노화

식물 노화는 식물이 성장하는 동안 잎과 다른 부분에 축적된 세포 구성 물질을 재활용하는 발달과정의 마지막 단계이다.¹⁾ 이러한 노화는 크게 스트레스 유발성 노화와 수명이 다해서 발생하는 발달과정상의 노화로 나눌 수 있다.

목차

나무잎이 가을에 노란색이나 붉은색으로 변하는 것은 잎이 노화하면서 엽록소 분해가 분해되고 카로티노이드(carotenoid) 합성이 증가하기 때문이다. 잎의 노화는 영양소, 주로 질소를 식물의 성장 및 저장 기관으로 재활용하는 중요한 기능을 한다.²⁾ 동물과 달리 식물은 지속적으로 새로운 기관을 형성하며 이에 필요한 영양분을 오래된 기관의 고도로 정교한 노화 프로그램을 거쳐 공급받는다.

식물잎의 노화과정 (출처: http://www.plantphysiol.org/content/150/4/1981 )

식물의 노화는 크게 네 가지 형태로 나눌 수 있다. 첫째로 전체 식물체 노화는 주로 한해살이 식물에서 발견이 되는데 개화 이후에 노화가 시작되어 종자 성숙이 완료되면서 전체 식물체가 죽는다. 두 번째는 줄기 노화이고 주로 여러해살이 식물에서 관찰된다. 노화가 진행되면서 줄기의 상층부만 노화가 되고 그 지하부는 노화의 진행이 없이 그대로 유지되는 특성을 가지고 있다. 다음은 기관 노화인데 주로 잎이나 열매와 같은 측면 기관에서 발생된다. 이러한 노화는 다시 계절성 기관 노화와 순차적 기관 노화로 나눌 수 있다. 계절성 기관 노화는 특정 시기에 식물의 모든 잎이 동시에 노화가 진행되는 낙엽성 식물에서 발견된다. 마지막으로 순차적 기관 노화는 잎의 나이에 따라 순차적으로 노화가 생기는 것으로 줄기에 새로운 잎이 생기고 나서 이전 잎의 노화가 순차적으로 진행되는 특성을 가지고 있다.

식물노화의 네 가지 형태 (출처:한국식물학회)

발달과정 후반에 사이토키닌은 잎의 노화를 방지한다.³⁾ 사이토키닌의 제거, 또는 세포가 사이토키닌을 인식할 수 없는 경우, 세포사멸 또는 노화를 겪을 수 있다. 반면에 에틸렌은 식물의 노화를 촉진하는 호르몬이다. 에틸렌을 인지 할 수 없는 돌연변이는 노화가 지연된다.⁴⁾ 상온에서는 기체로 존재하고 과일의 성숙을 촉진시키는 기능이 있어서 토마토나 감귤류의 숙성을 조절하는데 활용되고 있다. 이외에 옥신, 자스몬산, 앱시스산도 노화 조절에 관여하는 것으로 알려져 있다.

식물 세포에 축적된 영양소는 새로운 성장에 사용될 때까지 식물체 내에 저장되거나 다음 세대를 위한 영양소를 제공하기 위해 종자로 보내진다. 따라서 식물이나 종자의 생존을 위해서는 효율적인 노화 과정을 유지하는 것이 필수적이다. 노화는 정교한 유전자 발현과 신호전달 경로의 상호작용을 통해 조절되고 있다.⁴⁾ 작물에서 노화가 적절하게 조절되지 않으면 최종 작물 수확량이 감소되며, 채소작물에서 수확 후 손실은 주로 노화로 인해 발생된다. 노화를 적절히 조절할 수 있는 억제기작을 밝혀 내면 식량이나 작물의 생산을 증가시키는 데 큰 기여가 예상된다.

우리나라에서는 기초관학연구소의 식물노화수명연구단(단장 남홍길, 이 2013년 출범하여 식물학 연구의 모델 식물인 애기장대를 비롯하여 노화 및 수명 결정에서 다른 특성을 지닌 벼와 콩을 대상으로 하여 우리나라 식물노화 연구를 선도하고 있다. 식물의 노화 과정을 생애주기와 연계된 분자, 세포, 세포간, 기관 및 개체 수준에서의 다차원적 통찰을 제공한다. 이를 위해 컴퓨팅 빅데이터 생물학, 표현체, 분자 영상, 화학 유전학, 시스템 유전학 등의 시스템적 접근 방법을 통해 생체 네트워크의 시간적 공간적 역동성의 관점, 복잡계 생물학의 관점에서 노화와 노화를 가져오는 생애주기 결정 과정에 대한 분자적 메커니즘 및 이에 대한 진화적 의미를 연구하고 있다.⁵⁾ 이러한 연구를 통해 노화 및 발달 단계에 대한 해석에 중요한 기반 지식을 제공하고 궁극적으로 식물 생명현상의 세계적인 혁신 패러다임 구축, 산업 경제적 측면에서 바이오 매스, 바이오 에너지 및 식량 증산을 위한 새로운 도구와 방법론을 제시할 것으로 기대된다.

식물노화연구를 위한 다중오믹스 기반 연구체계 (출처: https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S1674205216300545-gr3.jpg ).

1. Schippers JH, Schmidt R, Wagstaff C 등 (2015) Living to Die and Dying to Live: The Survival Strategy behind Leaf Senescence. Plant physiology, 169: 914-930
2. Yang Z, Ohlrogge JB (2009) Turnover of fatty acids during natural senescence of Arabidopsis, Brachypodium, and switchgrass and in Arabidopsis beta-oxidation mutants. Plant physiology, 150: 1981-1989
3. Gan S, Amasino RM (1995) Inhibition of leaf senescence by autoregulated production of cytokinin. Science, 270: 1986-1988
4. Koyama T (2014) The roles of ethylene and transcription factors in the regulation of onset of leaf senescence. Frontiers in plant science, 5: 650
5. Kim J, Woo HR, Nam HG (2016) Toward Systems Understanding of Leaf Senescence: An Integrated Multi-Omics Perspective on Leaf Senescence Research. Molecular plant, 9: 813-825