뿌리 형성 시 땅속 압력과 세포 증식의 상관관계는 어떻게 규명되나요?
땅속에서 뿌리가 성장할 때 받는 기계적 압력이 어떻게 세포 분열 및 성장 방향을 조절하는지 과학적 근거가 있는 연구 결과가 있는지요.
특히 장애물 회피 행동과 유전적 프로그램의 관계에 대해 설명 부탁드립니다.
뿌리 성장은 토양의 물리적 압력에 의해 영향을 받습니다. 뿌리가 장애물에 부딪히면 옥신이라는 성장 호르몬이 재분배되고, 이로 인해 뿌리가 휘어져 장애물을 회피하게 됩니다. 이는 유전적으로 프로그램된 반응으로, 식물이 생존을 위해 외부 자극에 반응하는 메커니즘의 일부입니다.
땅속에서 뿌리가 성장할 때 받는 기계적 압력은 세포 분열과 성장 방향을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다.
이는 단순히 물리적인 힘에 대한 수동적인 반응이 아니라, 호르몬 신호와 유전적 프로그램이 복합적으로 작용하는 능동적인 과정입니다.
만일 뿌리가 땅 속에서 돌이나 딱딱한 흙 등의 장애물과 접촉하면, 뿌리 끝에 있는 뿌리골무의 세포들이 기계적 압력을 감지합니다. 이 압력은 생화학적, 물리적 변화를 유발하게 됩니다.
뿌리에 압력이 가해지면 뿌리 세포 내 칼슘 신호가 급격히 증가합니다. 이 칼슘 신호는 다양한 반응을 유도하는 2차 신호 전달자 역할을 합니다.
활성화된 칼슘 신호는 식물 성장 호르몬인 옥신의 이동을 조절하는 단백질의 작용에 영향을 미칩니다. 이로 인해 뿌리에서 옥신이 비대칭적으로 재분배되는데, 압력을 받는 쪽의 옥신 농도는 낮아지고, 반대쪽은 높아집니다.
옥신 농도가 높은 쪽은 세포 신장이 활발하게 일어나고, 낮은 쪽은 신장이 억제됩니다. 이 결과, 뿌리가 압력을 받는 반대 방향으로 휘어지게 되며, 장애물을 우회하는 굴성 반응이 나타나는 것입니다.
그리고 뿌리의 장애물 회피 행동은 정자극성, 즉 중력 방향으로 자라는 성질과 부촉성, 즉 촉각 자극을 피해 자라는 성질이라는 두 가지 유전적 프로그램의 상호작용이라 할 수 있습니다.
만일 뿌리가 장애물에 닿으면 부촉성 유전적이 활성화됩니다. 이는 먼저 말씀드린 옥신 재분배를 통해 뿌리가 장애물에서 멀어지도록 휘어지게 만드는 반응입니다. 이 반응은 뿌리가 장애물을 우회하는 첫 번째 단계입니다.
그리고 일단 장애물과의 접촉이 끊어지면, 뿌리는 다시 정자극성 유전적 영향을 받게 됩니다. 뿌리는 다시 중력 방향을 감지하여 땅속 깊이 자라려는 원래의 성장 목표를 회복하는 것입니다.
따라서 뿌리가 장애물의 가장자리를 따라가다가 다시 아래로 향하는 것은 이 두가지의 균형과 조절의 결과라 할 수 있습니다.
안녕하세요. 이상현 전문가입니다.
식물뿌리는 토양 입자와 접촉부위에서 발생하는 기계적압력을 기계수용체와 칼슘신호, 옥신분포변화 등으로 감지합니다. 연그들에 따르면 뿌리끝의 캡 세포가 압력을 받아 방향을 인식하면 세포분열 속도와 방향이 재조정되고, 유연한 세포벽 부위로 성장하거나 장애물을 회피하는 굴지성반응이 나타납니다.
환경신호에따른 유전자발현변화와 결합해 물리적인 압력정보가 장기적인 뿌리구조형성에 반영된다고합니다.
감사합니다.
안녕하세요.
네, 질문해주신 뿌리 형성 시 토양 속 압력(기계적 저항)과 세포 증식·성장 방향의 상관관계는 식물 생리학과 세포생물학 연구에서 꽤 잘 규명되어 있는데요, 핵심은 기계적 압력 → 세포 내 기계 감지 → 호르몬 신호 변화 → 유전자 발현 조절 → 뿌리 방향 및 형태 변화라는 연쇄 반응이라고 할 수 있습니다. 우선 뿌리 끝(root cap)의 콜루멜라 세포와 주변 표피세포는 기계수용성 이온 채널(mechanosensitive ion channels)을 가지고 있는데요, 땅속에서 자라는 동안 토양 입자, 돌, 단단한 땅에 부딪히면 물리적 압력이 가해지고, 이 채널이 열리면서 칼슘(Ca²⁺) 유입이 일어나고, 칼슘 신호는 매우 빠르게 뿌리 끝에서 분열대(meristem)까지 퍼져 세포분열 속도와 방향을 조절합니다. 이때 압력이 낮은 방향으로 세포벽이 더 잘 늘어나고, 압력이 큰 방향은 세포벽 합성이 빨라져 강화되는데요, 이 과정에서 세포벽 재구성 효소(Expansin, XTH)의 발현이 국소적으로 달라지며, 결과적으로 뿌리는 장애물을 피해서 구부러지고, 분열대의 세포분열 축 방향이 바뀌게 됩니다. 압력 감지 후에는 PIN 단백질이 재배치되어 옥신(auxin) 흐름이 비대칭적으로 변하는데요, 옥신 농도가 높은 쪽은 성장이 억제되고, 낮은 쪽은 성장이 촉진되어 뿌리가 휘어집니다. 이런 반응은 빛이나 중력에 의한 굴성(tropism)과 유사하지만, 기계적 굴성(thigmotropism)이라고 부릅니다. 또한 말씀해주신 장애물 회피(OA, obstacle avoidance)는 단순한 기계 반응이 아니라 유전적으로 코딩된 발달 프로그램이 관여하는데요, 대표적으로 Arabidopsis thaliana 연구에서 MCA1(Mechanosensitive Channel of Arabidopsis) 유전자가 기계 자극 감지에 핵심 역할을 하는 것이 밝혀졌습니다. MCA1, MCA2 변이주는 장애물을 만나도 회피하지 못하고 직진하다가 뿌리 끝이 손상되며, 이외에도 ROP GTPase 신호, ethylene 및 jasmonate 경로가 토양 저항 회피 반응에 관여하는 것으로 알려져 있습니다. 감사합니다.