공변세포

공변세포는 잎과 줄기 등의 표피에 존재하는 특별한 세포로서, 한 쌍의 공변세포는 기공을 개폐하도록 조절하는 역할을 한다. 기공이 열리면 이산화탄소는 확산에 의해서 잎으로 들어가고 광합성의 부산물로 생성된 산소는 기공을 통해 배출된다. 기공이 열릴 때 수증기의 소실이 일어나며 이를 보충하기 위하여 뿌리로부터 물을 흡수한다. 반대로 기공이 닫히면 수분 소실이 차단되고 가스 교환이 일어나지 않는다. 따라서 식물은 공변세포의 팽압 조절을 통해 기공을 개폐함으로써 이산화탄소 흡수와 수분 증발 사이에 균형을 맞춘다. 

목차

기공의 개폐는 두 공변세포의 팽압의 변화에 ​​의해 조절된다. 공변세포의 팽압은 다량의 이온(주로 K⁺)과 당이 공변세포의 안쪽으로 움직임으로 인해 증가된다. 공변세포가 이러한 용질을 흡수하면 세포 내 삼투압이 감소하여 과량의 수분이 공변세포로 들어간다. 이러한 작용이 공변세포의 팽압을 높여 기공이 열린다.¹⁾

기공의 팽압 조절. 공변세포의 K⁺ 이온의 농도 변화에 따른 삼투압 변화로 팽압을 조절함. (왼쪽) 기공이 열림. (오른쪽) 기공이 닫힘. (출처:한국식물학회)

식물이 건조한 환경에 노출되게 되면 호르몬 중 하나인 앱시스산(abscisic acid; ABA)을 생산한다. 앱시스산은 공변세포의 세포막에 존재하는 단백질과 결합하여 활성산소종(reactive oxygen species)을 발생시키고, 이 활성산소는 Ca²⁺ 이온 채널을 열어 세포내 Ca²⁺ 이온의 농도를 높여준다. 높은 Ca²⁺ 이온의 농도는 K⁺ 이온이 세포 내로 들어오게 하는 채널을 막고, 동시에 Cl^- 이온과 K⁺ 이온이 밖으로 나가게 하는 채널을 열어서 세포내 Cl^- 이온과 K⁺ 이온 농도를 낮춘다. 이러한 과정을 통하여 건조한 환경에서 식물은 기공을 받고 수분을 지킬 수 있다. 

앱시스산에 의한 기공개폐의 조절과정. (출처:한국식물학회)

일반적인 환경에서 자라는 식물의 공변세포의 경우 이른 아침에 K⁺ 이온의 농도가 급속하게 증가하여 기공을 연다. 하지만 K⁺이온의 농도는 정오를 전후하여 급속하게 감소한다. 이때 공변세포의 설탕의 농도가 급격하게 증가하면서 삼투압을 유지시켜 주는 역할을 한다. 설탕은 광합성의 과정으로부터 생산되기 때문에 빛의 세기와 이산화탄소의 농도 등이 기공의 개폐에 중요한 요소로 작용한다.²⁾

일반적인 표피세포와는 다르게 공변세포는 많은 엽록체를 가지고 있다. 또한 공변세포의 엽록체는 많은 양의 녹말을 함유하고 있다. 녹말은 고분자의 포도당 중합체이기 때문에 삼투압에 영향을 미치지 않지만 수용성인 포도당으로 분해될 경우 삼투압이 높아지게 된다. 반대로 녹말이 합성될 때는 삼투압이 낮아진다. 이를 이용하여 기공의 개폐의 조절이 가능하다.

1. MACROBBIE EAC. (1981) Ion Fluxes in ‘Isolated’ Guard Cells of Commelina communis L. Journal of Experimental Botany, 32: 545–562
2. Daloso DM, dos Anjos L, Fernie AR (2016) Roles of sucrose in guard cell regulation. New Phytologist, 211: 809–818