September 26,2018

위기에 빠진 식물, 위험신호 보내

애기장대 잎에서 메커니즘 규명

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식물에게는 뇌가 없다. 그러나 식물 특유의 신경조직이 존재할 수 있다는 주장이 과학자들을 통해 제기되고 있다.

14일 ‘사이언스’ 지에 따르면 위스콘신-매디슨 대학의 식물학자들은 위기에 처한 식물이 서로 신호를 주고받는다는 사실을 밝혀냈다. 식물의 잎이 초식동물들로부터 먹히기 직전 다른 잎들에게 위험신호를 보낸다는 것.

이는 얼룩말이나 사슴 등의 초식동물들이 사자, 호랑이 등 육식동물들로부터 위협을 받았을 때 위험신호를 주고받는 것과 유사한 현상이다. 그동안 베일에 가려져 있던 식물 간 대화의 비밀이 오랜 과학자들의 노력 끝에 밝혀지고 있다.

곤충 애벌레 등으로 인해 위기에 처한 식물 잎들이 동물들처럼 서로 위험신호를 주고받으며 경계심을 촉발한다는 사실이 식물학자들의 연구를 통해 밝혀졌다.  ⓒMasatsugu Toyota et al.

곤충 애벌레 등으로 인해 위기에 처한 식물 잎들이 동물들처럼 서로 위험신호를 주고받으며 경계심을 촉발한다는 사실이 식물학자들의 연구를 통해 밝혀졌다. ⓒMasatsugu Toyota et al.

공격받으면 신경전달물질 다량 생성  

동물이 외부로부터 공격을 받으면 신경세포 내에서 글루타민산염(glutamate)이라 불리는 아미노산 물질이 생성된다. 이 물질은 동물 신경세포 내에서 가장 일반적인 신경전달물질인 칼슘이온을 생성토록 하는 촉진제 역할을 한다.

칼슘이온은 신경세포와 신경세포 사이에서 세레토닌, 도파민 등의 또 다른 신경전달물질을 전달하는 역할을 한다. 릴레이와 같은 이 전달 과정을 통해 서로 떨어져 있는 같은 종의 동물들 간 장거리 신호전달이 가능해진다.

위스콘신-매디슨 대학의 과학자들은 이러한 동물들의 움직임을 모델로 생존의 위협을 느낀 식물이 어떤 반응을 하는지 관찰을 시도했다.

연구팀은 정확한 측정을 위해 식물 내에서 칼슘이온이 얼마나 생성되는지 그 양을 측정할 수 있는 분자 센서(molecular sensor)를 개발했다. 이 센서는 측정된 칼슘이온 양에 따라 빛의 밝기가 변화하는 기능을 지니고 있었다.

연구팀은 이 센서를 애기장대(Arabidopsis)에서 떼어낸 잎 안에 주입했다. 그리고 잎 안에서 칼슘이온 양이 어떻게 변화하는지 측정했다.

그러자 센서에서 발산하는 빛이 강해졌다가 어두워지는 현상이 반복됐다. 흥미로운 사실은 떨어져 있는 다른 잎에서 또 다른 칼슘이온이 생성되기 전까지 이 깜빡거림이 이어졌다는 점이다.

위스콘신-매디슨 대학의 식물학자 사이먼 길로이(Simon Gilroy) 교수는 “식물과 식물 간 신호를 전달하는 과정이 동물과 매우 흡사하다”며 유사성을 강조했다.

관련 논문은 14일 과학저널 ‘사이언스’에 게재됐다. 마사추구 도요타(Masatsugu Toyota) 등 8명이 작성한 이 논문의 제목은 ‘Glutamate triggers long-distance, calcium-based plant defense signaling’이다.

“생명체 근원 추적할 수 있는 중요한 자료”

그동안 과학자들은 식물들이 위험신호를 서로 주고받는다는 사실을 알고 있었다. 그러나 어떤 과정을 통해 신호를 주고받는지 그 원인을 명확히 밝혀내지 못하고 있었다.

위스콘신-매디슨 대학 연구팀은 그러나 이번 연구를 통해 다른 동물들이 신경세포에서 글루타민산염을 생성하는 것처럼 세포 내에서 글루타민산염을 생성하고, 또 이 물질을 통해  칼슘파동(calcium wave)을 일으킨다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 논문을 통해 “곤충 등에게 먹잇감이 된 잎이 손상을 당한 후 다른 잎들에게 예상되는 공격에 대처하도록 경고신호를 보내고 있다는 사실을 확인했다”고 주장했다.

모든 신호전달 과정은 글루타민산염으로부터 시작된다. 외부 공격을 감지한 세포에서 글루타민산염을 생성하게 되면, 동물 뇌 안의 클루타민산염 수용체와 유사한 역할을 하고 있는 이온 채널(ion channels)에서 이를 감지한다.

이온채널에서는 글루타민산염의 양에 따라 칼슘이온(calcium ion) 생성의 변화를 주게 된다. 그리고 이 변화가 릴레이 경기를 하는 것처럼 다른 식물에 전달된다.

연구팀은 “글루타민산염으로 시작된 칼슘파동이 원형질연락사(plasmodesmata)라 불리는 세포간 채널(intercellular channels)을 통해 위험신호를 전달하면서 동종 식물 간의 안전을 도모하고 있다”고 밝혔다.

지구상의 생물계를 동물, 식물, 균류로 대별하는데 이중 세포벽이 있고 엽록소가 있어 광합성을 통해 영양을 공급하는 생물을 식물이라고 한다.

과학자들은 지구가 생성된 직후인 수십 억 년 전 생명의 공통 조상이라고 불리는 ‘루카(LUCA)’를 시조로 해 동물과 식물, 균류가 파생됐다고 보고 있다. 위스콘신-매디슨 대학의 연구 결과는 이런 주장을 뒷받침해주고 있다.

식물 역시 다른 동물과 마찬가지로 진핵생물이면서 또한 다세포 생물이다. 이번 연구 결과는 동물과 식물이 외형적으로 다른 모습을 보이고 있지만 세포 내에서는 유사한 움직임을 보이고 있다는 사실을 말해주고 있다.

연구팀은 앞으로 식물 세포 내에서 이런 신호전달 과정이 일어나게 된 근본 원인이 무엇인지 밝혀낼 계획이다.

길로이 교수는 “추가 연구를 통해 아직 밝혀지지 않은 식물에 관한 수수께끼를 이해할 수 있을 것”이라고 말했다.

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