단일식물

단일식물은 낮의 길이가 짧아지고 밤의 길이가 길어질 때 개화하는 식물을 말한다. 단일식물이 개화하기 위해서는 낮의 길이가 특정한 임계일장 이하로 떨어져야만 한다. 밤의 길이가 길어지는 것이 정상적인 성숙과 개화에 필수적이다. 대부분의 단일식물은 여름에 왕성히 자라고 낮의 길이가 짧아지는 늦여름이나 가을에 꽃핀다.¹⁾

목차

가을에 꽃피는 식물들은 대부분 단일식물이다. 국화, 벼, 콩, 담배, 코스모스, 나팔꽃 등의 많은 식물이 이에 속하는데, 품종에 따라 종종 단일성(短日性), 중일성(中日性), 장일성(長日性)으로 나누어지는 것도 있다. 봉선화, 병아리콩 등 단일 조건에서만 꽃피는 식물을 질적 단일식물(qualitative short-day plant)이라고 하며, 벼, 국화 등 낮이 짧아질 때 꽃 피는 것이 촉진되는 식물을 양적 단일식물 (quantitative short-day plant)라고 한다.

늦가을에 피는 단일성 식물 산국

광주기성은 일광량이 얼마나 많은가에 따라 식물에 일어나는 생물학적 반응을 일컫는다. 광주기성은 1920년에 담배잎에 대한 실험을 통해 밝혀졌다. 이 실험은 식물이 빛이나 어둠에 매우 다른 변화양상을 보인다는 것을 밝혔다. 처음에는 빛의 노출 시간이 개화에 영향을 미친다고 여겼었지만 실제로 밝혀진 바로는 빛의 노출 시간보다 밤의 길이가 중요하였다.²⁾ 임계일장은 식물의 종에 따라 다르며, 같은 종 안에서도 품종에 따라 다르다. 예를 들어 조생종 벼는 만생종 벼 보다 한달 이상 먼저 꽃핀다.

단일식물은 밤의 길이가 특정한 시간보다 길어야 하는데, 밤 기간 동안 짧은 시간의 빛에 노출되면 개화가 일어나지 않는다. 이러한 교란 현상은 피토크롬이 단일식물의 개화에 중요한 역할을 할 것으로 추정하게 한다. 피토크롬에 변이가 일어나면 단일에 반응하는 능력이 떨어지는 것은 이 물질이 일장을 측정하는데 관여하는 것을 뒷받침한다. 그러나 피토크롬이 없는 벼 변이체가 여전히 장일에서보다 단일에서 개화가 일찍 일어나는 것으로 보아 추가 요인이 밤의 길이를 측정하고 개화를 하는데 작용하는 것으로 보인다.

낮, 밤의 길이와 식물 개화의 상관 관계. (출처: 한국식물학회)

단일식물의 개화 신호 기작은 벼를 중심으로 주로 연구되었다. 장일식물에서 발견된 바와 같이 단일식물에서도 일장 주기가 짧아지는 것을 피토크롬이 인지한 후 이 신호는 GI에 전달되고, GI는 다양한 유전자의 발현을 조절하여 개화시기를 결정한다. 그러나 애기장대에서 개화촉진 기능을 하는 CO에 해당하는 유전자인 벼의 Hd1은 단일조건에서는 개화촉진자로 작용하지만 장일조건에서는 개화억제자로 작용한다. CO와 유사한 또 다른 벼 단백질 Ghd7 및 COL4도 장일조건에서 개화를 억제한다. 따라서 CO 유사 단백질들은 여름 기간에 개화를 억제하는 역할을 하다가 임계일장보다 낮 기간이 짧아지면 개화를 촉진하는 것으로 보여진다. 벼의 개화호르몬은 Hd3a 및 RFT1이며 이들의 발현은 Ehd1이라고 하는 중간 전달자를 통해 Hd1 및 Ghd7에 의해 주로 조절된다. 벼의 개화호르몬은 잎의 체관 유세포(phloem parenchyma)에서 만들어진 후 줄기생장점으로 이동하여 생식생장을 유도한다.³⁾

1. Lin C (2000) Photoreceptors and regulation of flowering time. Plant Physiology, 123: 39–50
2. Garner WW, Allard HA (1922) Photoperiodism, The response of the plant to relative length of day and night. Science, 1431: 582-583
3. Lee YS, An G (2015) Regulation of flowering time in rice. Journal of Plant Biology 58: 353-360