비생물학적 스트레스

비생물학적 스트레스는 온도, 가뭄, 화학물질 등 식물 성장과 발달에 해로운 영향을 줄 수 있는 환경적인 요인이다.¹⁾ 이러한 비생물학적 스트레스는 작물 생산성에 가장 큰 손실을 일으키는 요인으로 인식되고 있다.

목차

비생물학적스트레스는 빛, 오존, 방사능, 온도, 물, 화학물질, 고염분, 영양분 결핍, 환경오염, 산불과 같은 자연재해를 포함한다.²⁾ 빛에 의한 요소는 강한 빛과 약한 빛, 온도에 의한 요소에는 고온과 저온, 물에 의한 요소에는 가뭄, 침수 및 홍수, 화학적인 요소는 중금속과 산도, 영양분 결핍에는 질소, 인산, 칼륨 등이 있다.

식물의 비생물적 스트레스 반응 경로 (출처:한국식물학회)

비생물학적 스트레스에 대한 가장 심각한 손실은 농업과 관련된다. 한 연구에 따르면 비생물적스트레스가 다른 요인에 비해서 작물 생산량 손실을 가장 많이 야기하며, 이러한 스트레스 피해를 받은 작물의 수확량은 잠재적 수확량에서 50% 이상 감소한다고 예상한다. 비생물학적스트레스에 대한 식물의 첫 방어선은 그 뿌리에 있다. 식물을 보유하고 있는 토양이 건강하고 생물학적으로 다양한 특성을 유지한다면 식물은 스트레스가 많은 환경에서 생존할 확률이 더 높아진다. 그리고 이러한 스트레스에 대한 식물의 반응은 스트레스의 영향을 받는 조직이나 기관에 따라 달라진다.

약 8억 3천만 헥타르의 지구 면적이 고 염도이며, 약 20%의 경작지가 고 염도의 피해를 받고 있다.³⁾ 고염분과 같은 비생물학적 스트레스에 대한 주요 반응 중 하나는 식물 세포의 세포질에서 Na⁺/K⁺ 비율의 파괴이다.⁴⁾ 예를 들어, 고농도의 Na⁺는 식물이 물을 흡수하고 효소와 수송체 기능을 변화시키는 능력을 감소시킬 수 있다. 에틸렌 호르몬은 고 염도의 조건에서 식물의 생장에 중요한 역할을 한다. 막단백질인 ETO2, ERS1, ERS2는 에틸렌 신호를 받아 식물의 생장과 분화를 조절하는데, 이 단백질에 변이가 생기면 에틸렌 신호전달에 이상이 생겨 고 염도 조건에서 생장이 감소함으로써 염분 스트레스를 보다 잘 견디게 한다. 

식물이 자라는데 필수 영양소 중 하나인 인(P)은 대부분의 토양에 결핍되어 있다. 인이 결핍되면 식물은 곁뿌리와 뿌리털의 발달이 촉진되어 흡수할 수 있는 뿌리 면적을 증가된다. 또한 유기산과 인산분해효소(phosphatase)를 더 많이 분비함으로써 토양의 무기 인(Pi) 함량을 증가시켜 인의 흡수를 돕는다.⁵⁾ MYB 계열의 PHR1 단백질이 인 결핍에 반응하는 전자조절인자로 알려졌다.  

가뭄은 작물의 생산량에 가장 큰 피해를 주는 비생물학적 스트레스 중 하나이다. 특히 지구 온난화는 강수량을 감소시켜 가뭄 피해가 증가되는 곳이 많아지고 있다. 식물은 물이 부족하면 기공을 닫는데, 앱시스산은 기공의 개폐에 관련하는 호르몬으로, 앱시스산 함량이 공변세포에서 증가하면 원형질막의 이온 경로를 열어 팽압을 감소시킴으로써 기공이 닫히게 된다. 원형질막에서 물을 이동하는 아쿠아포린(aquaporin) 단백질도 가뭄에 중요한 역할을 한다.⁶⁾ 이 단백질 함량은 앱시스산, 지베렐린, pH, Ca²⁺ 등에 의해 뿌리와 잎에서 조절되어 물의 흡수를 돕는다.

식물은 가뭄을 경험하면 이를 기억하고 있다가 다음 가뭄에 더 잘 대응하는 것으로 밝혀졌다. ⁷⁾ 

비생물학적 스트레스가 식물에게 이로움을 주는 경우도 있다. 한 예로 자연적으로 발생하는 산불이 인간과 동물에게는 해로움을 줄 수 있지만 오래된 나무들을 제거함으로써 새로운 생명체가 자라게 하며 그 생태계의 변화를 초래한다. 다른 예로 홍수를 들 수 있는데, 홍수는 대부분의 식물의 성장에 치명적인 손상을 주지만 어떤 종류의 벼는 홍수에서 잘 자란다.  

1. Roy SJ, Negrao S, Tester M (2014) Salt resistant crop plants. Current opinion in biotechnology, 26: 115-124
2. Wang W, Vinocur B, Altman A (2003) Plant responses to drought, salinity and extreme temperatures: towards genetic engineering for stress tolerance. Planta, 218: 1-14
3. Neto A, De AD, Prisco JT 등 (2004) . Brazilian Journal of Plant Physiology. 16: 31–38 
4. Assaha DVM, Ueda A, Saneoka H 등 (2017) The Role of Na(+) and K(+) Transporters in Salt Stress Adaptation in Glycophytes. Frontiers in physiology, 8: 509
5. Raghothama KG (1999) Phosphate acquisition. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. 50: 665–693 
6. Aquaporin. Wikipedia. 2018-03-10.
7. Tombesi S, Frioni T, Poni S 등 (2018). . Environmental and Experimental Botany 150: 106–114