필수원소의 생리적 기능 | |
식물이 생존에 필요한 필수원소 16종에 대해서 다량원소와 미량원소로 나누어 각 원소들에 대한 흡수, 식물체에서의 이동에
관해 간단하게 설명하고 주로 생리, 생화학적인 면에서 일반적으로 알려진 기능을 서술했다. 그러나 들깨에 관한 특수한 생리적인 기능은
별로 알려진 것이 없어서 첨가하지 못했다. (1) 다량원소 (가) 수소, 탄소, 산소 작물체 중에서 수소, 탄소, 산소의 세 가지 원소는 물과 유기물의 구성원소로서 탄소와 산소는 대기 중에서 탄산가스 형태로 잎과 토양에서는 HCO3-의 형태로 흡수하고 수소는 토양에서는 뿌리, 대기에서는 잎에서 흡수한다. 식물체 중에서 수소, 탄소, 산소 세 가지 원소는 물과 유기물을 구성하고 또 공기중의 O2와 CO2는 호흡과 광합성작용에 의해서 생리대사에 기본적인 중요한 역할을 한다. 특히 물은 식물체의 대부분을 차지하며 세포의 원형질 성분, 세포의 삼투압, 팽압 유지, 물질대사를 조절하며 양분의 흡수, 동화산물의 이동 등에 관여한다. (나) 질소 식물체 건물중의 2-4%가 질소인데 탄소에 비하면 매우 적은 양이지만 식물체의 주요물질인 아미노산, 핵산, 엽록체, 효소 등의 구성성분이다. 특히 엽록체와 핵산은 구성성분의 약 50-70%를 차지한다. 질소의 주요형태는 질산태(NO3-)와 암모늄태(NH4+)이지만 대부분의 식물은 질산태로 흡수되나 일반적으로 중성조건에서는 NH4+의 흡수가 잘되고 pH가 낮아질 때는 NH4+ 흡수량은 감소되는 반면 NO3-는 빨리 흡수된다. 질소는 동화가 빠르며 엽면적을 넓혀서 엽록체함량을 높여 광합성량을 증가시켜 작물의 생육을 촉진시킨다. 그러나 질소동화에는 광과 에너지가 많이 소모되어 세포벽의 구성성분인 탄수화물의 집적이 적어서 식물체의 조직이 연해진다. 또 질소는 토양 중에 가장 부족한 양분으로서 뿌리에서 흡수된 질소는 물관부를 통하여 지상부로 이동하는데 이동형태는 질소 흡수원과 뿌리의 대사 작용에 의해 좌우된다. 따라서 흡수된 암모니움은 거의 뿌리에서 아미노산으로 동화되어 재분배되나 질산염은 그대로 줄기와 잎의 관다발로 아미노산과 같이 이동한다. 그리고 생장 중에 있는 식물체의 어린잎은 성숙하기 전까지는 아미노산의 공급을 받는데 질소가 부족할 때는 오래된 잎의 단백질이 가수분해되어 생긴 아미노산이 생장이 활발한 어린잎 쪽으로 전이되므로 항상 질소 결핍은 늙은 잎에서 나타난다. (다) 인산(P) 인산은 일반적으로 새로운 잎이나 뿌리선단의 대사활동이 왕성한 분열조직에 많이 함유되어 있는데 질소와는 달리 체내에서 무기태나 유기태로 존재한다. 그리고 인산 유기화합물로서는 lecithin, 각종 당 인산, phosphatid, 핵단백질, 핵산 등이 있고 종자에는 대부분 phythin으로 함유되어 있다. 생리기능은 핵산, 핵산단백질, 인지질 등은 원형질의 주요조성 원소이며 이외에도 당 대사와 에너지대사에 필수 유기성분이다. 인산 흡수형태는 주로 HPO42-, H2PO4-로 유효도는 토양의 pH에 따라 다른데 pH가 높을 때는 HPO42-가 Ca과 결합하여 불용화되고 낮을 때는 AI나 Fe과 결합하여 불용화 된다. 흡수된 인산은 빠르게 이동해서 유기인산으로 변해 대사되고 어린잎은 뿌리나 오래된 잎에서부터 인을 공급받는다. (라) 칼륨 칼륨은 식물의 잎, 줄기 ,뿌리 신장 등 분열이 왕성한 조직이나 광합성과 단백질합성등 대사활동이 왕성한 부위에 많이 집적되어 있고 거의 전부가 수용성의 염 형태로, 항상 이온 또는 이온화되기 쉬운 상태로 존재한다. 주요기능은 식물 호르몬들과 상조적인 효과가 있어서 식물 분열조직의 생장을 유도하고 엽육세포의 삼투압을 낮게 하며 기공 개폐작용에 관여하여 증산작용을 감소시키는데 K+이온은 세포 팽대에 매우 필수적인 원소다. 이외에도 칼륨은 광합성과 동화산물의 생성 및 운반을 크게 촉진시킨다. 따라서 칼륨을 시용하면 동결, 한발 등 재해에 대한 저항성을 높이고 또 줄기가 강건하게 되어 도복방지에도 효과가 있다. (마) 칼슘 칼슘은 주로 잎에 많고 뿌리에서 흡수가 잘 안되고 체내에서 이동도 어렵다. 식물체 내에서는 지방산이나 유기산의 칼슘염 형태로 펴져 있다. 생리적으로는 세포막에 있는 pectin과 흡착되어 세포막은 견고하게 하고 세포와의 접착이 잘되게 하여 식물의 조직의 구조를 만들고 원형질의 투과성 및 원형질 교질의 수화성을 조절하여 체내과잉 산류나 유해산류 등을 중화하여 결합시킴으로서 용해되기 어려운 염을 가용염으로 만든다. 그리고 칼슘은 들깨와 같은 유료작물에서 지방산 생산을 위한 필수적인 원소다. (바) 마그네슘(Mg) 마그네슘은 식물체 건물의 0.5 g정도로 엽록소 분자를 구성하는 원소로서 15-20%를 차지한다. 주로 대사가 왕성한 어린 세포조직에 많고 식물이 성숙됨에 따라 인산처럼 종자에 축적된다. 또 마그네슘은 탄수화물 대사에 관계하는 인산기 전이반응 효소의 cofactor로서 필요하며 glutamin합성효소와 pyruvic acid 산화효소 등 많은 효소에서도 활성제로 작용한다. Mg2+은 Ca2+과는 반대로 체관에서 이동이 쉬워 오래된 잎에서 어린잎으로 또는 정상부위까지 이동이 잘되는 편이다. (사) 유황(S) 유황은 뿌리에서 SO42-형태로 흡수된 후 체내에서 환원되어 유기화합물을 합성하지만 공급량이 많으면 무기태로도 식물체에 존재하며 주로 식물의 상단부로 전류된다. 생리적 기능은 유황함유 아미노산인 시스테인, 시스틴, 및 메치오닌 등을 합성하는 구성요소로서 단백질합성의 필수원소다. 그리고 원형질의 구성과 효소를 생성하고 호흡에서 중요한 역할을 하는 glutamin과 양파, 마늘 등에 냄새를 내는 allyl유의 구성성분이며 콩과 작물의 뿌리혹형성에도 관여한다. (2) 미량원소 (가) 철(Fe) 철은 뿌리에서 Fe2+나 Fe3+, Fe-킬레이트 형태로 흡수되는데 토양중의 Mn2+, Cu2+, Ca2+, Mg2+, K+, Zn2+ 등과 같은 이온이 많으면 경쟁적으로 흡수를 방해한다. 생리적으로 철은 효소계에 있는데 환원상태인 헴(heme)과 산화상태인 헤민(hemin)이 보결 분자단의 역할을 하는 경우다. 이와 같은 헴효소계에 포함되는 효소는 Catalase, Peroxidase, Cytochrome Oxidase 등 Fe- porphyrin계의 산화효소의 구성성분이다. 또 엽록체에 존재하는 광합성의 전자전달계 ferredoxin 구성성분으로 전자전달작용을 하는 산화환원과정에도 관여한다. (나) 붕소(B) 붕소는 붕산이온으로 식물에 흡수되지만 체내에서 비교적 이동성이 적은 편으로 도관부를 통해 상향 이동하며 주로 식물의 잎끝과 가장자리 등 생육이 왕성한 생장점 부근 조직에 많이 축적된다. 생리적 기능은 세포벽의 미세 구조성분으로 세포분열이나 통도조직 형성, 조직의 분화생장, 화분 발아와 화분관 생장 등에 필수성분이고 또 수산기가 많은 화합물과 친화성이 강하기 때문에 당과 복합체를 형성해서 당의 막투과성를 높여 식물체내에서 당의 이동을 촉진시킨다. 그 외에도 붕소는 RNA 합성과 대사 및 식물호르몬인 사이토키닌 합성에도 관여한다. (다) 망간(Mn) 망간의 유효도는 pH, 유기물, 토양수분 등에 따라 다르며 식물체내에서 비교적 이동이 어려우나 일반적으로 생리작용이 활발한 부분에 많이 함유되어 있으며 대부분 가용무기물질의 형태로 존재한다. 망간의 생화학적 기능은 TCA회로내의 탈탄산효소와 탈수소효소를 활성화시키고 광합성의 명반응에서 산소의 방출과 물의 광 분해에 관여한다. 그리고 대사 과정에서 생성되는 활성산소를 분해하는 SOD 효소의 cofactor이다. 또 망간이 IAA산화효소도 활성화시켜 체내에서 IAA함량을 조절하는데 식물체에 과도하게 흡수되면 옥신함량이 감소되어 식물의 생장이 억제된다. (라) 아연(Zn) 아연은 Mn2+나 Mg2+와 같이 효소의 활성화에 관여하여 엽록체에서 집중적으로 존재하는 주요 탄산탈수소 효소 Carbonic anhydrase의 반응을 촉매하고( H2O + CO2 → H+ + HCO3_) 또 glucose가 인산화될 때 필요한 촉매계의 일부분을 담당하고 있다. 또 옥신의 전구물질인 tryptophan의 합성을 돕는다. 그리고 아연은 구리와 같이 활성산소 제거효소인 superoxide dismutase(Cu-Zn SOD)의 cofactor이다. (마) 구리(Cu) 구리는 토양 중 유기물과의 결합력이 매우 강해서 비가동적이다. 식물은 구리의 요구도가 매우 적으며 식물체 부위간 이동이 활발하지 못하다. 구리는 엽록체에 대부분 함유되어 있는데 광합성 때 두 광화학 반응을 연결하는 전자전달계 엽록체 단백질인 Plastocyanin의 주성분이다. 또 구리는 cytochrome oxidase, ascorbic oxidase, polyphenol oxidase, laccase 등과 같은 많은 효소의 cofactor로서 산소분자의 산소 원자 두개 모두 환원시키는 반응을 촉매한다. 또 구리는 아연이나 망간처럼 superoxide dismutase 의 보조인자로서 과산화 라디칼 (superoxide radical)의 소멸반응을 촉매한다.
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