연구 결과

CO₂ 농도의 감소는 기공이 열리는 생화학적 신호전달의 초기 반응이다. 식물이 빛을 받으면, 광합성 활성이 증가해 서 세포간극 내강 속의 CO₂를 사용하여 유기물로 고정한다. 이로 인해, 세포간극 내강 속에 감소된 CO₂는 확산을 통해 대기로부터 공급받는다. 광합성적 CO₂ 고정이 증가할수록 세포간극 내강 속의 양은 CO₂의 감소하고, 더 많은 CO₂를 고정하기 위해 기공이 열린다는 것이 CO₂와 관련하여 밝혀 진 CO₂-유도 기공 열림에 대한 정보의 전부에 가깝다. 이미 빛에 의한 기공 열림 메커니즘은 청색광 수용체들이 잇달아 발견되면서 빛에 의한 기공 열림과 앱시스산 (Abscisic acid)에 의한 기공 닫힘 메커니즘도 자세히 밝혀진 상태이 다 (Taiz and Ziger, 2010).

CO₂에 의한 신호전달경로가 아직 밝혀지지 않았지만, 기 공 메카니즘과 관련하여 가장 중요한 핵심적인 요소들은 팽압을 조절하는 삼투물질로, K⁺, Ca²⁺, Cl^-, 말산^2- 그리고 슈크로스 등이 포함된다. 기공의 열림과 닫힘 반응은 이들 삼투물질들의 이동 경로에 의해서 결정된다고 볼 수 있다. 따라서 지난 20~30년은 이온 수송에 대한 연구가 주로 공변 세포 막을 이용하며 이에 대한 연구는 아직도 진행 중이다. 이로 인해 원형질막의 수송 시스템에 대한 많은 비밀들이 밝혀지고 있다. 채널 연구는 법의발전에 의해 1개의 이온통 로에 흐르는 pA (pico ampere)수준의 전류를 측정할 수 있 게 되어 많은 이온 채널들이 발견되었으며, 이와 더불어 막 수송단백질에 대한 연구도 커다란 발전이 이루어졌다. 많은 무기물과 유기물, 심지어 펩티드와 색소들을 수송하는 단백 질 (ATP-결합 카세트; ABC)과 펩티드 운반체들에 대한 정 보도 이미 밝혀진 상태이다.

공변세포 막으로 슈크로스를 포함한 특정 이온이나 유기 물 수송의 증가는 기공 열림을 유도한다. 세포간극 내강의 CO₂ 농도 변화는 CO₂–연관 기공반응에 첫 번째 신호로 작 용할 수 있다. 지구상의 생명체는 태양에너지로부터 파생된 에너지에 의존하며 살아간다. 광합성은 태양에너지를 수확 할 수 있는 가장 중요한 생물학적 반응 중의 하나이다. 고등 식물에서 광합성이 가장 활발한 조직은 잎의 엽육세포이다. 책상유조직의 엽록체는 광-수확안테나 복합체라는 특수한 구조를 가지고 있는 약 20~40개의 많은 엽록체들이 있다. 광합성의 명반응은 태양에너지를 포획하여 물을 산화시키 며, 그 결과 산소가 방출되며 캘빈 회로에서 CO₂고정을 위 한 ATP와 NADPH를 합성한다. 기공의 핵심적인 역할은 광합성을 최대화하는 동시에 증산작용을 최소화하는 것이 다. 육상식물의 광합성과 증산작용은 길항적인 경쟁 관계에 있다. 식물은 대기의 건조로 인해 항상 수분스트레스의 위 험에 노출되어 있다. 수분스트레스에 대한 식물의 방어 시 스템은 기공크기의 조절을 통해 광합성량과 증산량을 결정 한다. 햇빛이 비치는 화창한 아침에, 식물이 물의 공급을 충분히 받고 있으면 광합성이 활발하게 일어나며, 이로 인 해 CO₂ 확산에 대한 기공저항이 감소되어 기공이 크게 열 린다. 동시에 증산작용에 의한 수분 손실이 증가하지만, 식 물의 가장 중요한 역할은 포도당을 합성하는 것으로, 수분 이 충분히 공급되면 기공이 열리는 것이 식물의 생존에 유 리하다. 광합성 활성이 증가하면 CO₂는 소비가 촉진되어 CO₂ 세포간극 내강의 CO₂ 농도는 감소하게 되어 기공이 열릴 것이다.

기공 열림은 분명하게 K⁺, Cl^-, 말산^2- 그리고 슈크로스 등이 공변세포로의 유입을 통해 삼투압이 증가했기 때문이 다. 그러나 CO₂가 삼투압의 증가와 관련한 주요 삼투조절 이온들의 수송에 어떻게 관여하는지는 아직까지 밝혀지지 않았다. 지금까지 알고 있는 것은 세포간극 내강 속의 CO₂ 농도가 낮아지면 기공 열림을 유도한다는 것이다 (Flexas et al., 2012; Singh et al., 2013; Singsaas et al., 2004). 세포간극 내강 속의 CO₂ 농도가 감소하면 기공은 열리고 슈크로스와 같은 광합성 산물의 생성을 증가하기 위해 더 많은 CO₂를 필요로 한다. CO₂의 대기 농도 (C_a)는 현재 약 0.04%이며 이는 C_i 보다는 높은 농도이다. C_i 감소는 동화율의 증가를 나타낸다. 빛에 의한 기공 열림 메커니즘 은 주요 삼투 물질이 K⁺과 슈크로스에 의한 삼투압의 증가 인 것으로 밝혀지고 있지만, 이에 대한 논쟁도 치열하다. K⁺과 관련된 실험은 인위적으로 잎의 표피세포를 분리해서 K⁺을 처리 한 후의 결과이며, 슈크로스는 공변세포 내에 있는 엽록체의 활성으로 인해 기공이 열리는 데 필요한 삼 투물질인 슈크로스를 충분히 만들 수 있는지는 아직도 논쟁 중이다. 환경의 변화에 대한 신호 감지와 기공이 열리는 데 필요한 모든 삼투물질이 공변세포에서 이루어진다고 보고 있다 (Melis and Zeiger, 1982; Taiz and Zeiger, 2010). 그 러나 기공은 광합성을 최대화하고 수분스트레스에 대한 저 항 메커니즘을 발달시키는 방향으로 진화 해 왔다. 기공의 가장 중요한 역할은 광합성이다. 그리고 광합성이 가장 활 발하게 일어나서 대부분의 광합성 산물을 생성하고 식물의 다른 수용부인 줄기나 뿌리에 슈크로스를 공급하는 곳은 엽육세포이다. 따라서 기공 열림에 대한 환경적인 신호의 감지와 삼투물질들이 엽육세포의 기여가 분명히 있어야 한 다고 보고 있다 (Kim and Lee, 2007; Lee and Bowling, 1992; Outlaw, 1989). 공변세포 내에 있는 엽록체는 루비스 코의 활성 및 기타 광합성 활성이 엽육세포의 엽록체와 다 르다고 발표하였다 (Outlaw, 1989).

광-의존 기공 열림의 신호전달체계의 시작은 원형질막의 H⁺-ATPase의 활성이며 이로 인해 세포벽으로 H⁺를 방출하 는 것이다. 빛에 의해 반응하는 기공의 첫 번째 반응은 세포벽 에서 관찰되는 산성화이다. 세포질의 막퍼텐셜 (membrane potential)은 -200~-100 mV 사이에 있다. 이 과정에서, 세포 벽으로 H⁺의 수송은 공변세포 세포질의 막퍼텐셜은 -10~-20 mV 증가한 과분극 (hyperpolarization)이 일어난다 (Lee and Bowling, 1993a). 약알칼리성에 가까운 세포질과는 달 리 세포벽은 pH 5.5~6.5에서 원형질막의 H⁺-ATPase의 활 성으로 인해 H⁺ 방출은 pH를 pH 5.5~6.5로 낮아진다. 세포 벽으로 H⁺의 수송은 많은 삼투물질 이온 및 유기물 수송에 신호로 작용하는 것으로 알려졌다. 초기 기공 열림 반응에서 필수적인 공변세포벽의 산성화가 낮은 CO₂ 농도에서도 일 어나는지는 밝혀지지 않았다. 지금까지는 CO₂와 H⁺-ATPase 활성과의 관계는 알려진바 없다. CO₂는 기체로 실험적인 상황에서 직접 처리하는 것은 매우 어려운 과정이다. 그렇 다면 낮은 CO₂ 농도에서 유도된 기공 열림이나 높은 CO₂농 도에서의 기공 닫힘은 어떻게 일어나는 것일까? CO₂에 의 한 기공 메커니즘은 엽육세포의 역할을 고려해 봐야 한다. 기공 열림 메커니즘에 대한 관점은 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 공변세포가 환경적인 신호를 모두 감지하며 아울 러 기공이 열리는 데 필요한 모든 삼투물질들을 공변세포 내에서 자족할 수 있다는 것이다. 이 경우에는 공변세포 내 의 엽록체가 완벽하게 광합성을 수행하여 기공 열림에 필요 한 모든 삼투 물질을 공급할 수 있다고 보는 것이다. 그러나 공변세포 엽록체가 엽육세포의 엽록체와 똑 같은 광합성 활성을 가지는지는 의문이다. 닭의장풀의 공변세포 내 엽록 체의 수는 약 10~12개이며 엽육세포에는 약 40개 정도의 엽록체가 있으며, 이들의 크기, 모양, 루비스코의 활성은 다 른 것으로 알려졌다 (Kim and Lee, 2007; Lee and Bowling, 1992, 1993a, 1993b, 1995: Lee et al., 1996; Lee, 2010, 2013). Lee (2010)는 빛에 의한 기공 열림에 엽육세포가 관여되었다고 발표했다 (Lee and Bowling, 1992, 1993a, 1993b, 1995: Lee, 2010). Lee와 Bowling (1993a)은 기공 크기에 대한 CO₂-관련된 기공 열림은 공변세포 막의 투과 성에 영향을 준다고 발표하였다.

생물학적 막과 인지질 이중층 인공적인 막에서 O₂, CO₂, H₂O와 같은 비극성이거나 극성이 약한 분자는 막 투과성이 같으나, 전기적인 전하를 띤 물질의 경우의 투과성은 매우 다르다. 하지만, 세포 영양이나 대사와 관련된 물질들의 대 부분은 직접적으로 인지질 이중층을 통과하는 것이 아니라 막단백질의 도움에 의해 수송된다. 이 수송 단백질은 세 그 룹으로 나눌 수 있다: 채널, 운반체 그리고 펌프이다. 1차 능동 수송의 대표적인 예는 H⁺-ATPase와 Ca²⁺-ATPase로 같은 에너지인 ATP를 사용하여 H⁺와 Ca²⁺를 펌프한다. 2차 능동은 H⁺와 더불어 다른 한 물질을 수송하는 데, 이때, 에 너지로 양성자 기울기를 사용한다.

C_a 는 식물의 발달, 계절적인 발달과 더불어 광합성과 식물의 생장에 영향을 준다. 이와 같이, CO₂의 증가는 기공 형태의 발생과정에도 영향을 줄 수 있다 (Kim, 2012). 지난 50년 동안에 CO₂농도는 80 ppm까지 증가했다. 이 시기에 C₃와 C₄식물 모두에서 기공밀도나 기공지수는 감소하였지 만, 기공의 크기는 증가했다. C₃와 C₄식물의 형태학적 특성 도 크게 차이가 났다 (Kim, 2012).

기공 열림 동안에 주요 삼투 물질들은 채널, 운반체 또는 ATPase-관련 수송 단백질들을 통해 공변세포로 수송되거 나 방출된다. 청색광에 의한 기공 열림의 신호전달체계가 밝혀졌다 (Kuiper, 1964; Hsiao et al., 1973; Ogawa et al., 1978; Morison, 1987; Zeiger, 1983; Lin, 2000; Kinoshita et al., 2003). 청색광 수용체에 의한 분자생물학적 기공 메 커니즘에 대한 연구가 최근 크게 발전하였으나, 적색광과 CO₂ 수용체에 대한 발견은 보고되지 않았다. 적색광에 대 한 수용체는 아마도 피토크롬이 관여할 것으로 추측되나, 기체인 CO₂에 대해서는 연구가 전무하다 (Zeiger and Taiz, 2010). 엽육세포가 광합성의 동화작용의 주된 세포인 것은 명백하다. 엽육세포에서 일어나는 전체 광합성 과정은 CO2-연관 기공 열림을 유도할 수 있다. 말산^2-과 아스파르 트산은 C₄ 광합성적 탄소환원 회로의 첫 번째 안정된 생성 물이다. 지난 수십 년 동안 C_i는 광-유도 기공 열림에서 중요 한 신호전달자인지 아니면 C_i가 기공 메카니즘에 어떤 역할 을 하는지는 중요한 주제였다 (Jarvis and Morison, 1981). C₄ 식물에서는 C_i/C_a의 표준 비율은 C₃식물보다 낮다. Ramos와 Hall (1982, 1983)은 C₄ 광합성적 경로가 C_i에 의한 기공 열림에 매우 큰 민감도를 가진다고 발표하였다. 그러나 높은 습도와 중간 광도에서는 C₃와 C₄초본식물의 기공은 CO₂에 대한 비슷한 기공크기 반응을 보였다, 이는 두 식물 그룹 사이에 CO₂감수성은 유전적으로 큰 차이가 없다는 것을 나타낸다 (Morison and Gifford, 1983). Eucalyptus, Commelina와 Triticum 잎의 기공 컨덕턴스 (stomatal conductance)는 C_i의 큰 변화가 일반적으로 일어 나는 낮은 광도 (0-250 μmole m^-2s^-1)에서 민감하다. 높은 광도 (250-2,000 μmole m^-2s^-1)에서, 기공 컨덕턴스는 CO₂ 에 더 큰 민감성을 보여주었으나, 이 광도에서 C_i는 정상적 인 C_a에서 광도를 증가해도 감소하지 않았다. CO₂를 처리 하자 퍼텐셜 차이 (potential difference; PD)는 T. virginiana 에서는 -10~-15 mV, C. communis L.에서는 -42 mV 과분 극을 보였다. 과분극의 포화는 지연 시간이 없이 1~6초 내에 일어났다. PD에 대한 CO₂의 효과는 빛에 의한 반응보 다 훨씬 더 크고 빠르게 일어났다.

카르보닐시아니드-엠-클로로페닐히드라존 (carbonylcyanidem- chlorophenylhydrazone; CCCP)는 순환적 인산화의 억 제 효과가 크다.

CCCP를 침투시킨 잎 디스크에 CO₂를 처리하자 약 -25 mV의 급격한 과분극이 일어났다 (Lee and Bowling, 1993a). NaN3의 정확한 작용 부위는 알려지지 않았지만, 명반응을 억제하는 것으로 발표되었다 (Spanswick, 1973). 위 결과들 로부터, CO₂에 의한 기공 메커니즘의 조절은 전체적인 광 합성 과정이 관여된 것이 아니라, 원형질막의 투과성에 영 향을 주는 것으로 추측된다. CO₂의 농도 변화는 공변세포 막의 수송단백질에 의한 삼투물질인 이온 및 슈크로스의 수송 등의 변화를 초래하는 것 같다. 결국 CO₂에 의한 기공 메커니즘의 조절은 공변세포의 팽압에 영향을 주는 삼투물 질의 수송에 대한 막 투과성의 변화로 인해 일어나는 것으 로 생각된다.