기온이 상승함에 따라 연구자들은 식물이 온난화에 반응하는 메커니즘을 파악했습니다.

기공이라고 불리는 잎 표면의 미세한 구멍은 식물이 증발로 잃는 물의 양을 조절하여 "호흡"하는 데 도움이 됩니다. 이 기공 구멍은 또한 광합성과 성장을 위한 이산화탄소 섭취를 가능하게 하고 조절합니다.

과학자들은 19 세기 로 거슬러 올라가 식물이 기공을 늘려 수증기를 기공을 통해 보내 식혀 증산작용을 하거나 "땀"을 흘린다는 것을 알고 있었습니다. 오늘날 지구 온도와 폭염이 상승함에 따라 기공을 넓히는 것은 식물의 열 손상을 최소화할 수 있는 핵심 메커니즘으로 간주됩니다.

하지만 100년 이상 동안 식물 생물학자들은 온도 상승에 따른 기공 '호흡'과 증산 과정의 증가에 대한 유전적, 분자적 메커니즘을 완전히 설명하지 못했습니다.

캘리포니아 대학교 샌디에이고 생물 과학부 박사과정 학생인 Nattiwong Pankasem과 Julian Schroeder 교수는 이러한 메커니즘에 대한 자세한 그림을 구축했습니다. 저널 New Phytologist 에 게재된 그들의 연구 결과는 식물이 상승하는 기온을 처리하는 데 사용하는 두 가지 경로를 식별합니다.

"지구 온도가 상승함에 따라 열파의 영향으로 농업에 위협이 되는 것은 분명합니다."라고 슈뢰더는 말했습니다. "이 연구는 온도 상승이 한 유전적 경로(메커니즘)에 의해 기공 개방을 유발하지만, 열이 더 심해지면 기공 개방을 증가시키는 또 다른 메커니즘이 작동한다는 사실을 설명합니다."

수십 년 동안 과학자들은 복잡한 측정 과정이 필요하기 때문에 상승하는 온도에 의한 기공 개구의 기저에 있는 메커니즘을 해독할 명확한 방법을 찾기 위해 고군분투했습니다. 어려움은 온도가 상승하는 동안 공기 습도(증기압 차이 또는 VPD라고도 함)를 일정한 값으로 설정하는 데 관련된 복잡한 역학과 온도 및 습도 반응을 분석하는 까다로움에 기인합니다.

Pankasem은 증가하는 온도에서 잎의 VPD를 고정된 값으로 고정하는 새로운 접근법을 개발하여 이 문제를 해결하는 데 도움을 주었습니다. 그런 다음 그는 청색광 센서, 가뭄 호르몬, 이산화탄소 센서 및 온도에 민감한 단백질과 같은 요소를 포함하여 다양한 기공 온도 반응의 유전적 메커니즘을 밝혀냈습니다.

이 연구에서 중요한 것은 VPD(VPD를 고정된 값으로 고정)를 개선하여 제어할 수 있는 차세대 가스 교환 분석기입니다. 연구자들은 이제 살아있는 식물 전체에서 잎을 제거하지 않고도 기공 개방에 대한 온도 효과를 밝히는 실험을 수행할 수 있습니다.

결과는 기공 온난화 반응이 식물 계통 전반에서 발견되는 메커니즘에 의해 결정된다는 것을 보여주었습니다. 이 연구에서 Pankasem은 잘 연구된 잡초 종인 Arabidopsis thaliana 와 밀, 옥수수, 쌀과 같은 주요 곡물 작물과 관련된 꽃식물인 Brachypodium distachyon 의 두 식물 종의 유전적 메커니즘을 조사했으며, 이는 이러한 작물에 대한 적절한 모델을 나타냅니다.

연구자들은 이산화탄소 센서가 기공 온난화-냉각 반응에서 핵심적인 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 이산화탄소 센서는 잎이 빠르게 따뜻해지는 것을 감지합니다. 이것은 따뜻해진 잎에서 광합성을 증가시키고, 그 결과 이산화탄소가 감소합니다. 그러면 기공 모공이 열리기 시작하여 식물이 이산화탄소 섭취 증가의 혜택을 볼 수 있습니다.

흥미롭게도, 이 연구에서는 두 번째 열 반응 경로도 발견했습니다. 극심한 열에 식물의 광합성은 스트레스를 받고 감소하며 기공 열 반응은 이산화탄소 센서 시스템을 우회하고 정상적인 광합성 주도 반응과 단절되는 것으로 나타났습니다. 대신 기공은 두 번째 열 반응 경로를 사용하는데, 이는 집의 뒷문을 통해 들어가는 것과 비슷하게 "땀을 흘리는" 냉각 메커니즘입니다.

"식물이 광합성의 이점을 얻지 못한 채 기공을 여는 두 번째 메커니즘의 영향은 작물 식물의 물 사용 효율성이 감소하는 결과를 낳을 것입니다."라고 Pankasem은 말했습니다. "우리 연구에 따르면 식물은 흡수한 CO 2 단위당 더 많은 물을 요구할 가능성이 높습니다. 이는 작물 생산을 위한 관개 계획과 지구 온난화에 대응하여 생태계에서 식물의 증산 증가가 수문 순환에 미치는 대규모 효과에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다."

"이 연구는 사회적 과제를 해결하고 농업과 같은 핵심 분야에서 회복력을 구축하고 잠재적으로 생물경제를 발전시키는 데 도움이 되는 호기심에 기반한 기초 연구의 중요성을 보여줍니다." 연구에 부분적으로 자금을 지원한 미국 국립과학재단 생물과학국 프로그램 책임자인 리처드 시어의 말입니다. "더 높은 온도에서 기공 기능의 기반을 제어하는 ​​분자적 복잡성에 대한 추가 이해는 지구적 온도 상승에 직면하여 농사에 필요한 물의 양을 제한하는 전략으로 이어질 수 있습니다."

새로운 세부 정보를 바탕으로 Pankasem과 Schroeder는 이제 2차 열 반응 시스템의 분자적, 유전적 메커니즘을 이해하기 위해 노력하고 있습니다.

연구의 공동 저자는 Nattiwong Pankasem, Po-Kai Hsu, Bryn Lopez, Peter Franks, Julian Schroeder입니다. 이 연구는 Human Frontier Science Program(RGP0016/2020)과 National Science Foundation(MCB 2401310)의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241002154002.htm