생명과학실험 예비 보고서 <공변세포의 관찰> 실험날짜: 2014.09.16. 1. 실험목적 식물의 생물학적 조절에 중요한 역할을 하는 공변세포의 구조를 관찰하고 어떠한 역할을 수행하는지 알아본다. 2. 실험이론 1. 식물세포의 특징 세포(cell)은 모든 유기체를 구성하는 기본 구조로, 생명활동의 토대이다. 세포는 내부구조에 따라 두 가지로 분류되는데, 내부구조가 단순하고 단세포 생물 또는 군체를 이루는 원핵세포와 달리 진핵세포는 스스로의 막이 있는 세포 소기관들을 가지며 단세포 생물부터 다세포 생물까지 모든 형태로 존재한다. 식물세포는 이러한 진핵세포의 일종으로, 진핵세포는 크게 동물세포와 식물세포로 나뉜다. <그림 1> 동물세포와 식물세포의 비교 세포의 외부와 내부를 경계 짓는 지질이중층과 단백질로 이루어진 세포막, 유전 물질을 포함하는 핵, 단백질을 합성하는 리보솜, 에너지를 생산하는 미토콘드리아, 분자를 수송하는 소포체, 단백세포의 중추 전달 체계인 골지체, 단백질, 핵산, 효소등을 분해하는 리소좀은 식물세포와 동물세포에 공통으로 존재하는 요소들이다. 식물세포와 동물세포의 기본적인 차이는 세포벽(cell wall)이 식물세포를 둘러싸고 있다는 것이다. 세포벽을 가진 식물세포들은 중간층(middle lamella)에 의해 인접세포들과 단단히 붙게 되고, 이는 식물의 발달이 배아세포가 위치를 옮겨 다니는 동물의 발달과는 다르게 오로지 세포분열과 세포 확대의 패턴에 의해 좌우되도록 한다. 세포벽은 주로 셀룰로오스를 포함하는 1 차 세포벽과 리그닌을 포함하는 2 차 세포벽으로 이루어져있다. 또한 식물세포에는 식물의 생명활동에 필요한, 동물세포에는 없는 세포소기관들이 존재한다. 엽록체(chloroplast)는 가시광선 하에서 엽록소를 합성 후, 광합성이 일어나는 세포소기관으로 내막과 외막을 갖고 있으며 틸라코이드막이 쌓여 이루어진 그라나, 스트로마로 이루어져있다. 광합성은 엽록소의 전자가 들뜬 후 떨어질 때 생성되는 에너지로 ATP 와 NADP 를 생성하여 당을 만드는 작용으로 지구의 생물계에서 가장 중요한 화학작용 중 하나이다. 액포(center vacuolar) 또한 식물세포만이 가지는 세포소기관으로, 동물세포는 작은 액포를 갖거나 성체가 된 뒤 사라진다. 성숙한 식물세포는 중심액포를 가진다. 액포는 세포수액으로 채워져 있으며 많은 양의 수분, 효소, 무기이온, 독성 부산물을 저장하는 저장하는 저장소 이면서 팽압을 유지하는 역할을 한다. 세포질을 세포막쪽으로 밀어내어 엽록체를 빛에 가까이하도록 하는 역할도 한다. 동물세포만 갖고 있는 구조로는 운동기능이 있는 편모와 섬모, 세포분열시 염색체를 당기는 중심소체가 있다. 2. 증산작용 1)잎의 구조 식물을 이루는 잎, 줄기, 뿌리는 기관이며 기관을 이루는 것은 세포가 모인 조직이다. 잎은 표피, 유관속 조직, 책상조직, 해면조직으로 이루어져있다. 표피는 한 층의 엽록체가 존재하지 않는 세포로 이루어져 있다. 그러나 뒷면의 표피에는 표피세포가 변형된 공변세포가 존재하여 형성하고 세포에는 가스교환을 엽록체가 바깥부분에는 있어 잎의 기공을 하는데, 들어있다. 큐티클층이 내부 조직을 이 표피 발달되어 보호하고 과도한 수분증발을 막는다. 유관속 조직은 물관과 체관으로 이루어진 조직으로, 물관은 뿌리에서 물이 이동하는 통로이며 체관은 잎에서 생성된 영양분이 이동하는 통로이다. <그림 2> 잎의 구조 해면조직, 책상조직은 엽육세포로 이루어져있는 조직으로 광합성이 활발히 일어나는 곳이다. 책상조직은 세포 간극이 좁고 세포가 가지런히 정렬되어 있는 반면 해면조직은 세포 간극이 넓고 세포배열이 불규칙적이다. 이는 잎의 뒷면에 있는 기공을 통해 광합성을 통해 생산된 산소, 광합성에 필요한 이산화탄소, 수증기가 활발히 이동해야 하기 때문이다. 2)뿌리-잎까지의 물의 이동 이산화탄소와 물, ATP 를 이용해 산소, 포도당을 생산하는 광합성을 위해 식물은 뿌리로 물을 흡수하여 잎으로 수송한다. 이때 기본이 되는 원리는 묽은 용액과 진한 용액이 반투과성막을 사이에 두고 있을 때, 농도가 더 진한 쪽으로 용매가 이동하는 삼투 현상이라고 알려져 있지만 조금 더 복잡한 원리-수분 퍼텐셜이 존재한다. 수분 퍼텐셜이란 물이 이동할 때 쓰일 수 있는 에너지량을 의미한다. 토양에서 식물까지 물이 수송되는데 관여하는 토양의 수분 퍼텐셜은 삼투 퍼텐셜, 정수압, 중력 퍼텐셜로 나뉜다. 토양수의 삼투 퍼텐셜은 토양의 용질 농도가 낮으므로 일반적으로 무시한다. 두번째 성분은 정수압으로 세포에서의 팽압과 같은 성분이다. 물은 공기와 물의 계면을 최소화하는 높은 표면장력과 동시에 토양입자에 부착하려는 경향을 갖고 있다. 토양의 수분함량이 감소하면서 물은 토양입자 사이의 틈으로 후퇴하고, 이는 공기-물의 계면에서 굽은 경계면을 만들어 표면장력을 통해 물을 장력으로 이끈다. 이 장력은 물이 뿌리 가까이 가도록 한다.. 중력 퍼텐셜은 고도에 비례하는 값으로, 물이 아래로 이동하는 이유이다. 뿌리의 표피에서 내피에 도달하기 까지는 3 가지 경로가 있다. 세포벽, 세포 간극, 물관과 섬유로 이루어진 연속계인 아포플라스트 경로, 원형질 연락사를 통해 연결되어있는 세포질을 통과하는 심플라스트 경로, 물이 세포의 한쪽으로 들어가서 다른 쪽으로 나오는 과정을 반복하는 막횡단 경로가 있다. 셋 중 한가지 경로를 따르는 것이 아닌, 기울기와 저항에 따라 어느 경로든 이용하는 것으로 밝혀졌다. 그 다음 경로인 물관부는 물 수송 경로 중 가장 긴 부분을 차지하며, 물관부는 죽은 세포이므로 다른 이동 경로에 비해 저항이 적다. 물관부에서의 물의 이동은 증산작용에 의한 음의 정수압, 즉 장력으로 이루어진다. 물관부를 통과하는 물의 장력을 지탱하기 위해서는 응집력 또한 필요한데, 이 매커니즘은 수액상승의 응집력-장력설(cohesion-tension theory of sap ascent)이라 한다. 이 때 필요한 음의 정수압은 잎의 세포벽 표면에서 발생한다. 이 과정은 뿌리 주변의 공기-물의 계면에서 만들어지는 굽은 경계면에 의한 장력 유발과 유사하다. 거기에 물의 응집력이 더해져 잎으로 향하는 물기둥을 더욱 안정하게 만드는 것이다. 3)잎에서 대기로의 물의 이동 잎까지 도달한 물은 물관에서 이끌려 나와 엽육세포의 내부의 세포벽으로 통기 이동한 간극으로 뒤, 잎 증발한다. 이 수증기는 잎의 통기 간극, 기공을 확산으로 통과한 후 잎 표면의 정체된 공기의 경계층을 통과하게 된다. 이러한 잎에서의 증산은 두 가지 주요 요인에 의존한다. 외부공기와 잎 내부의 통기 간극 사이의 수증기 농도의 차이, 그리고 이 경로의 확산 저항. 수증기의 농도 차이가 클수록 증산이 활발해 진다. 농도 온도에 큰 영향을 받는다. 차이는 잎의 <그림 3> 잎을 통한 물의 이동경로 두번째 요인인 확산 저항은 기공저항과 경계층 저항으로 이루어져있다. 경계층 저항은 바람의 속도와 잎의 크기에 의해 결정된다. 그러나 이 요인들은 몇시간 또는 몇 일 만에 바뀌는 것이 아니므로, 기공저항을 결정하는 공변세포의 기공 조절이 단기간에 잎의 증산을 제어하는데 중요한 역할을 한다. 기공은 공변세포 2 개에 의해 조절되는 기체출입 기관으로, 물의 지나친 손실을 막기 위해 열렸다 닫혔다 한다. 이산화탄소를 흡수하기 위해서는 기공을 열어야 하지만, 항상 기공을 열고 있을 경우 오히려 증발에 의해 물 손실이 커지기 때문이다. 이에 대한 해결책으로 식물은 낮에는 기공을 열고 밤에는 기공을 닫는다. 밤에는 광합성을 하지 못해 이산화탄소 요구가 없기 때문이다. 그러나 토양수가 부족할 경우 낮에도 기공이 닫혀 있게 된다. 3. 공변세포 관찰 1)공변세포 공변세포는 표피세포가 공변세포가 붙어 여닫는 삼투압에 엽록체가 역할을 변형된 작용한다. 한다. 의해 기공은 열리고 들어있어 세포로, 공변세포는 쌍의 기공을 농도차이로 닫힌다. 광합성이 한 인한 공변세포에는 일어난다. 광합성이 진행되면 세포 내 이산화탄소의 양이 줄어들어, pH가 높아지고 포스포릴라아제라고 하는 효소가 활성을 갖게 되는데, 이 효소는 녹말을 포도당으로 분해하게 된다. 녹말 한 분자를 분해하면 많은 포도당 분자가 만들어지므로 결국 공변세포의 삼투압이 올라가게 된다. 삼투압이 올라가면 공변세포는 주변 <그림 4>단자엽식물과 쌍자엽 식물의 기공 세포들로부터 수분을 흡수하여 삼투압을 낮추려 한다. 이렇게 수분을 흡수하면서 공변세포는 팽팽해진다. 공변세포의 특징은 특수화된 세포벽 구조로, 세포의 모양을 결정하는 셀룰로오스 미크로피브릴들이 기공의 구멍을 기점으로 부챗살처럼 퍼져나가는 형태이다. 이때 기공에 접한 내부 세포벽이 바깥쪽 세포벽보다 두꺼운 쌍자엽 식물의 공변세포는 부피 증가에 따라 바깥쪽 벽이 휘게 되고, 이로 인해 구멍이 열리는 것이다. 벼 과에 속하는 단자엽 식물들의 경우, 아령모양의 공변세포들이 부푼 말단을 갖는 들보들처럼 작용하여 둘 사이의 틈이 벌어진다. 2)단자엽식물과 쌍자엽식물 흔히 외떡잎식물, 쌍떡잎식물이라고 부른 식물의 분류 방법으로 배가 하나의 떡잎을 가졌는가, 두개의 떡잎을 가졌는가를 기준으로 분류한다. 단자엽식물은 보통 나란히 맥, 수염 뿌리를 가졌으며 관다발이 불규칙적이다. 벼, 난초 등이 여기에 속한다. 쌍자엽식물은 보통 그물맥을 가졌으며 관다발이 규칙적으로 분포되어있다. 20 만종이상의 식물이 여기 속한다. 3)공변세포 관찰방법 ① 식물의 잎에 매니큐어를 바른다(표피가 잘 벗겨지게 하기 위해) ② 매니큐어가 마른 뒤 테이프로 표피를 벗긴다. ③ 벗겨낸 표피를 슬라이드 글라스 위에 올려놓은 후 물을 한 방울 떨어뜨린다. ④ 커버글라스를 덮고 표피를 아세트산카민용액으로 염색한다. ⑤ 시료 위에 물을 한 방울 떨어뜨려 염색시약을 물로 씻어내고, 휴지로 물기를 제거한다 ⑥ 현미경으로 시료를 관찰한다. *사용되는 용액 아세트산카민: 이온결합으로 이루어진 방향족 화합물로, 용매에 녹이면 이온화 되며 양이온이 붉은색을 띠어 붉은색으로 염색되게 하는 염색시약이다. DNA 는 음전하를 띠는 분자이므로 염색체를 염색시키는 역할을 한다. 식물세포는 보통 녹색이므로, 주로 식물세포를 염색할 때 사용한다. 붉은색이 많은 동물세포의 경우 푸른 메틸렌블루 용액을 사용한다. 4. 추가질문 엽육세포의 두께가 모두 동일하다면 어떻게 될 것인가? 세포의 형태변화와 식물의 생리변화를 예측해보라 만일 엽육세포의 두께가 모두 동일하다면 해면조직은 존재하지 않았을 것이다. 간극이 없이 정렬된 엽육세포로 인해 기공을 통한 산소, 이산화탄소, 수증기의 이동이 제한될 것이고, 이는 광합성을 막아 식물의 생존이 위태로워 질것이다. 3. 참고문헌 식물생리학 제 5판/저자 Lincoln Taiz 외/라이프 사이언스/2013 http://ko.wikipedia.org/ http://www.doopedia.co.kr/ 이미지 출처 <그림 1>http://newsciencebiology.blogspot.kr/2012_08_16_archive.html <그림 2>http://en.wikipedia.org/ <그림 3>http://xylemup.wordpress.com/