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리조비움은 숙주 식물과 어떤 신호 전달 과정을 통해 공생 관계를 형성하나요?
안녕하세요. 콩과 식물의 뿌리혹에 공생하는 Rhizobium은 숙주 식물과 어떤 신호 전달 과정을 통해 공생 관계를 형성하며, 이 상호작용은 식물의 생장에 어떤 생리적 변화를 일으키는지 궁금합니다.
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안녕하세요.
콩과 식물의 뿌리혹에 공생하는 리조비움은 숙주 식물과 정교한 화학적 신호 교환 과정을 통해 공생 관계를 형성하는데요 이 과정은 우연한 감염이 아니라, 서로가 서로를 인식하고 허용하는 분자 수준의 의사소통 결과입니다. 먼저 숙주 식물의 뿌리는 토양으로 플라보노이드라는 2차 대사산물을 분비합니다. 이 물질은 특정 리조비움에게 신호로 작용하여 세균 내부의 nod 유전자군을 활성화하며 그 결과 리조비움은 Nod factor라고 불리는 리포키토올리고당 신호 분자를 합성하여 다시 식물 쪽으로 방출합니다. 이때 Nod factor는 종 특이성이 매우 높아서, 적합한 숙주 식물만이 이를 정확히 인식할 수 있습니다.
다음으로 식물 뿌리 세포막에는 Nod factor를 인식하는 수용체가 존재하며, 이 신호가 결합하면 세포 내부에서 칼슘 이온 농도가 주기적으로 변하는 칼슘 스파이킹 현상이 발생합니다. 이러한 신호 전달은 공생 관련 유전자 발현을 촉진하고, 뿌리털이 구부러지며 감염사라는 세균 침투 통로가 형성되는 과정을 유도합니다. 이후 세균은 뿌리 내부 피층으로 이동하고, 식물 세포는 활발한 세포 분열을 통해 뿌리혹을 형성합니다. 뿌리혹 내부에서 리조비움은 박테로이드 형태로 분화하여 대기 중 질소를 암모니아로 환원하는 질소 고정을 수행합니다. 이때 중요한 역할을 하는 단백질이 레그헤모글로빈아데요 질소 고정 효소는 산소에 매우 민감하기 때문에, 레그헤모글로빈은 산소 농도를 낮게 유지하면서도 세균의 호흡에 필요한 최소한의 산소를 공급하는 완충 역할을 합니다. 그 결과 생성된 암모니아는 식물의 아미노산과 단백질 합성에 사용되며, 질소가 부족한 토양에서도 식물이 안정적으로 성장할 수 있게 되는 것입니다.
이 공생 관계가 형성되면 식물은 질소 비료 없이도 엽록소 합성이 증가하고 광합성 효율이 향상되며, 단백질 합성이 활발해져 전반적인 생장 속도가 증가합니다. 감사합니다.
식물이 뿌리에서 플라보노이드를 분비하면, 이를 감지한 박테리아가 노드 인자라는 신호를 돌려보내 응답합니다.
이 신호에 반응해 식물의 뿌리털이 굽어지며 박테리아를 감싸고, 감염실을 통해 박테리아가 뿌리 내부로 침투합니다.
이 과정에서 식물은 세포 분열을 일으켜 뿌리혹이라는 특수한 기관을 형성하며, 산소에 취약한 질소 고정 효소를 보호하기 위해 레그헤모글로빈을 생성하죠.
그래서 결과적으로 식물은 박테리아로부터 암모니아 형태의 질소를 공급받아 단백질 합성하고, 박테리아는 식물로부터 광합성 산물인 당분을 에너지원으로 얻게 되는 것입니다.
리조비움과 콩과 식물은 화학적 신호 교환을 통해 공생을 시작하는데 식물이 분비한 플라보노이드가 리조비움의 노드 유전자를 활성화하여 노드 인자를 생성하게 유도하면 이 인자가 식물 뿌리털의 수용체와 결합하여 감염사와 뿌리혹 구조를 형성합니다. 이 과정에서 식물은 질소 고정 효소를 보유한 리조비움을 위해 특수한 세포 내 환경을 제공하며 리조비움이 대기 중 질소를 암모늄 이온으로 전환하여 공급함에 따라 식물은 질소 영양 상태가 개선되고 단백질 합성이 촉진되는 생리적 변화를 겪습니다. 리조비움은 그 대가로 식물로부터 탄수화물을 공급받아 에너지를 얻으며 이러한 상호작용은 식물의 전반적인 생장 효율을 높이고 척박한 토양에서도 생존할 수 있는 능력을 강화합니다.