[사이언스 데일리] 새로운 연구에 의하면 식물이 언제 싹을 틔우고 언제 꽃을 피워야 하는지, 그리고 햇빛을 더 많이 받기 위해 어느 쪽으로 자라야 하는지 알려주는 데 쓰이는, 빛을 감지하는 분자는 오래전 고대의 조류(algae)에서 물려받은 것이라고 한다. 연구자들의 말에 따르면 이 발견은 초기 식물의 조상이 박테리아를 잡아먹어서 물 속에서 땅 위로 이동하는 데 도움을 준 적색광 감지기를 가지게 되었으리라는 널리 퍼진 생각을 반박하는 가장 강력한 증거들 중 하나다.

(2015년 7월 28일 사이언스 데일리 기사 번역)

정보출처: 듀크 대학

일반적으로 식물이 땅 위를 점령한 것은 녹조류 – 아마도 민물웅덩이 가장자리에 살던 – 가 해안가의 수면이 하강했을 때 간신히 살아남은 시기, 대략 4억년 전이라고 생각된다. Credit: ⓒ bannerwega / Fotolia

듀크 대학의 새로운 연구에 의하면 식물이 언제 싹을 틔우고 언제 꽃을 피워야 하는지, 그리고 햇빛을 더 많이 받기 위해 어느 쪽으로 자라야 하는지 알려주는 데 쓰이는, 빛을 감지하는 분자는 오래전 고대의 조류(algae)에서 물려받은 것이라고 한다.

연구자들의 말에 따르면 이 발견은 초기 식물의 조상이 박테리아를 삼켜서 물 속에서 땅 위로 이동하는 데 도움을 준 적색광 감지기를 가지게 되었으리라는 널리 퍼진 생각을 반박하는 가장 강력한 증거들 중 하나다.

연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)’ 의 온라인 버전에서 볼 수 있다.

“우리가 눈을 통해 세계를 보듯이 식물들도 잎에 있는 빛에 민감한 단백질, 광수용체라고 불리는 것을 통해 세계를 ‘봅니다’”. 듀크 대학의 박사후 연구원인 페이웨이 리의 말이다.

광수용체는 식물 위로 비치는 빛의 방향, 강도, 지속시간 및 파장의 변화를 감지하여 식물에게 언제 싹을 틔우고, 언제 개화를 하고, 인접한 물체에 의해 그늘이 지지 않게 언제 가지를 구부리고 언제 가지를 뻗어야 하는지 알려주는 신호를 보낸다.

“빛은 식물에게 살아나가기 위해 필요한 에너지를 제공해 줍니다.” 리의 말이다. “하지만 빛은 낮 동안 시간에 따라, 그리고 계절과 주변의 식생에 따라 항상 변합니다. 광수용체는 식물로 하여금 지금이 여름인지 겨울인지, 혹은 다른 나무들에 의해 가려져 있는지 열린 공간에 있는지를 결정하게 도와줍니다.”

피토크롬이라고 불리는 한 무리의 광수용체 단백질은 식물로 하여금 빛의 스펙트럼 상에서 적색과 원적색(far-red)에 해당하는 빛을 감지하고 흡수하도록 해주는데, 이 두 가지 파장은 식물이 광합성을 위해 사용하는 빛의 파장들이다.

불과 20년 전에 연구자들은 식물이 피토크롬을 가지고 있는 유일한 생명체가 아니라는 것을 발견했다. DNA 염기서열 분석 덕분에 과학자들은 바다와 강, 냇물에 사는 아주 작은 녹색 박테리아인 남조류 (cyanobacteria) 에서도 비슷한 유전자를 찾아냈다.

식물과 남조류의 피토크롬 유전자가 놀랄 만큼 비슷하다는 점에 착안해 과학자들은 식물이 수억 년 전에 독립적으로 살아가던 남조류를 삼켜 피토크롬을 얻게 되었으리라는 아이디어를 내놓았다.

삼킨 남조류를 소화시키는 대신 식물의 조상은 남조류가 자랄 수 있는 안전한 집을 제공해 주었고 남조류는 태양빛을 이용하여 에너지를 만들어내는 기구를 식물에게 제공해서 결국은 식물과 남조류가 서로에게 의존적이 되어 영원히 함께 하는 파트너가 되었다.

이 아이디어는 식물 세포 안에 있으면서 햇빛을 양분으로 바꿔주는 세포소기관인 엽록체의 기원에 대해 널리 받아들여지는 설명이었다.

하지만 최근 들어서 연구자들은 박테리아, 균류, 그리고 일부 조류에서 피토크롬 유전자들을 발견하고는 생각을 다시 하게 되었다. “식물의 피토크롬은 어디에서 왔을까요?” 리의 말이다.

이것을 알아내기 위해 리와 듀크 대학의 프라이어, 그리고 하버드 대학의 새라 매튜스는 기존의 데이터베이스를 샅샅이 뒤져 광범위한 조류와 육상식물, 양치류 이끼류, 우산이끼, 붕어마름류, 녹조류, 적조류, 켈프, 규조류 및 기타 해양 플랑크톤에서 흔히 볼 수 있는 녹색 덩어리 등의 피토크롬 단백질로부터 300 개의 DNA 와 RNA 염기서열을 분석했다.

각 염기서열 간의 유사성을 계산하여 연구자들은 이 적색광 감지기들이 한 계통에서 다른 계통으로 넘어가면서 거쳤을 유전자 변화를 재구성할 수 있었다.

식물의 피토크롬은 남조류보다 조류와 더 가까운 관계로 밝혀졌고, 이것은 이전의 아이디어, 즉 식물의 피토크롬이 남조류, 그러니까 시아노박테리아에서 기원했으리라는 아이디어가 틀렸으리라는 의심과 잘 들어맞는 것이었다.

연구자들은 또 녹조류에서 놀랄만큼 다양한 피토크롬들을 발견했고, 이것을 통해 과학자들은 식물이 어떻게 물 속에 살다가 육상으로 올라왔는지를 더 잘 이해할 수 있게 되었다.

일반적으로 식물이 땅 위를 점령한 것은 녹조류 – 아마도 민물웅덩이 가장자리에 살던 – 가 해안가의 수면이 하강했을 때 간신히 살아남은 시기, 대략 4억년 전이라고 생각된다.

이전에 알려지지 않았던, 녹조류 내에서의 피토크롬 다양성은 수생, 혹은 반수생이었던 식물의 조상은 현재의 육상식물들이 “볼” 수 없는 파장의 빛을 흡수할 수도 있었으리라는 것을 시사한다.

“육지로 이주한 최초의 조상 녹조류는 물 속에서 경험했던 것과 매우 다른 빛 환경을 맞닥뜨려야 했을 겁니다. 훨씬 많은 빛을 여러 종류의 파장으로요.” 리의 말이다. “광수용체는 식물이 이렇게 달라진 빛 환경에 적응할 수 있도록 돕는데 핵심적인 역할을 헀을 겁니다.”

참고문헌

Fay-Wei Li, Michael Melkonian, Carl J. Rothfels, Juan Carlos Villarreal, Dennis W. Stevenson, Sean W. Graham, Gane Ka-Shu Wong, Kathleen M. Pryer, Sarah Mathews. Phytochrome diversity in green plants and the origin of canonical plant phytochromes. Nature Communications, 2015; 6: 7852 DOI: 10.1038/ncomms8852

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