빛은 식물체에서 매우 중요한 환경요인입니다. 빛은 광합성을 위해 필요할 뿐만 아니라 식물의 생장과 발달에 있어 많은 중요 단계들을 조절합니다. 및에 의한 식물형태 조절을 광형태형성(photomor-phogenesis)라고 합니다. 또한, 빛으로 인해 식물은 하루와 계절의 시간적 추이를 측정할 수 있을 정도로 식물에게 있어 빛은 매우 중요합니다. 그러면, 식물의 생존에 대해서 빛을 어떻게 반응하는지 한 번 알아보겠습니다.
빛을 인지하고 반응하는 식물
식물은 빛의 존재유무만을 인지하는 것이 아니라 방향과 강도, 파장 같은 색을 인지할 수 있습니다. 작용 스펙트럼(action spectrum)이라는 그래프는 특정 반응을 유발하는 데 있어 다양한 파장의 빛이 내는 상대적인 효과를 나타냅니다. 예를 들어서, 광합성의 작용 스펙트럼은 적색 파장의 빛과 청색 파장의 빛에 하나씩, 2개의 피크를 가지고 있습니다. 이것은 엽록소가 가시광선 중 적색 파장과 청색 파장의 빛을 주로 흡수하기 때문인데요, 굴광성 등 빛에 의존하는 어떠한 반응들이 동일한 광수용체 색소에 의해서 매개되는지를 결정할 수 있습니다. 또한, 특정 반응의 작용 스펙트럼과 특정 색소의 흡수 스펙트럼을 비교하여 양상이 매우 유사하면 이 반응을 매개하는 광수용체는 바로 이 색소라는 것을 알 수 있습니다. 작용 스펙트럼은 식물의 광형태형성의 조절에 적색광과 청색광이 가장 중요하다는 것을 보여주는데요, 그렇기 때문에 전문가들은 두 종류의 광수용체를 제안하게 되었으며 청색광 광수용체(blue-ligit photoreceptor)와 적색광을 주로 흡수하는 광수용체인 피토크롬(phytochrome)이 그것입니다.
청색광 광수용체
청색광은 식물에서 굴광성과 가공개폐 등 다양한 반응을 유발합니다. 유식물이 땅을 뚫고 빛에 노출되면 나타나는 하배축 신장률의 감소도 청색광에 의한 반응입니다. 청색광 광수용체의 생화학적인 특성은 매우 파악하기 어려워 1970년대 식물학자들은 이를 크립토크롬(cryptochrome)이라고 부르기 시작했습니다. 1990년대에 들어 전문가들은 애기장대의 여러 돌연변이체들을 분석하면서 최소한 세 가지의 상이한 색소들이 청색광을 흡수할 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 이 색소들은 하배축 신장을 억제하는 크립토크롬과 굴광성에 관여하는 포토트로핀(phototropin), 카로티노이드계의 광수용체로서 기공개폐에 관여하는 제아크산틴(zeaxanthin)입니다.
광수용체로서의 피토크롬
피토크롬은 빛에 대한 여러가지 식물의 반응을 조절하는데, 대표적으로 피토크롬과 종자의 발아가 그것입니다. 종자의 발아에 관한 연구를 통해 피토크롬은 발견되었는데요, 적색광과 근적외선의 반대되는 효과를 매개하는 광수용체가 바로 피토크롬입니다. 피토크롬은 빛을 흡수하는 색소포(chromophore)로서 작용하는 비단백질 부분과 이에 공유 결합하고 있는 단백질로 이뤄져 있습니다. 피토크롬의 색소포는 광가역적으로 빛의 색에 따라 두 가지 이성질체 형태로 상호 전환되는데요, 피토크롬은 적색광뿐만 아니라 근적외선도 흡수할 수 있습니다.
요약
위에서 설명한 종자의 발아에 미치는 영향의 사례를 보았을때, 빛은 식물의 생존에 매우 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있습니다. 특히나 적색광은 발아를 촉진하는데 중요한 역할을 합니다. 이렇듯 피토크롬은 식물의 빛 인지를 돕는 것 이외에도 식물의 하루 흐름과 계절의 변화를 인지하는 것까지 도와줍니다. 이러한 과정에서 피토크롬은 매우 중요한 역할을 하는 것을 알 수 있습니다.
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