식물생장 조절물질 – 식물 호르몬 이야기

SCIENCE WAVE

 

 

여러 가지 호르몬 종류가 동물의 온갖 생체기능을 조절하듯이, 식물체에서도 몇 가지 호르몬이 생산되어 생장에 절대적인 역할을 한다. 호르몬은 영양분이 아니다. 그러나 그들은 잠자던 씨앗이 깨어나 싹트도록 하고, 뿌리가 내리고, 햇빛을 향해 자라고, 꽃이 피고, 열매를 맺고, 영양분이 저장되도록 하고, 과일을 온갖 색으로 물들게 하는 역할을 한다.

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식물호르몬(plant hormone)은 생체 내에서 생산되는 극소량의 물질이지만, 그 역할이 절대적이기 때문에 ‘생장조절물질’이라 부른다. 식물체에서 생성되는 몇 가지 중요한 호르몬이 생장과 분화, 환경에 대한 적응 등에 미치는 영향을 알아본다.

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식물의 호르몬들이 하는 역할을 알게 된 과학자들은, 몇 가지 호르몬에 대해서는 인공적으로 그 성분을 화학적으로 합성하고, 적절히 식물에 처리하여 더 빨리 자라고, 일찍 또는 늦게 꽃피게 하고, 씨 없는 과일이 되도록 인위적 조절을 하기도 한다. 이런 호르몬은 첨단 농장과 실험실의 시험관 속에서 잘 이용되고 있다.

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식물체에서 생성된 호르몬은 물관이나 체관을 따라 필요한 곳으로 운반된다. 식물의 호르몬은 1880년대에 처음 발견하게 되었으나, 그 양(농도)이 지극히 적기 때문에 1970년대까지만 해도 그들의 생리적 기능에 대해 자세히 알지 못했다. 그러나 현대 농업과 삼림, 화훼(花卉)에서는 호르몬이 적절하게 이용되고 있다. 잘 알려진 호르몬 중에 대표적인 몇 가지 호르몬에 대해 소개한다.

 

 

대표적인 식물생장 호르몬 ‘옥신’(auxin)

 

 

새 눈(芽)의 형성, 잎과 줄기의 성장, 꽃의 형성, 결실, 뿌리의 발생 등 식물의 생장을 조절하는 가장 중요한 호르몬이 옥신이다. 옥신은 IAA(indol acetic acid)라 불리며, 이것은 사이토카이닌(cytokinine)이라는 다른 종류의 호르몬과 협력하여 작용하는 경우가 많다. 옥신은 1920년대에 하버드 대학의 식물생리학자 타이만(Kenneth Thimann 1904-1977)이 그 성분을 처음으로 순수하게 추출했다.

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뿌리 끝과 줄기 끝에는 생장점(生長點)이라 부르는 세포분열을 활발히 하는 조직이 있다. 이 생장점에서 금방 분열한 세포는 크기가 아주 작다. 그러나 시간이 지나면 커다란 세포로 확대된다. 옥신은 뿌리 끝이나 줄기 끝과 같은 생장점, 그리고 줄기가 굵어지도록 하는 조직(형성층形成層 cambium)에 특히 많이 모인다.

 

 

 

줄기가 언제나 위를 향해 자라도록 하는 것도 옥신의 역할이다. 삽목(揷木 꺾꽂이)을 했을 때 절단된 부위에서 새 뿌리가 나오도록 하는 것, 꽃에서 수정이 이루어지면 씨방이 자라 씨앗과 과일이 영글도록 하는 것은 모두 옥신의 작용이다. 현대 농업기술에서 가장 많이 잘 활용되는 물질이 바로 옥신이다. 농업이나 실험실에서 사용하는 대량의 옥신은 트립토판이라는 단백질에 효소를 작용시켜 인공적으로 대량 합성하고 있다.

 

 

 

옥신의 화학명은 indol-3-acetic acid(IAA)이다. 옥신은 농도가 너무 높으면 생장에 오히려 지장을 준다. 이런 사실을 1940년에 처음 알게 되자, 과학자들은 고농도의 옥신을 이용하면 잡초를 못 자라게 하는 제초제(除草劑)로 이용할 수 있을 것이라는 생각을 하게 되었다. 이 시기에 인공적으로 합성한 2.4-D 등의 화합물이 제초제 역할을 한다는 것을 알게 되었다. 옥신과 비슷한 화학구조를 가진 NAA, IBA와 같은 호르몬도 발견되었지만, 식물계에는 IAA(옥신)가 가장 많다. 꺾꽂이를 할 때 IAA, NAA, IBA 등이 포함된 용액을 적셔주면 새 뿌리가 훨씬 잘 나온다.

 

 

억제작용을 하는 ABA(abscisic acid) 호르몬

 

 

씨앗은 적절한 환경이 갖추어지기 전에는 몇 해가 지나도 싹트지 않는다. 이것은 ‘ABA’라고 하는 호르몬의 작용 때문이다. 만일 어떤 씨앗이 때 없이 아무 곳에서나 발아한다면 거의 죽어버리고 말 것이다. 생존에 적합한 환경조건을 만날 때까지 발아(發芽)를 억제하는 것이 ABA 호르몬이다.

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ABA는 잎의 엽록체에서 생성되어 씨앗에 저장된다. 씨앗이 발아하여 새싹이 돋아나왔을 때, 기온이 너무 낮거나, 뜨겁거나, 건조하거나, 소금기가 진하거나 하면, ABA는 새 눈이 더 이상 자라는 것(생리적 활성)을 억제하는 역할을 한다. 그래서 ABA는 ‘억제 호르몬’이라 부르기도 한다. 생존에 불리한 환경에서 살아남도록 하기 위해 생장을 억제하는 것은 중요한 기능이다. ABA는 씨앗 속에 고농도로 존재하며, 발아하고 나면 차츰 줄어들어 억제작용이 사라진다.

 

 

 

ABA의 분자구조이다. 햇빛이 강하거나 건조해지면, 잎의 숨구멍(기공氣孔)이 닫혀 내부의 수분이 탈출하는 것을 방지한다. 이때 기공의 개폐(開閉)를 조절하는 것도 ABA이다. 뿌리로부터 넉넉하게 물이 공급되면 ABA의 농도가 희석되므로 기공이 다시 열리게 된다.

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브라시노스테로이드(Brassinosteroid)

 

 

동물의 몸에는 여러 종류의 스테로이드 호르몬이 있으나, 식물에는 브라시노스테로이드 뿐이다. 1979년에 처음 알려진 이 호르몬은 뿌리가 지구 중심쪽으로 자라도록, 즉 굴지성(屈地性)을 갖게 하고, 생존에 불리한 환경에서 잘 견디도록 하는 작용도 한다.

 

 

 

 

사이토카이닌(cytokinin)이라는 호르몬은 세포분열과 식물 전체의 생장을 촉진하는 역할을 하며, 옥신 호르몬의 이동을 돕는다.

 

 

에틸렌(ethylene 에틸린)

 

 

다른 호르몬은 모두 액체이지만, 에틸렌(C2H4)은 기체 상태로 존재한다. 분자구조가 단순한 에틸렌은 씨앗이나 과일이 잘 성숙하도록 하는 역할을 한다. 물속에서 사는 식물(예:벼)에서는 줄기가 수면 밖으로 빨리 자라도록 하는 역할도 한다.

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지버렐린(gibberellin)

 

 

지버렐린은 식물체 내에서도 생성되지만, 어떤 곰팡이(Gibberella fujikuroi) 종류에서 많이 발견되는 호르몬이다. 이 호르몬은 1926년에 처음 알려졌고, 이후 이것의 특성을 알게 되면서 1960년대부터 유명한 식물 호르몬이 되었다. 오늘날에는 인공적으로 합성한 지버렐린을 이용하여 휴면(休眠) 중인 씨앗의 잠을 깨워 계절에 관계없이 과일, 야채, 꽃을 생산하도록 한다. 또 일부에서는 포도가 개화하기 전후에 지버렐린을 처리하는 방법으로 씨가 없는 굵은 포도를 생산토록 한다.

 

 

 

식물의 생장을 조절하는 중요한 호르몬들을 나타낸다.

 

 

식물의 호르몬은 계속 발견되고 있다. 그중 하나인 재스모네이트(jesmonate)는 재스민(jasmine)이라는 식물의 기름 속에서 처음 발견되었기 때문에 ‘제스미네이트’라 불린다. 이 호르몬은 씨앗의 발아, 종자 속의 단백질 저장, 뿌리의 생장 등에 관여하는 것으로 알려져 있다. 이 외에 샐리신산(salicylic acid), 스트리고락톤, 펩타이드 호르몬, 폴리아민 등이 새롭게 발견되어 연구가 이루어지고 있다. 식물 호르몬에 대한 연구는 미래의 농업기술 발전에 대단히 중요하다. - YS

 

 

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