필요 없으며, 스트로마에서 일어난다. 암반응은 ATP와 NADPH를 이용하여 흡수한 CO2를 환원시켜 포도당을 합성한다. 스트로마에 있는 포도당 합성효소 등을 이용해 캘빈회로를 따라 진행된다."
1.2.4. 염에 대한 식물의 적응과 진화
식물은 움직일 수 없는 생물체이므로, 주어진 환경에 얼마나 잘 적응하냐가 생물의 생장을 결정짓는 하나의 요인이다. 이처럼, 예로부터 염습지나 염분이 높은 토양에 사는 식물은 환경에 맞게 적응한 염 내성종으로, 다양한 방법으로 진화해 온 모습을 보인다. 이러한 식물의 대표적인 예는 열대해변의 3/4를 차지하는 맹그로브이다. 일반 해수의 염도는 30~40‰이지만 맹그로브 서식지의 증발, 농축된 해수의 염도는 90‰을 능가한다. 이런 환경에 대응하여 맹그로브는 여러 기관의 구조를 알맞게 바꾸었다. 첫째, 저산소에 대...
