무기염의 흡수

  식물은 CO2를 공기에서 흡수하고, 토양에서 수분과 무기양분을 흡수하여 독립적으로 살아가는 독립영양자이다. 이들은 낮은 농도의 CO2(0.04%)를 잎을 통해 흡수하며, 토양 속의 필수양분은 뿌리를 통해 물과 함께 흡수한다. 토양 속의 무기염은 희박하게 용해되어 있으며, 때로는 불필요한 무기염이 많이 존재할 수 있어, 식물은 효율적인 무기염 흡수를 위한 다양한 메커니즘을 가지고 있다.

  어린 뿌리에서 무기염이 흡수되는 과정은 네 단계로 나눌 수 있다: ① 무기염이 토양에서 모세관 현상을 통해 뿌리 표면으로 이동하고, ② 뿌리 세포(피층) 내에 축적하며, ③ 중앙의 목부조직을 향해 횡적으로 이동하고, ④ 뿌리 목부에서 줄기 목부를 따라서 위로 이동한다. 특히 뿌리에서 줄기로의 이동은 목부에서의 수액상승과 연결된 현상이다.

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1. 뿌리의 발달

  식물뿌리의 발달은 유전적인 특성에 의해 결정되지만, 환경적 영향도 크게 작용한다. 토양에 수분과 무기염 함량이 부족한 경우, 식물은 근계를 확장하여 흡수를 증가시킨다. 일반적으로 뿌리는 전체 건중량의 20% 내외를 차지하나, 수분 부족하면 이 비율은 높아진다. 뿌리는 표면적을 확장하여 흡수면적을 증가시키는 등 복잡하게 조직화되어 있다. 뿌리는 뿌리털을 생성하여 토양의 각 부분에 무기염을 효과적으로 찾아낸다.

 

2. 무기염의 흡수 메커니즘

  토양 중의 수분함량이 적절하고 무기염이 과다하지 않으면 토양용액의 수분퍼텐셜은 높아져 토양용액이 모세관을 따라 뿌리 표면까지 확산된다. 그러나 토양의 수분함량이 낮아지면 수분과 무기염의 확산속도는 1/1000로 줄어들기 때문에 토양용액은 뿌리로 이동할 수 없다.

(1) 자유공간의 개념

  무기염은 뿌리 표면에 도달한 후 뿌리 내의 자유공간을 이용하여 이동한다. 자유공간은 뿌리의 세포나 조직 중에서 무기염이나 기타 다른 용질이 확산과 집단유동에 의해 자유로이 들어올 수 있는 부분을 의미한다. 뿌리의 표피조직은 살아 있는 세포고 구성되어 있고 인접한 표피 세포끼리 맞닿아 있어 무기염이 자유로이 침투할 수 없는 듯 보이지만, 실제로 세포벽은 엉성하게 부착되어 있기 때문에 크기가 작은 물분자나 무기염이 자유로이 드나들 수 있다.

 

(2) 카스파리대의 역할

  흡수된 무기염이 내피에 도착하면 자유공간은 사라진다. 내피세포의 벽에는 수베린으로 만들어진 카스파리대가 둘러싸여 있어, 무기염의 자유로운 이동을 막아준다. 카스파리대는 수분을 통과시키지 않는 지질 성분으로 무기염의 이동을 차단한다. 따라서 카스파리대는 무기염이 뿌리 속에서 횡적으로 이동하는 것을 막아주며, 대신 원형질막을 통과하여 무기염이 선택적으로 흡수되도록 한다.

 

(3) 선택적 흡수와 능동 운반

  뿌리 속의 무기염 농도는 토양용액의 농도보다 수십배나 수백 배 높으며, 뿌리의 호흡이 억제되면 무기염 흡수가 중단된다. 이러한 상황에서 뿌리의 무기염 흡수는 삼투압에 의한 단순한 현상이 아니라고 짐작할 수 있다. 즉 자유공간을 이동한 무기염은 수동적 이동이고 가역적이며 에너지를 소모하지 않는다. 그러나 식물이 무기염을 능동적으로 흡수하는 과정은 선택적이고 비가역적이며, 에너지를 소모한다. 따라서 원형질막에는 이러한 선택적 흡수를 가능하게 하는 기작이 있으며, 이것을 설명하는 가장 유력한 학설은 운반체설이다.

운반체는 원형질막에 있는 단백질로, 능동운반을 할 수 있다. 능동운반은 원형질막의 운반체에 의하여, 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 농도 기울기에 역행하여 운반되며, 대사에너지를 소모하면서 선택적으로 이루어지는 무기염의 이동을 의미한다.

 

(4) 원형질막과 운반단백질(운반체)  

  원형질막은 살아있는 세포에 있는 얇은 막으로 세포벽 안쪽에 위치한다. 이 막은 극성이 적어 이온화된 무기염의 통과를 어렵게 만들지만, 운반단백질이 이온을 빠르게 운반할 수 있게 한다. 운반단백질은 무기염이 원형질막을 통과하여 세포 안으로 들어올 수 있도록 도와주는 단백질이다. 이러한 운반체는 에너지를 소모하여 무기염을 선택적으로 운반한다.

 

 

출처 : 수목생리학(서울대학교출판문화원)