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바나나를좋아하는원숭이
식물은 빛의 방향, 중력, 수분 부족, 온도 변화와 같은 외부 자극이 주어졌을 때 어떤 세포 수준에서의 신호 전달 체계를 통해 감지를 할 수 있나요?
안녕하세요. 식물은 동물과 같이 이동할 수 없음에도 불구하고 다양한 환경 변화에 적응해서 살아가는 것을 볼 수 있습니다. 그렇다면 식물은 빛의 방향, 중력, 수분 부족, 온도 변화와 같은 외부 자극이 주어졌을 때 어떤 세포 수준에서의 신호 전달 체계를 통해 감지를 할 수 있나요?
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
식물은 말씀해주신 것과 같이 동물처럼 움직여서 환경을 피할 수 없기 때문에, 대신 세포 수준에서 외부 자극을 매우 정교하게 감지하고 내부 신호로 바꾸는 시스템이 발달해 있습니다. 핵심은 수용 단백질, 이온 이동, 호르몬 신호, 유전자 발현 변화가 연결되어 작동하는 것인데요, 우선 빛의 방향을 감지할 때는 식물 세포 안에 있는 광수용 단백질이 중요한 역할을 합니다. 대표적으로 포토트로핀은 청색광을 감지하는데요, 빛이 한쪽 방향에서 들어오면 이 단백질이 활성화되고, 세포막에서 칼슘 이온이나 수소 이온 이동이 일어납니다. 결과적으로 식물 호르몬인 옥신이 줄기의 그늘진 쪽에 더 많이 분포하게 되며, 옥신이 많은 쪽 세포는 더 길게 자라기 때문에 줄기가 빛 쪽으로 휘어지게 됩니다. 중력을 감지하는 방식은 뿌리나 줄기 세포 안에는 전분이 많이 들어 있는 작은 입자들이 있는데, 이를 아밀로플라스트라고 합니다. 이 입자들은 무게가 있어서 중력 방향으로 아래쪽에 가라앉으며, 식물 세포는 이 위치 변화를 감지하고, 옥신의 이동 방향을 조절하기 때문에 결과적으로 뿌리는 아래로, 줄기는 위로 자라게 됩니다.
다음으로 수분 부족을 감지할 때는 세포의 팽압 변화와 삼투압 변화가 신호로 작용합니다. 세포가 물을 잃으면 세포막과 단백질들이 이를 감지하고, 식물 호르몬인 아브시스산의 생성이 증가하며, 이 호르몬은 잎의 기공을 닫게 만들어 수분 증발을 줄이고, 동시에 스트레스 관련 유전자 발현도 유도합니다. 마지막으로 온도 변화는 세포막의 유동성 변화나 특정 온도 감지 단백질을 통해 인식되는데요, 온도가 낮아지거나 높아지면 세포막 지질의 움직임이 달라지고, 이것이 신호전달 경로를 활성화합니다. 결과적으로 열충격 단백질이나 저온 적응 단백질 같은 보호 단백질이 만들어집니다. 이 모든 과정들이 진행될 때 중요한 것은 세포 안의 칼슘 이온 신호, 활성산소 신호, 단백질 인산화 반응, 그리고 유전자 발현 조절인데요, 식물은 세포막 수용체로부터 이온 신호를 호르몬 변화로 바꾸고 유전자 조절을 통해 생장 변화라는 연속적인 생물학적 시스템을 통해 환경에 적응하는 것입니다. 감사합니다.
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채택된 답변식물은 신경계가 없는 대신 호르몬과 이온 농도 변화를 통해 외부 자극을 세포 단위에서 감지합니다.
빛의 방향은 포토트로핀 수용체가 감지하여 옥신 호르몬을 빛의 반대 방향으로 이동시켜 줄기를 굽게 하며, 중력은 뿌리 끝 세포 속의 무거운 녹말 알갱이인 평형석이 아래로 가라앉는 물리적 자극을 통해 방향을 인식합니다.
또 만일 수분이 부족해지면 뿌리에서 생성된 아브시스산(ABA)이 잎의 공변세포로 전달되어 칼슘 이온 통로를 열고, 이온과 물을 세포 밖으로 내보내 기공을 바로 닫아버립니다.
그리고 온도 변화 역시 세포막의 유동성과 칼슘 농도 변화를 유도하여 저온 방어 유전자를 발현시키는 등, 식물은 화학적으로나 전기적 신호 전달 체계를 통해 환경에 능동적으로 적응하는 것입니다.
식물은 세포막에 존재하는 수용체 단백질을 통해 외부 자극을 인식하며 세포 내 칼슘 이온 농도 변화나 인산화 반응을 거쳐 신호를 전달합니다. 빛의 방향은 광수용체인 포토트로핀이 청색광을 흡수하여 옥신 호르몬의 불균등 분배를 유도함으로써 감지하고, 중력은 뿌리 덮개 세포 속의 녹말체인 평형석이 중력 방향으로 가라앉으면서 물리적 압력을 전기적 신호로 변환합니다. 수분 부족 상황에서는 뿌리에서 생성된 앱시스산이 잎의 기변세포로 이동하여 이온 통로를 조절함으로써 기공을 닫게 만들며, 온도 변화는 세포막의 유동성 변화와 열 충격 단백질의 활성화를 통해 유전자 발현을 조절하는 방식으로 대응합니다. 이러한 자극들은 최종적으로 다양한 호르몬의 상호작용과 전사 인자의 활성화를 이끌어내어 식물이 환경에 적합한 생장과 굴성 반응을 보이도록 유도합니다.
안녕하세요. 김민구 전문가입니다.
자극별로 세포 수준에서 어떻게 감지하는지 설명해 드릴게요.
빛의 방향 감지 (굴광성)
식물은 포토트로핀(phototropin)이라는 청색광 수용체 단백질로 빛을 감지해요. 빛이 한쪽에서 오면 그쪽의 포토트로핀이 활성화되어 옥신(auxin)이라는 식물호르몬의 분포가 비대칭적으로 바뀌어요. 빛을 덜 받는 그늘 쪽에 옥신이 더 많이 몰리고, 옥신이 많은 쪽의 세포가 더 빠르게 신장하면서 줄기가 빛 쪽으로 휘어요. 세포 하나하나의 성장 속도 차이가 식물 전체를 빛 쪽으로 구부러지게 만드는 거예요.
중력 감지 (굴중력성)
뿌리 끝의 평형세포(statocyte)에는 전분이 가득 찬 아밀로플라스트라는 작은 입자가 있어요. 이 입자가 중력 방향으로 가라앉으면서 세포막의 기계적 수용체를 자극해요. 이 신호가 칼슘 이온 농도 변화로 이어지고, 다시 옥신 분포를 조절해서 뿌리는 중력 방향(아래)으로, 줄기는 반중력 방향(위)으로 자라게 돼요. 아밀로플라스트가 일종의 작은 추 역할을 하는 셈이에요.
수분 부족 감지
토양의 수분이 부족해지면 뿌리 세포가 이를 감지해 앱시스산(ABA)이라는 호르몬을 만들어요. ABA는 물관을 타고 잎까지 전달되는데, 잎의 기공(숨구멍)을 둘러싼 공변세포에 ABA가 도달하면 칼륨 이온이 세포 밖으로 빠져나가고 삼투압이 떨어지면서 공변세포가 쪼그라들어요. 그 결과 기공이 닫히고 수분 증발이 줄어드는 거예요. 호르몬 하나가 뿌리에서 잎까지 신호를 전달하는 시스템이에요.
온도 변화 감지
온도 감지는 다른 자극보다 훨씬 복잡해서 아직 연구가 활발히 진행 중이에요. 고온의 경우 열충격 단백질(HSP)이 만들어져 다른 단백질이 변성되는 것을 막아요. 저온의 경우 세포막의 지질 구성이 변하면서 막의 유동성을 유지하는 방향으로 적응해요. 봄에 꽃을 피우기 위해 겨울 추위를 경험해야 하는 춘화현상은 저온이 FLC라는 유전자 발현을 억제하는 후성유전학적 변화를 유도하는 방식으로 이루어져요.
공통적으로 흥미로운 점은 이 네 가지 자극이 모두 칼슘 이온 농도 변화를 중간 신호로 활용한다는 거예요. 자극의 종류는 달라도 세포 안에서 칼슘 이온이 급격히 증가하는 패턴이 공통적으로 나타나고, 이후 각 자극에 특이적인 단백질과 호르몬이 관여해서 서로 다른 반응으로 이어져요. 칼슘이 식물 세포 신호 전달의 공통 언어 역할을 하는 것이라고 보면 될 것 같습니다.
감사합니다.