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광합성과 형제 관계인 광모방 발생

에 의해서 | 11월 1, 2023 | blogs, 조명 키우기 | 코멘트 0개

소개

식물과 빛에 대해 이야기할 때 광합성이 중심이 되는 경우가 많지만, 그 이야기에는 더 많은 것이 있습니다. 이 글에서는 ‘사진’은 빛을, ‘형태 형성’은 변화와 성장을 의미하는, 잘 알려지지 않은 이야기의 절반인 ‘ 포토모포제네시스 ‘에 대해 살펴봅니다.

이전 글(여기)에서 식물이 빛 에너지를 활용하여 성장과 같은 후속 신진대사에 필요한 당분을 생성하는 방법에 대해 논의하면서 광합성의 기초에 대해 자세히 살펴봤습니다.

그렇다면 이러한 성장의 원동력은 무엇일까요? 해답은 빛이 미치는 또 다른 측면에 있습니다: 바로 광형성입니다. 무엇을, 어디서, 어떻게, 왜 포토모포제네시스가 발생하는지 이해할 수 있도록 조감도를 자세히 보여드립니다.

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그림 1 폴 그린의 Unsplash 사진

식물이 성장하고 변화해야 하는 이유

식물의 성장이나 형태적 변화는 생존을 위해 필수적입니다. 이러한 요구는 크게 두 가지 이유에서 비롯됩니다:

  • 생존: 식물은 광합성에 필요한 빛을 포착하여 생존에 필요한 당분을 생산하기 위해 성장하고 도달 범위를 넓혀야 합니다.
  • 번식: 개화와 열매 맺기는 식물 종의 생존을 보장하며, 이 과정은 빛의 가용성과 밀접하게 연관되어 있습니다.

이 두 가지 기본 요구 사항 모두 중요한 요소인 빛의 역할에 달려 있습니다.

 

실내 원예

그림 2 Unsplash에 게시된 Josie Weiss의 사진

광수용체 – 성장을 위한 빛의 수용

식물 세포에는 광수용체라는 독특한 분자가 있는데, 이 분자는 빛 에너지를 받아 성장과 형태적 변화를 일으키는 역할을 합니다. 세 가지 주요 유형의 광수용체에 대해 알아봅시다:

  • 피토크롬: 이 광수용체는 계절에 따른 식물 전환을 촉발하여 종자의 발아, 성장, 개화, 결실에 영향을 미칩니다.
  • 크립토크롬: 성장 조절을 담당하는 이 광수용체는 식물이 과도하게 확장하지 않고 생존을 위해 효율적인 형태를 유지하도록 합니다.
  • 포토트로핀: 이 광수용체는 식물의 줄기 성장을 이용 가능한 광원으로 유도합니다.

그림 3(Unsplash의 앨버트 멜루)

광수용체는 어디에 있나요?

이해를 돕기 위해 광수용체의 위치를 정확히 파악해 보겠습니다. 이들은 식물 세포 전체에 흩어져 있으며, 세포 내 공간인 세포질에 서식합니다.

그림 4 – 광수용체는 세포의 세포질에 존재합니다.

(왼쪽 식물 사진: 알버트 멜루, 가운데 식물 세포 사진: 크리스티안 피터스)

식물이 계절 변화를 감지하는 방법 – 피토크롬의 역할

계절이 바뀌면서, 특히 겨울에서 봄으로 넘어가는 시기에는 생동감이 넘쳐나는 것을 느낄 수 있습니다. 씨앗이 발아하고, 새싹이 나오고, 줄기가 뻗어 나가고, 잎이 펼쳐지고, 성숙한 식물은 꽃을 피우고 열매를 맺습니다. 그렇다면 식물은 어떻게 계절에 따라 행동을 동기화할까요? 그 해답은 바로 피토크롬에 있습니다.

피토크롬 분자

피토크롬은 3D 분자 구조로 조립된 원자 그룹인 단순한 분자입니다. 두 가지 상태로 존재합니다: Pr과 Pfr. 적색광(620-750nm)에 노출되면 피토크롬은 Pr 상태에서 Pfr 상태로 전환됩니다. Pfr 상태의 피토크롬이 원적색광(700-800nm)을 흡수하면 Pr 상태로 되돌아갑니다.

피토크롬이 계절을 감지하는 방법.

낮 시간대에는 적색광이 더 많이 존재하여 Pr이 Pfr로 전환됩니다. 밤이 되면 Pfr 피토크롬은 자연적으로 다시 Pr로 분해됩니다. 따라서 Pr-Pfr 비율은 하루 24시간 동안 변동하다가 해가 지면 다시 평형을 찾습니다.

그러나 봄과 여름에는 낮 시간이 길어지면서 Pr-Pfr 비율이 낮아지고, 이는 여러 날에 걸쳐 지속되어 광모방생성을 유발하는 임계값에 도달합니다.

낮이 짧아지는 겨울철에는 적색광이 줄어들고 Pr-Pfr 비율이 증가하여 광모양 형성을 억제합니다.

이 비율은 일반적으로 백분율로 표시되지만(그림 6), 여기서는 이를 Pr-Pfr 비율이라고 부릅니다.

여기에서 PSS(피토크롬 광정지 상태)에 대한 다른 문서를 참조하세요.

피토크롬 분자
피토크롬, Pr 및 Pfr 분자

그림 5 – 피토크롬은 빛을 흡수한 후 형태가 변하는 분자입니다.

Phytochrome PSS 계산

그림 6 – 피토크롬 상태는 두 가지 형태의 비율을 기준으로 합니다.

줄기 성장은 세포 분열입니다

줄기 신장, 잎의 확장, 개화 및 과일 발달은 세포 분열에 의해 나타나며, 이는 궁극적으로 식물 세포의 핵에 있는 유전적 DNA 물질에 의해 제어됩니다.

핵은 일상적으로 환경 신호와 신호 이벤트(예: 피토크롬 활성)를 수신하여 세포 분열과 같은 작용이 필요한지 여부를 결정합니다. 세포 분열을 위한 조건이 무르익었다는 것을 감지하면 핵은 세포 분열 과정인‘세포 주기‘를 시작합니다.

피토크롬 상태 외에도 세포 분열이 일어나기 전에 다른 환경 조건을 확인해야 합니다:

  • 온도
  • 습도
  • 영양소 및 물 가용성
  • 호르몬 활동 (예, 식물에도 호르몬이 있습니다)
  • 효소 활동(호르몬 활동 관련)
  • 다른 광수용체와의 상호 작용

즉, 피토크롬 활동이 세포 분열에 유리하더라도 극도로 낮은 온도에서는 광모방생성을 유발하지 않을 수 있습니다. 이는 고도로 조율되고 엄격하게 통제되는 프로세스입니다.

그림 7 – 식물 세포의 핵은 세포 분열의 모든 기능을 제어합니다.

그림 8 – 세포 주기의 4번째 단계는 세포 분열(유사분열)입니다. 작성자: Ali Zifan(Wikipedia-CC BY-SA 4.0)

피토크롬과 싹이 트는 씨앗

그림 9 – 씨앗에서 새싹으로

씨앗에서 새싹으로

씨앗은 계절에 따른 빛의 변화에 반응합니다. 밝은 햇빛과 긴 낮에는 적색광이 많고, Pr/Pfr 비율이 낮으며, 발아 조건이 유리합니다.

그러나 많은 경우 씨앗은 적색광이 적고 원적색광이 많은 캐노피 아래 그늘진 곳에 떨어질 수 있습니다. 이는 캐노피 잎이 적색광은 흡수하지만 원적색광은 잎을 통해 투과하기 때문에 발생합니다.

캐노피 아래 원적색광의 불균형으로 인해 홍보 수준이 높아져 조명 상태가 좋지 않음을 나타냅니다. 씨앗은 싹을 틔우고 빛에 닿으려는 대신 발아를 억제합니다. 이는 자원을 낭비하지 않고 더 나은 조건이 도래할 때까지 휴면 상태를 유지하기 위한 생존 메커니즘입니다.

새싹에서 심기까지

새싹이 다 자란 식물로 변하면, 더 긴 날과 더 많은 붉은 빛을 기다리는 동일한 계절 패턴을 따릅니다.

식물이 그늘진 곳이나 캐노피 아래에 있으면 원적색광(더 높은 Pr/Pfr)을 더 많이 감지하지만, 종자 휴면 상태와 달리 식물은 줄기를 늘리고 잎을 확장하여 빛을 받으려고 시도합니다.

청색 및 UV-A 빛에 반응하는 포토트로핀이라는 두 번째 유형의 광수용체가 있습니다. 주로 식물이 빛을 향해 구부러지도록 지시하는 것으로 간주됩니다. 주로 나뭇가지 끝에서 발견됩니다. 피토트로핀은 빛이 한쪽에서 비추는지 다른 쪽에서 비추는지 감지하여 빛을 향해 몸을 구부릴 수 있습니다.

그림 10 – 저조도 조건의 캐노피 아래에서 식물은 원적색광에 반응하여 줄기를 늘리고 잎을 확장합니다.

Original Plant Images by Freepik

식물은 성장을 멈춰야 할 때를 알고 있습니다: 크립토크롬

식물은 영원히 자랄 수 없으므로 성장을 억제하는 메커니즘이 존재합니다.

식물이 캐노피 위로 뻗어 나가면서 잎은 청색광(400-500nm)과 UV-A(320-400nm)를 포함한 모든 스펙트럼의 햇빛을 받게 됩니다. 이 단계에서 크립토크롬이 작동합니다. 이 광수용체는 이러한 파장의 빛을 흡수하지만 줄기와 잎의 성장을 억제하는 역할을 합니다.

과도한 키는 식물을 바람과 중력의 영향에 더 취약하게 만들고 영양분과 물의 효율적인 섭취를 방해할 수 있습니다. 짧고 간결하게 유지하려는 것은 생존을 위한 적응입니다.

그림 11 – 식물이 캐노피 위에 도달하면 파란색과 UV-A 빛이 크립토크롬을 활성화하여 성장을 억제합니다.

Original Plant Images by Freepik

식물에서 꽃으로

꽃이 피고 열매를 맺는 과정은 대부분 동일합니다. 적색광이 증가하는 날이 길어지면 Pr이 Pfr로 변환되어 Pr/Pfr 비율이 감소하고 개화가 촉진됩니다.

일부 식물은 장일 식물로 분류되어 낮이 길어지고 Pr/Pfr 비율이 낮을 때 꽃을 피웁니다. 반대로 단일 식물은 낮이 짧을 때 꽃을 피우며, Pr/Pfr 비율이 더 높게 유지됩니다. 즉, 포인세티아 같은 특정 식물은 일반적으로 겨울철에 꽃을 피웁니다.

그림 12 – Unsplash에 올라온 ameenfahmy의 사진

식물에서 열매로

식물이 열매를 맺기까지의 여정은 열매를 맺는 나무와 식물에 따라 다릅니다. 예를 들어 사과나무는 낮의 길이와 피토크롬 활성에 민감하여 결실에 영향을 미칩니다.

반면 레몬나무와 같은 일중성 식물은 호르몬 조절, 온도, 강우량, 토양 수분 등의 요인에 따라 열매를 맺기 시작합니다. 온화한 기후에서는 계절에 따른 일조량 변화에도 불구하고 레몬 나무가 일 년 내내 열매를 맺을 수 있습니다.

그림 13 – Unsplash에 게시된 Zoe Schaeffer의 사진

광합성과 광모포제네시스 간의 관계

광형성에는 많은 활동이 있으며, 이 모든 활동에는 에너지가 필요합니다. 이 에너지의 출처는 어디일까요? 광합성의 부산물인 설탕에서 나옵니다.

광합성은 잎이 빛을 흡수하여 당을 만들기 위해 성장하고 빛에 도달하기 위해 광형성 작용에 의존합니다. 광합성은 모든 활동에 필요한 당분을 공급하기 위해 광합성에 의존합니다.

 

LED 조명 색상 및 광합성 정렬

그림 14 – 광합성과 광모포제네시스는 공생 관계를 공유합니다.

광모포제네시스 이해의 실용적인 응용 분야

최고 수준의 전문 실내 재배자 및 연구 기관은 식물 성장 전략을 개선하기 위해 조명 기술을 지속적으로 활용하고 있습니다. 동적 LED 조명과 스펙트럼 PAR 미터를 사용하여 적색, 원적색, 청색 조명을 조작하고 측정하며, 광형성 정보를 활용하여 제품의 품질, 수량, 적시성을 개선합니다.

LED 조명 색상 및 광합성 정렬

그림 15 – 스펙트럼 PAR 미터는 광형성 관련 빛을 측정합니다.

요약

빛에서 세포질의 피토크롬 활성화, 핵의 세포 분열, 마지막으로 식물의 성장과 변화에 이르는 광형성 과정의 기본을 살펴봤는데, 이것이 바로 광형성 과정입니다.

그러나 실제 빛 신호 경로, 화학 반응, 호르몬 및 효소 활동, 유전자 발현은 여전히 매우 복잡하게 얽혀 있고 복잡하다는 점에 유의하세요.

또한 식물 종은 다양하며 진화적 특성이 있다는 점에 유의하세요.

하지만 저희는 농부들이 식물 생체 역학의 흥미로운 진화적 측면을 한 눈에 볼 수 있도록 돕고, 제품의 품질과 적시성을 개선할 수 있는 새로운 재배 전략을 장려하고자 했습니다.

그림 16 – 광모포제네시스

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스펙트럼 PAR 측정을 통해 농부와 연구자들은 제품의 품질, 시기 및 양을 개선하기 위해 색상 매개변수를 조정할 때 전문가 조명의 이점을 활용할 수 있습니다.

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