[기본서] 햇빛과 광합성
햇빛과 광합성
1. 태양광선의 생리적 효과
햇빛이란? 태양광선 중에서 인간의 눈에 보이는 가시광선(visible light, VL) 부분을 일컫는다. (340~760nm)
- 식물도 광합성을 효율적으로 수행할 수 있는 파장에 해당하여 '유효복사'라고도 불림.
- 파장이 짧은 자외선은 오존층에서 대부분 흡수됨.
- 파장이 긴 적외선은 이산화탄소와 수분에 흡수됨.
- 가시광선 영역 중에서 660~730nm의 적색광선은 식물의 형태와 생리에 독특한 역할을 담당함.
1) 고에너지 광효과
1000lx 이상에서 나타나 광합성을 가능하게 한다.
2) 저에너지 광효과
100lx 이하에서도 생리적 효과를 나타낸다.(광주기나 굴광성)
햇빛의 생리적 효과 - 세 가지 성질
1) 광질(light quality)
- 햇빛이 임관을 통과하여 임상에 도달할 때 파장의 구성성분, 즉 광질은 변화한다.
- 단풍나무 활엽수림 밑의 임상에는 파장이 긴 적색광이 주종을 이루며, 소나무 침엽수림 밑의 임상에는 가시광선 스펙트럼이 골고루 분포한다.
2) 광도(light intensity)
- 광합성 속도에 영향을 끼치기 때문에 식물로 하여금 광도에 따라서 적응하도록 유도한다.
- 양엽과 음엽의 형태가 다르게 분화한다.
- 양수와 음수로 진화하는 것이 그 예이다.
- 광도의 감소는 뿌리 생장량의 감소를 가져온다.
3) 일장(day length)
- 광주기로 불린다.
- 낮과 밤의 상대적인 길이의 변화는 식물의 개화에 중요한 영향을 끼친다.
- 무궁화를 제외하면 개화시기를 일장으로 바꿀 수 없다.
- 눈의 생장 개시 및 휴면에 중요한 영향을 끼친다.
2. 광주기
낮과 밤의 상대적인 길이를 의미하는데, 온대지방에서는 낮의 길이가 바뀌는 것을 통하여 계절의 변화를 감지한다.
1) 개화
광주기는 수목의 개화에 영향을 끼친다. (개화생리 파트에서 다시 정리)
2) 줄기생장
(온대지방) 단일조건 : 줄기의 생장을 정지시키고 동아의 형성을 촉진.
(온대지방) 장일조건 : 휴면을 지연시키거나 억제
- 광주기는 줄기생장의 양상과 눈의 휴면진입 시기를 결정
- 추운 겨울을 알려주는 가장 확실한 지표가 된다.
- 고정생장 수목은 낮 시간이 긴 여름 일찍 줄기생장이 중단되는데 이는 일장이 짧아지는 것에 의해 결정되는 것이 아님
- 자유생장 수목은 단일조건에 의해 생장이 정지됨
- 유한생장 수목은 단일조건에 두면 휴면상태에서 정아를 형성함
- 무한생장 수목은 단일조건에서 줄기의 끝이 죽어버리면서 생장을 정지함
3) 휴면타파
광주기가 수목 눈의 휴면을 제거하는 효과는 수종에 따라, 그리고 휴면의 정도에 따라 다름.
- 구주소나무와 참나무류 : 여름 일찍 동아를 형성하는 고정생장을 하는데, 여름에 형성된 눈의 휴면은 장일처리나 연속광으로 없앨 수 있다.
- 위의 수종의 동아가 한겨울 휴면상태에 있을 때에는 장일처리로 휴면이 타파되지 않으며, 저온처리만이 효과가 있음
4) 낙엽
- 어떤 수종의 낙엽은 광주기에 의해 결정되고, 어떤 수종은 온도에 더 예민하게 반응함.
- 백합나무 : 장일조건에서 잎이 붙어 있고, 단일조건에서 낙엽이 진다.
- 아까시나무와 자작나무 : 단일조건에서도 온도가 내려가지 않으면 잎이 붙어 있음.
5) 직경생장
수목의 직경생장은 광주기의 영향을 받는다.
- 고정생장을 하는 수목의 경우 줄기생장은 여름에 일찍 정지하지만 직경생장은 더 늦게까지 계속되는 경향이 있음
- 구주소나무의 경우, 가을에 장일처리함으로써 직경생장을 가을까지 연장시킬 수 있음.
6) 지역품종
고위도에 자라는 지역품종을 남쪽의 저위도 지방으로 옮겨심으면, 여름에는 낮의 길이가 저위도 지방이 고위도 지방보다 짧기 때문에 일찍 생장을 정지하여 생장이 불량해진다. 반대로 남쪽 산지를 북쪽에 심으면, 일장이 길어서 가을 늦게까지 자라다가 첫서리 피해를 입을 수 있다.
3. 굴광성
식물이 햇빛이 있는 방향을 향하여 자라는 현상을 의미함.
- 햇빛을 한쪽에서 쬐어주면 옥신이 햇빛의 반대 방향으로 이동하여 세포의 신장을 촉진하여 구부러진다는 것을 구명했다.
- 굴광성을 가장 효율적으로 나타내는 햇빛의 파장: 청색과 보라색을 띠는 450nm 부근과 자외선 중 370nm 부근이다.
- 굴광성에 관련된 색소를 포토트로핀이라 부르는데, 플라보프로테인의 일종이다.
4. 굴지성
중력이 작용하는 방향으로 식물이 자라는 것을 의미함.
- 나무의 수간과 꽃은 굴지성의 정반대, 반굴지성을 나타냄
- 가지와 엽병은 비교적 수평 방향으로 자라서 햇빛을 많이 받을 수 있도록 배열한다.
- 수평으로 자라던 뿌리가 밑으로 구부러 지는 것은 옥신이 뿌리 아래쪽으로 이동하여 세포의 신장을 억제함으로써 위쪽 세포가 더 빨리 신장하기 때문이다.
5. 광수용체
'광형태성' ? 햇빛에 의해서 식물의 생장이 조절되는 현상.
'광수용체' ? 식물체 내에서 햇빛을 감지하는 역할을 담당하는 화합물, 세포 혹은 기관 (광수용체 화합물 중에는 피토크롬, 포토트로핀, 크립토크롬 세 종류의 단백질이 있는데 이들을 색소단백질이라고 부른다.)
- 색소단백질은 발색단(햇빛을 흡수하는 부분)과 아포단백질(나머지 촉매 역할을 하는 단백질)로 구성됨.
1) 피토크롬
- 종자 발아에서부터 개화까지 식물생장 전 과정에 관여함
- 적색광과 원적생광에 반응을 보임.(분자량이 각각 120,000 Da 정도 되는 2개의 동일한 폴리펩티드로 구성되어 있으며, 피롤이 4개 모여서 이루어진 발색단을 가지고 있다.)
- 피토크롬은 암흑 속에서 기른 식물체 내에 가장 많은 양이 있음
- 피토크롬은 대부분 기관에 존재하는데, 특히 뿌리, 눈과 같은 생장점에 가장 많이 존재함.
- (세포 내) 세포질과 핵 속에 존재하며, 세포소기관이나 원형질막, 액포 내에는 존재하지 않음
- 비교적 낮은 광도에서도 예민하게 반응함.
- 적색광을 비추면 : Pr 형태에서 Pfr 형태로 바뀜
- 원적색광을 비추면 : Pfr 형태에서 Pr형태로 바뀜
- 광색소는 한 가지 형태로만 존재하는 것이 아니며, 적생광을 비추면 전체 광색소의 80%가 Pfr로 존재하고, 원적색광을 비추면 99%가 Pr형태로 존재함.
2) 포토트로핀
- 식물의 굴광성과 굴지성은 청색광에 의해서 유도됨
- 식물의 청색광(400~450nm)에 반응을 보이는 광수용체를 포토트로핀이라고 부름.
- 포토트로핀은 청색광(400~450nm)과 자외선 A(320~400nm)를 흡수하는 플라보프로테인의 일종이다.
- 햇빛을 감지하여 줄기의 굴광성과 뿌리의 굴지성을 조절하는 주요 광수용체이다.
- (기능) 잎의 확장과 어린 식물의 생장을 조절하며 크립토크롬이 작동하기 전에 먼저 줄기생장을 유도
- (기능) 햇빛을 받으면 기공을 열기 위한 일련의 화학반응 및 햇빛을 감지하여 유도하는 역할을 한다.
- (기능) 햇빛이 강하게 비출 때 엽록체가 방향을 전화하는 데도 관여함
3) 크립토크롬
- 청색광과 자외선을 흡수하여 굴광성에 관여하는 광수용체.
- 식물과 동물에 모두 존재하며, 플라보프로테인의 일종인 것은 포토프로핀과 흡사함
- 피토크롬과 포토트로핀이 인산화효소의 일정인 데 반하여, 크립토크롬은 인산화효소가 아니다.
- (기능) 자귀나무와 같이 24시간 주기로 야간에 잎이 접히는 일주기 현상 혹은 생체리듬 조절.
- (기능) 종자와 유묘의 생장을 조절
참고서적 : 수목생리학 (이경준 지음)
