저온 생육과 당

 

'광합성 당(탄수화물) 생성'

'Chelate(킬레이트)' '집게'를 의미하는 그리스어 'chele'에서 유래. 하나의 금속 이온이 두 개 이상의 결합 부위를 가진 유기 분자(리간드)와 결합하여 고리 모양의 구조를 형성한 화합물을 의미. 금속 이온은 물에 잘 녹지 않는 경우가 많지만, 킬레이트 형태로 존재하면 용해도가 증가하여 식물이나 미생물이 쉽게 흡수할 수 있게 된다. 토양 속의 철분은 킬레이트 형태로 존재해야 식물이 이용하기 쉽다. 금속 이온을 다른 물질과의 불필요한 반응으로부터 보호하고 안정화시키는 역할을 한다. 이는 금속 이온이 생체 내에서 특정 기능을 수행하는 데 중요하다. 독성을 감소시키거나 불활성화시킬 수 있다. 생체 내에서 산소 운반과 광합성에 중요한 역할을 한다. 유기물 등 자연적 킬레이트제 역할이 부족할 경우 엽면 살포가 필요하다.

 

 

식물 증상

저온에서 특히 인산과 칼륨과 같은 영양분 흡수가 더욱 어려워질 수 있다. 특정 영양분 결핍 증상 (예: 잎의 황변, 잎 가장자리 괴사 등)이 나타날 수 있다. 일부 식물은 점진적으로 저온에 노출될 경우 저온 순화 과정을 거쳐 내한성을 높일 수 있다. 이 과정에서 세포막의 구성 성분 변화, 세포 내 당 함량 증가, 동결 방지 물질 축적 등 다양한 생리적 변화가 일어난다.

 

저온과 당함량

주요 내용
저온 = 당 함량 증가: 저온에서 자란 식물은 일반적으로 당 함량이 증가합니다.
주요 이유: 어는점 강하, 세포 보호, 에너지 공급, 항산화 작용, 삼투압 조절 등
주요 당 종류: 설탕, 프룩탄, 트레할로스 등 (식물 종에 따라 다름)
중요성: 저온 스트레스 환경에서 식물 생존 및 적응에 필수적인 메커니즘

저온에서 식물 당 함량이 증가하는 주요 이유 및 메커니즘

어는점 강하 및 세포 보호
- 세포 내 용질 농도 증가: 저온은 식물 세포 내 수분을 얼게 하여 세포 손상을 유발할 수 있다. 당은 세포 내에 축적되어 용질 농도를 높이는 역할을 합니다. 용질 농도가 높아지면 어는점 강하 효과가 나타나 세포액이 어는 것을 방지하고, 세포막과 세포 구조를 보호한다. 마치 겨울철 도로에 염화칼슘을 뿌려 어는 것을 방지하는 것과 유사한 원리입니다.
- 세포막 안정화: 당은 세포막의 인지질과 수소 결합을 형성하여 세포막을 안정화시키는 역할을 한다. 저온에서 세포막은 유동성이 감소하고 손상되기 쉬운데, 당은 세포막의 유동성을 유지하고 저온으로 인한 손상을 줄여준다.

에너지원 및 탄소 골격 공급
- 광합성 감소 보상: 저온은 광합성 효소의 활성을 억제하고 광합성 속도를 감소시킨다. 따라서 식물은 에너지 생산에 어려움을 겪을 수 있다. 당은 광합성 산물로서 저장된 에너지원 역할을 하며, 저온에서 광합성 감소를 보상하고 식물 생존에 필요한 에너지를 공급한다.
저온 순화 과정 에너지: 일부 식물은 저온에 점진적으로 노출될 때 저온 순화 (cold acclimation) 과정을 거쳐 내한성을 획득한다. 이 과정에서 다양한 생리적 변화가 일어나는데, 당은 이러한 순화 과정에 필요한 에너지 및 탄소 골격을 제공하는 역할을 한다.

삼투압 조절 및 수분 유지
- 수분 흡수 촉진: 저온은 뿌리의 수분 흡수 능력을 저하시킬 수 있다. 세포 내 당 함량 증가는 세포의 삼투압을 높여 수분 흡수를 촉진하고, 저온으로 인한 수분 스트레스를 완화하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

항산화 작용
- 활성산소 제거: 저온 스트레스는 식물 세포 내에 활성산소 (ROS) 생성을 증가시킨다. 활성산소는 세포 손상을 유발할 수 있다. 일부 당 (예: 트레할로스) 은 항산화 작용을 하여 활성산소를 제거하고 세포를 보호하는 역할을 한다.

유전자 발현 조절
- 저온 반응 유전자 활성화: 저온은 식물 세포 내에서 특정 유전자 발현을 유도한다. 이러한 유전자 중에는 당 합성과 관련된 효소 유전자, 당 수송체 유전자 등이 포함되어 있다. 저온 조건에서 이러한 유전자들의 발현이 증가하면서 당 합성 및 축적이 촉진된다.

 

주요 당 종류 및 관련 특징
설탕 (Sucrose): 식물에서 가장 흔한 수송 및 저장 형태의 당으로, 저온에서 가장 많이 축적되는 당 중 하나입니다. 설탕은 어는점 강하, 세포막 안정화, 에너지원 공급 등 다양한 역할을 수행합니다.
프룩탄 (Fructan): 일부 식물 (특히 국화과, 벼과) 에서 저온 순화 과정에서 특이적으로 축적되는 저장 탄수화물입니다. 프룩탄은 설탕과 유사하게 어는점 강하 및 세포막 보호 효과를 나타낼 뿐만 아니라, 활성산소 제거, 단백질 및 막 안정화 등 다양한 보호 기능을 수행하는 것으로 알려져 있습니다.
트레할로스 (Trehalose): 대부분의 식물에서 소량으로 존재하지만, 일부 식물 및 미생물에서 저온, 건조 등 스트레스 환경에서 축적되는 당입니다. 트레할로스는 단백질 및 세포막 안정화, 항산화 작용 등 다양한 생리 활성을 가지며, 특히 건조 스트레스에 대한 내성을 높이는 데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다.

 

식물 종 및 품종에 따른 차이:

내한성 차이: 식물 종 및 품종에 따라 저온 반응과 당 축적 정도에 차이가 있을 수 있다. 내한성이 강한 식물일수록 저온에서 당 함량 증가폭이 더 크고, 효율적으로 당을 축적하는 경향을 보인다.
당 종류 차이: 식물 종에 따라 축적되는 주요 당 종류에 차이가 있을 수 있다. 예를 들어, 일부 식물은 설탕을 주로 축적하는 반면, 다른 식물은 프룩탄이나 트레할로스를 더 많이 축적할 수 있다.

결론적으로, 식물이 저온에서 자라면 당 함량은 증가하며, 이는 식물이 저온 스트레스 환경에서 생존하고 적응하기 위한 필수적인 생리적 반응이다. 당은 어는점 강하, 세포막 보호, 에너지원 공급, 항산화 작용 등 다양한 방식으로 식물을 저온으로부터 보호하는 중요한 역할을 수행한다.  이러한 당 함량 변화는 식물의 종류, 품종, 저온의 정도 및 기간, 생육 단계 등 다양한 요인에 따라 달라질 수 있다.

 

영양분 영향

과도한 질소 비료는 식물체를 지나치게 키우고 상대적으로 당 축적 비율을 낮출 수 있다.

철, 마그네슘, 망간 등 미량 요소는 엽록소 합성 및 광합성 효소 활성에 중요한 역할을 한다.
'광합성 당(탄수화물) 생성': 다량(N, P, K, Mg), 미량(Fe, Mn, Cu, Zn, Mo, B, Cl)

칼륨(K)은 식물체 내에서 당의 이동 및 축적에 중요한 역할을 한다. 칼륨은 광합성 산물인 당을 잎에서 과일, 뿌리, 줄기 등 저장 기관으로 효율적으로 운반하는 데 도움을 준다. 또한, 기공 조절, 효소 활성화, 삼투압 조절 등 다양한 생리적 과정에 관여하여 식물의 전반적인 건강과 당 축적에 기여한다.

인 (P) 은 에너지 대사 및 광합성 초기 단계에 관여한다. 적절한 인산 공급은 광합성 효율을 높이고, 에너지 흐름을 원활하게 하여 당 생산에 기여할 수 있다. 하지만, 과도한 인산은 특정 환경 조건에서 아연, 철 등 다른 미량 요소 흡수를 방해할 수 있다.