공무원 및 기사시험 대비 생물과학 핵심 요점 요약 정리 10. 식물의 환경적응과 생장조절

제10장 식물의 환경적응과 생장조절

 

｢학습개요｣

식물은 자연 상태에서 종자 발아 후 토양에 고착되어 생활한다. 동물과 같이 이동성이 없는 식물은 주위의 환경에 효과적으로 적응할 수 있어야 되기 때문에 효과적인 생장조절 수단이 있어야 한다. 식물호르몬에 의한 생장조절은 지구상의 식물들이 환경에 적응하는 공통적인 수단이고, 유전자발현과 환경사이에 상호작용을 조절함으로써 식물의 불리한 환경을 극복하게 해주며, 유리한 환경에서는 식물의 생리, 생화학적 적응능력을 높여준다. 본 강에서는 식물호르몬의 기능과 기본적인 생리적 역할을 살펴보고자 한다.

 

｢학습목표｣

1.식물의 생장기 동안 적응해야 할 환경변화에 대해 이해할 수 있다.

2.식물생장에 관여하는 식물호르몬의 종류와 그의 작용을 설명할 수 있다.

3.식물의 특정 환경자극에 대한 식물의 반응 및 원리에 대해 이해할 수 있다.

4.식물 생체리듬의 환경적응에 대한 중요성을 이해할 수 있다.

 

｢주요용어｣

‧확산(diffusion) : 서로 농도가 다른 물질이 혼합될 때 시간이 지나면서 점차 같은 농도가 되는 현상

‧식물생장조절물질(plant growth regulator) : 식물의 생장을 촉진하거나 억제는 일체의 화학물질. 옥신 등 식물호르몬을 포함한 식물생장을 조절하는 천연물질이나 합성물질이 이에 해당

‧로젯형(rosette) : 절간신장이 억제되어 키가작고, 잎이 겹으로 줄기 주위를 둘러싼 형태

‧추대(bolting) : 엽채류, 근채류 등 식물에서 꽃대가 올라오는 현상. 추대 원인은 적산온도와 일장변화 등의 환경자극에 의해서 유도

‧굴광성(phototropism) : 빛이 비치는 방향으로 줄기가 굽는 식물의 반응

‧광주기성(photoperiodism) : 식물이 밤낮의 길이에 의해 계절변화를 인식하는 능력

‧광형태형성(photomorphogenesis) : 빛에 의해 제어를 받은 식물체의 발육변화(developmental changes)

‧춘화현상(vernalization) : 식물이 생육의 일정 단계에서 특별한 자극(저온) 을 받아 화아분화가 촉진되는 현상

‧일주기리듬(circadian rhythm) : 생명체 내부에 있는 시간측정기(생체시계)에 의해 조절되며, 약 24 시간에 한 번씩 조절되는 생명체 속의 모든 주기성 리듬. 이 리듬은 생명이 유지되는 한 영속되며, 온도변화에 리듬 주기가 비교적 안정하며, 광주기 등 환경변화에 맞게 자신의 리듬을 변화시킬 수 있음

 

｢정리하기｣

1.환경은 서식지에서 개체의 생활에 영향을 미치는 빛, 온도, 수분, 양분, 그리고 병해충 등 모든 요인을 포함하고, 종자 발아 후 특정 지역에서 독립영양체로 살아가는 식물의 경우에는 식물 호르몬에 의한 생장조절 기작 등으로 그 환경에서 효율적으로 적응한다.

2.식물호르몬은 옥신, 지베렐린, 시토키닌, 에틸렌, 아브시스산 등이 있고, 식물에서는 동물과 달리 이러한 호르몬을 분비하는 특정 조직은 발달하지 않았다.

3.옥신과 지베렐린은 주로 신장생장을 유도한다. 옥신은 농도가 높으면 억제효과가 존재하나, 지베렐린에서는 억제현상이 일어나지 않는다.

4.시토키닌은 세포분열을 촉진하며, 옥신과 함께 식물의 형태형성을 조절한다.

5.에틸렌은 식물이 스트레스를 받을 때 생성이 촉진되며, 아브시스산과 함께 식물스트레스 호르몬으로 구분된다.

6.피토크롬과 크립토크롬은 단백질성 색소로서 빛을 통해 생리현상을 조절하는 역할을 수행한다.

7.저온처리는 종자나 어린식물을 저온에 일정 기간 둠으로써 발아나 개화가 유도하며, 특히 개화를 위한 저온처리를 춘화처리라 한다.

8.일주기 리듬을 조절하는 생체시계는 지구에 살고 있는 모든 생명체에 공통적으로 존재하는 기작이며, 식물생체시계도 중요한 생리현상을 일주기 적으로 조절하는 기능을 수행한다.

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1. 환경과 식물

가. 환경

- 생명체가 서식하는 지역에서 그 생명체의 생명활동에 영향을 미치는 모든 요인

① 빛 ② 온도 ③ 수분 ④ 양분 ⑤ 병해충

나. 식물호르몬

– 식물호르몬은 식물의 환경과 유전자 사이의 상호작용을 조절한다.

옥신 auxin	○합성장소:끝눈의 분열조직, 발생과정에 있는 종자와잎 ○기능:줄기신장,엽면생장,열매‧뿌리의 생장및분화,정부우세성,착과 촉진, ○옥신(IAA)→IAA-R복합체→ATPase 작동→수소이온펌핑→세포벽공간 산성화→세포벽연화효소 활성화→세포벽 가소성 증대→물의 유입→세포확대
지배렐린 gibberellin	○합성:줄기 수정된 씨방, 종자의 배,뿌리, 어린잎 ○기능:줄기신장생장 촉진,개화 촉진,휴면타파,종자의 발아촉진,정부우세성,착과과실비대 촉진
시토키닌 cytokinine	○ 뿌리에서 물관을 통해 줄기와 잎으로 수송 ○ 기능:세포분열촉진호르몬,기관형성유도,정부우세성, • 조직배양에서 옥신과 함께 신초와 부정근 유기에 이용된다. • 옥신과 시토키닌의 적절한 농도로 첨가되어야 기관 분화가 정상적으로 일어난다.,시토키닌은 노화 억제 효과가 있음
에틸렌 ethylene	○기능:성숙촉진,착색촉진,노화촉진,이층형성(탈리촉진)
아브시스산 abscisic acid	○ 기능:눈이나 종자에 유전자 발현억제 (휴면유도),기공개폐에 관여 ✓ 수분이 부족하거나 기온이 떨어지면 합성이촉진되어 기공이 닫히고 체내 수분을 보존할수있다. 스트레스 호르몬 : 에틸렌, 아브시스산

2. 식물호르몬의 생장조절

가. 옥신(auxin)

1) 기능 및 특징

① 줄기끝·어린잎·수정이 끝난 꽃의 씨방 등에서 합성되어 줄기의 신장생장, 잎의 엽면생장, 열매(과일)의 부피생장, 뿌리의 부정근 발생 등을 일으킨다.

② 옥신의 생장촉진은 농도에 비례하지만 일정농도 이상에서는 오히려 생장이 저해된다.

③ 줄기 끝의 분열조직에서 합성된 옥신은 줄기의 아래쪽 또는 뿌리끝으로 이동하면서 주변으로 확산되어 어린줄기의 신장생장을 일으킨다.

④ 뿌리는 줄기의 신장생장을 촉진하는 농도에서는 오히려 억제되고 그보다 낮은 농도에서는 생장이 촉진되므로 뿌리생장까지 조절하게 된다.

2) 신장생장

① 옥신이 신장생장을 촉진할 때 세포질 내에 있는 양성자(H+)를 세포벽 쪽으로 펌프하도록 세포막의 양성자펌프(단백질)를 자극하며, 세포벽의 높은 산도는 셀룰로오스 사이의 결합을 느슨하게 만든다.

② 팽압이 약화된 세포벽은 확장되고 그 결과로 세포 안쪽에 삼투압이 세포 바깥쪽보다 높아지게 되기 때문에 물이 세포의 액포 안으로 들어와 세포가 신장을 하게 된다.

③ 옥신은 줄기에서 끝눈의 생장을 촉진하고 곁눈의 생장을 억제함으로써 정단우성(apical dominance)을 일으켜 식물의 특징 있는 수형을 만든다.

나. 지베렐린(gibberelin, GA)

1) 줄기의 신장생장 촉진

① 줄기, 수정된 씨방, 종자의 배, 뿌리, 어린잎 등에서 합성되며, 줄기의 신장생장을 특징적으로 촉진한다.

② 지베렐린은 새로 합성되는 세포벽 물질의 배열을 조정하여 신장생장이 쉽게 일어날 수 있게 해 준다.

2) 종자의 발아촉진

① 종자의 발아에 중요한 작용을 한다.

② 건조한 보리종자가 수분을 흡수하면 배의 생장이 시작되고, 배반에서 지베렐린이 합성된다.

③ 배반에서 합성된 지베렐린은 종자 전체로 확산되고 호분층 세포의 유전자를 자극하여 α-아밀라아제와 같은 가수분해효소를 합성한다.

④ 합성된 가수분해효소는 배유로 이동하여 저장양분(녹말)을 분해하고, 생성된 포도당을 어린줄기와 어린뿌리에 공급하여 발아를 촉진하게 된다.

다. 시토키닌(cytokinin)

1) 기능 및 특징

① 세포분열 촉진호르몬

② 식물의 뿌리끝에서 합성되어 물관을 통해 줄기와 잎으로 수송된다.

③ 배양 중인 식물세포의 시토키닌과 옥신을 함께 처리하면 세포분열이 일어나 캘러스(매분화 세포덩어리)가 형성되며, 캘러스를 유도한 후 시토키닌의 농도를 높여 주면 줄기의 분화가 일어난다.

④ 시토키닌은 노화를 억제하고 단백질 합성과도 관련이 있다.

라. 에틸렌(ethylene)

1) 기능 및 특징

① 성숙호르몬으로 줄기의 정단분열조직, 성숙한 과일, 노화과정에 있는 잎, 줄기의 마디에서 합성된다.

② 어린식물의 생장에 관여하고, 잎과 과일의 탈리에 작용하며, 과일의 후숙(ripening)을 빠르게 한다.

③ 콩과식물은 종자가 발아하면 어린줄기의 끝부분이 U자 모양으로 구부러져 갈고리(hook) 형태를 만드는데, 이것은 흙에 의한 압력으로 생성된 에틸렌이 하배축 아래쪽의 생장을 억제하여 구부러지게 생장을 유도하는 현상이다.

④ 잎이나 과일이 줄기에 붙어 있는 부위의 세포에서 에틸렌에 의해 노화가 촉진되면서 세포벽을 분해하는 효소를 분비하여 낙엽·낙과를 가져온다.

⑤ 식물이 상처를 입거나 병원체가 침입했을 때, 산소가 부족하거나 냉해 등을 입으면 에틸렌을 생성하고 상처난 부위를 노화시켜 상처부위가 다른 부분으로 퍼지지 않도록 식물체를 보호하는 효과를 가져온다.

마. 아브시스산(abscisic acid)

1) 기능 및 특징

① 잎·줄기·어린과실 등에서 합성되며, 눈이나 종자의 휴면을 유도하여 환경이 식물생장에 불리할 때 개체를 보호하는 중요한 기능을 한다.

② 식물의 겨울눈은 여름에 생성되지만 다음해 봄이 오기까지 휴면상태를 유지하고, 어떤 종자는 수분을 흡수해도 일정 기간이 지날 때까지 발아하지 않도록 생장을 저해한다.

③ 종자나 눈에서 아브시스산은 유전자의 발현을 저해하여 생장에 필요한 단백질합성을 차단하는데, 일정 기간이 경과하면서 분해되거나 물에 씻겨져 그 양이 줄어들면 생장이 가능해진다.

④ 잎의 기공은 밤이 되면 닫히는데, 낮에도 수분이 부족하면 아브시스산이 많아져서 기공이 닫히고 식물은 체내 수분을 보존할 수 있다.

⑤ 수분이 부족되거나 기온이 떨어지면 아브시스산의 합성이 촉진되어 식물을 보호한다.

 

3. 환경자극에 대한 식물의 반응

가. 빛에 대한 식물의 반응

1) 굴광성

① 식물이 태양 빛을 최대로 받기 위해 빛의 방향을 인식하고 줄기의 생장방향을 조절하는 현상을 말한다.

② 굴광성은 빛을 받는 쪽 세포들보다 그늘진 부위의 세포들이 더 많이 신장하는 것이며, 이는 옥신이 빛의 반대쪽에 있는 세포의 신장을 촉진하기 때문이다.

2) 광주기성

① 밤낮의 길이에 의해 계절변화를 인식하는 식물의 능력을 말한다.

② 동일지역에 서식하는 같은 종의 식물이 같은 시기에 개화하여 원만한 종자결실이 이루어지도록 한다.

③ 빛을 받는 낮의 길이보다 밤의 길이가 더 중요하다.

 

단일(short-day)식물	낮의 길이가 짧아야 개화	국화,딸기,콩,담배
장일(long-day)식물	낮의 길이가 길어야 개화	귀리,시금치,옥수수

3) 종자발아

① 종자의 발아는 빛의 상태를 감지하는 피토크롬에 의해 조절된다.

② 종자의 발아를 촉진하는 빛은 적색광(660nm)이며, 근적외선(730nm)은 발아를 억제한다.

4) 광형태형성

① 빛이 있을 때 식물이 정상적인 형태를 갖게 되는 것을 말한다.

② 빛은 줄기의 신장생장을 억제하고 잎의 생장과 엽록체 형성을 촉진하여 식물이 정상형태를 만들게 한다.

5) 피토크롬과 크립토크롬

① 피토크롬과 크립토크롬은 단백질성 색소이며, 서로 다른 파장의 빛을 흡수하여 식물의 반응을 일으킨다.

② 피토크롬의 Pr형은 660nm인 적색광을 흡수하고, Pfr형은 730nm의 근적외선을 흡수한다.

③ 크립토크롬은 청색광(400∼500nm)과 자외선(320nm∼400nm)을 흡수하고 식물의 신장생장을 억제하며 굴광성에 관여하는 것으로 추정된다.

 

나. 온도변화에 대한 식물의 반응

1) 식물은 온도가 높아지면 체내의 수분손실을 방지하는 수단을 마련한다.

2) ‌기온이 지나치게 낮아지면 생존이 문제되기 때문에 기온변화를 예민하게 감지한다.

3) 온도는 식물의 종자발아에 영향을 미친다.

① 종자발아 : 소나무·가문비나무·호두나무 등의 종자는 반드시 일정 기간의 저온에 노출되어야 발아한다.

② 춘화처리 : 겨울밀을 봄에 파종하면 아예 개화하지 않거나 개화시기가 지연되어 수확량이 감소한다. 이는 저온을 경과하지 않아 개화가 촉진되지 않았기 때문이다. 겨울밀이나 2년생 식물의 종자를 일정 기간 저온조건에 두었다가 파종하면 정상적인 개화를 하며, 이러한 저온처리를 춘화처리(vernalization)라고 한다.

 

다. 수분 및 기타에 대한 식물의 반응

1) ‌굴지성 : 식물이 중력을 감지하여 뿌리가 토양이 있는 아래쪽을 향해 자라고 줄기는 빛이 있는 위쪽 방향으로 자라는 것을 말한다.

2) ‌굴촉성 : 접촉에 대한 식물의 생장반응을 말하며, 덩굴손이 자유롭게 자라다가 접촉할 기회가 생기면 접촉한 면과 세포들 간에 차등생장이 일어나 접촉한 물체를 감고 기어오르는 현상을 말한다.

 

4. 식물의 생체리듬

1) 일주기리듬(circadian rhythm)

① 같은 반응이 매일 일어나는 것으로 식물의 여러 가지 생명활동이 동시에 일어나도록 해 준다.

② 일주기리듬은 생체시계(biological clock)가 알려 주고, 이것은 시계단백질유전자(clock protein)와 체내외의 환경요인에 의해 작동하며, 온도의 영향을 받지 않는다.

 

2) 향일성(heliotropism)

① 해바라기가 태양 쪽으로 고개를 돌리는 것을 말하며, 이는 태양이 낮과 밤을 정하고 그것을 생체시계가 알려 주는 일주기리듬에 의한 것이다.

② 향일성은 식물이 태양에 노출되는 것을 극대화하는 것이다.

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학습문제

 

1. 식물은 생장의 조절을 통해 환경변화에 적응하며, 식물호르몬이 생장조절을 일으킨다. 식물호르몬 중에 은 어린잎·과일·뿌리·종자의 세포분열을 촉진한다.

① 옥신 ② 에틸렌 ③ 크립토크롬 ④ 시토키닌

 

2. 에틸렌과 아브시스산은 식물보호 기능을 가진 스트레스 호르몬인데, 은 에틸렌의 작용이 아니다.

① 낙엽 촉진 ② 굴광성 ③ 과일후숙 ④ 잎의 상편생장

 

3. 식물은 광주기성에 따라 장일식물·중일식물·단일식물로 구분된다. 단일식물은 이다.

① 밤의 길이가 영양생장기보다 길어질 때 개화하는 식물

② 밤의 길이가 영양생장기보다 짧아지면 개화하는 식물

③ 하지 이후에 꽃잎이 펴지는 식물

④ 춘분 이후에 꽃잎이 펴지는 식물

 

4. 식물의 특징적인 수형은 정단우성에 의해 만들어지는데, 정단우성의 원인은 .

① 곁눈(측아)의 생장이 다량의 시토키닌에 의해 생장이 억제되기 때문이다

② 끝눈(정아)에서 아브시스산이 곁눈으로 전달되어 생장을 억제하기 때문이다

③ 곁눈의 생장이 다량의 옥신에 의해 억제되기 때문이다

④ 곁눈은 옥신의 영향을 받지 않기 때문이다

 

5. 식물은 중력에 반응하는 굴지성을 가지고 있어서 뿌리가 아래로 자란다. 뿌리에서 굴지성에 관여하는 호르몬은 이다.

① 지베렐린 ② 시토키닌 ③ 옥신 ④ 아브시스산

 

6. 성숙한 사과가 먹기 좋은 상태로 되는 후숙에 관여하는 호르몬은?

① 에틸렌 ② 아브시스산 ③ 옥신 ④ 지베렐린

 

7. 옥신의 효과는?

① 세포의 신장을 촉진한다 ② 세포의 노화를 억제한다.

③ 세포의 비대신장을 유발한다. ④ 종자생장을 억제한다.

 

8. 식물의 낙엽을 촉진하는 호르몬은?

① 옥신 ② 시토키닌 ③ 지베렐린 ④ 에틸렌

 

9. 브라시노스테로이드(brasinosteroid)의 기능은?

① 식물의 신장생장을 촉진한다. ② 식물의 정단우성을 촉진한다.

③ 동물의 신장생장을 촉진한다. ④ 동물의 면역증진을 촉진한다.

 

10. 밤의 길이가 짧아져야 꽃이 피는 식물은?

① 시금치 ② 옥수수 ③ 국화 ④ ①과 ②가 맞다.

 

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정답 및 해설

 

1④ 옥신은 지베렐린과 함께 신장생장을 유도한다. 에틸렌은 어린식물의 생장에 관여하고, 잎과 과일의 탈리에 작용하며, 과일의 후숙을 빠르게 한다. 시토키닌은 세포분열을 촉진하며, 옥신과 함께 식물의 형태형성을 조절한다. 크립토크롬은 빛을 감지하는 단백질성 색소로 신장생장을 억제하고 굴광성과 광주기성에 관여한다.(교과서 240, 243~244, 251쪽)

2② 굴광성은 옥신의 작용에 의해 일어난다.(교과서 246~248쪽)

3① 단일식물(국화, 딸기, 담배 등)은 영양생장기보다 낮의 길이가 짧아져야(밤의 길이가 길어져야) 개화한다. 장일식물(귀리, 시금치, 옥수수 등)은 영양생장기보다 낮의 길이가 길어질 때(밤의 길이가 짧아질 때) 개화한다. 중일식물(오이, 토마토, 해바라기 등)은 빛을 받는 시간의 길이와 무관하게 개화한다. 식물의 잎세포에 들어 있는 피토크롬 색소가 밤낮의 길이를 감지한다.(교과서 248~249쪽)

4③ 정단우성은 끝눈(정아)과 곁눈(측아)이 있는 줄기에서 끝눈은 잘 자라고 곁눈은 생장이 억제되는 현상을 말하며, 그 원인은 옥신이 끝눈의 생장을 촉진하고 곁눈의 생장을 억제하기 때문이다.(교과서 241쪽)

5③ 식물의 뿌리는 아래쪽에서 고농도의 옥신이 세포생장을 저해하고 위쪽에서 저농도의 옥신이 생장을 촉진함으로써 굴지성을 갖게 되는데, 뿌리골무세포에 있는 녹말립의 위치 변화에 의해 옥신의 상하분포가 달라진다.(교과서 253쪽)

6① 후숙은 식물호르몬인 에틸렌의 작용에 의하여 과일이 연하고 향기를 갖게 되는 과정이다.(교과서 244쪽)

7① 옥신은 세포질의 양성자(H＋)를 세포벽으로 이동시켜 세포벽의 구조를 느슨하게 함으로써(가소성의 증대) 물이 액포 안으로 들어와 세포신장이 이루어진다.(교과서 240~241쪽)

8④ 잎이나 과일의 줄기에 있는 이층세포는 에틸렌에 의해 노화가 촉진되면서 세포벽을 분해하는 효소를 분비하며, 그 결과 이층세포의 세포벽이 약해져서 낙엽·낙과가 일어난다.(교과서 244~245쪽)

9① 브라시노스테로이드는 식물의 모든 부위에 존재하는 식물호르몬으로 옥신이나 지베렐린과 유사한 신장생장 촉진효과를 갖고 있다.(교과서 246쪽)

10④ 장일식물(귀리, 시금치, 옥수수 등)은 영양생장기보다 낮의 길이가 길어질 때(밤의 길이가 짧아질 때) 개화한다.

단일식물	딸기, 옥수수, 호박, 들깨, 코스모스, 추국
장일식물	상추, 시금치, 쑥갓, 무, 갓, 카네이션