식물 수송의 역동성: 심플라스트 조절, 원형질연락사, 그리고 체관부 기반 정보 전달

앞에서 관을 통한 용액의 흐름과 거의 비슷한 물리적인 용어로 수송에 대하여 설명하였지만 식물의 수송은 역동적인 과정이다. 즉, 식물세포의 수송 요구는 발달단계에 따라 변한다. 예를 들어, 잎은 당의 수용원으로 시작하지만 대부분의 생애 동안 당의 공급원으로 지난다. 또한 환경의 변화는 식물 수송작용에서 놀라운 반응들을 야기시킨다. 물과 무기질의 전체 수송을 관장하는 세포막 수송 단백질을 크게 변화시키는 신호전달 기작은 물 스트레스가 활성화시킨다. 심플라스트는 살아 있는 조직이므로 식물 수송 과정에서 역동적인 변화를 담당할 수 있다.

 

원형질연락사

원형질연락사: 끊임없이 변화하는 구조

원형질연락사는 심플라스트의 역동적 성질의 한 예이다. 생물학자들은 전에 전자현미경 관찰로 정지된 이미지만 보았기 때문에 원형질연락사를 불변하는 다공구조로 생각하였다. 그러나 최근 새로운 기술 발달로 원형질연락사는 투과성이나 그 수에 있어서 변화가 가능한 매우 역동적인 구조라는 것을 알게 되었다. 그들은 팽압이나, 세포질 칼슘양, 그리고 세포질 pH의 변화에 따라 매우 빠르게 열리거나 닫힐 수 있다. 그들은 세포질 분열 과정에서 형성되지만 훨씬 나중에 형성될 수도 있다. 더욱이 잎이 수용원에서 공급원으로 성숙되어 감에 따라 잎의 원형질연락사는 닫히거나 제거되어 체관에서 당이 내리는 것을 멈추게 한다.

식물생리학자와 병리학자의 초기 연구에서는 원형질연락사의 구멍 크기에 대하여 서로 다른 결론에 도달하였었다. 생리학자들이 다양한 크기의 형광탐침을 세포에 삽입하고 그 분자들이 옆의 세포로 이동하는 것을 관찰하였었다. 이들의 관찰 결과에 의하면 구멍의 크기는 약 2.5nm로 단백질과 같은 거대분자가 통과하기에는 너무 작다는 결론에 도달하였다. 반대로 병리학자들은 전자 현미경으로 지름이 10nm 이상 되는 바이러스가 통과하는 증거를 보여주었다. 이런 상반적인 발견을 설명할 수 있는 하나의 가설은 바이러스가 원형질연락사를 부풀릴 수 있다는 것이다.  

결과적으로는 식물 바이러스는 원형질연락사를 부풀려서 바이러스 RNA가 세포 사이를 통과할 수 있게 하는 바이러스 수송단백질을 생산한다는 것을 알게 되었다. 좀 더 최근 연구에서 식물세포가 원형질연락사를 역동적인 소통 연락망의 일부로 조절한다는 증거가 있었다. 바이러스는 원형질연락사의 세포 조절자를 흉내 내면서 연락망을 파괴한다. 

세포질의 높은 상호 연결성은 심플라스트성 영역이라고 알려진 특정 집단의 세포나 조직에서만 존재한다. 단백질이나 RNA 같은 정보 단백질은 각 심플라스트성 영역 안에서 세포 사이의 발생을 조정한다. 심플라스트 소통이 돌연변이에 의해 바뀐다면 캘리포니아 버클리 대학교의 잼브리스키 박사와 그 동료들의 연구로 알려진 것처럼 식물의 발생이 심하게 영향을 받을 수 있다.

 

체관에서 전기 신호전달

체관을 통한 빠른 장거리 전기 신호전달은 심플라스트가 지니는 또 하나의 역동적인 기능적 특성으로 간주된다. 체관부는 주로 광합성 산물의 수송을 담당하는 조직으로 알려져 있으나, 최근 연구들은 체관이 단순한 물질 운반 경로를 넘어 정보 전달 체계로서의 역할을 수행할 가능성을 제시하고 있다. 특히 체관요소와 동반세포가 원형질연락사로 밀접하게 연결되어 형성된 연속적인 심플라스트 구조는 전기적 신호가 식물체 전반으로 빠르게 전달될 수 있는 해부학적 기반을 제공한다.
전기 신호전달은 주로 미모사(Mimosa pudica)나 비너스 파리잡이통(Dionaea muscipula)과 같이 자극에 대해 빠른 잎의 움직임을 보이는 식물에서 집중적으로 연구되어 왔다. 이들 식물에서는 기계적 자극이나 포획 자극이 발생하면 막전위 변화가 체관을 따라 신속하게 전달되고, 그 결과 잎의 접힘이나 덫의 닫힘과 같은 가시적인 운동 반응이 유도된다. 이러한 반응은 전기적 신호가 근육과 신경을 이용하는 동물과는 다른 방식이지만, 식물에서도 자극을 신속히 인식하고 전신적으로 반응할 수 있는 체계가 존재함을 보여준다.
한편, 이러한 전기 신호전달은 빠른 운동 반응을 보이지 않는 대부분의 식물종에서도 관찰되며, 그 기능적 의미에 대한 연구가 점차 확대되고 있다. 일부 연구에 따르면, 식물체의 특정 부위에 물리적 손상이나 환경적 스트레스가 가해질 경우 체관을 통한 전기 신호가 유도되어 원격 부위의 생리적 상태를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 전기 신호는 특정 유전자의 발현 양상을 변화시키거나, 호흡률과 광합성 효율에 영향을 미치며, 체관부에서의 당 방출이나 호르몬 농도 조절을 유도하는 것으로 보고되었다. 이러한 반응은 국소적 자극이 식물체 전체의 대사 조절로 확장될 수 있음을 시사한다.
이러한 관점에서 체관부는 단순히 물질을 수송하는 조직을 넘어, 식물체 내부에서 신호를 통합하고 전달하는 기능적 네트워크로 이해될 수 있다. 비록 식물에는 동물과 같은 신경계가 존재하지 않지만, 체관을 중심으로 한 전기적 신호전달 시스템은 넓게 분포한 기관들 사이에 빠른 정보 전달을 가능하게 하며, 식물의 환경 인식과 적응 반응을 조율하는 데 중요한 역할을 할 가능성이 있다. 따라서 체관부의 전기적 신호전달은 식물 생리학과 신호전달 연구에서 점점 더 중요한 연구 주제로 부상하고 있다.

 

체관: 정보의 거대고속도로

당의 수송이나 전기 신호전달에 더하여 체관은 거대분자와 바이러스의 체계적인 수송을 담당하는 '거대고속도로'이기도 하다. 체계적 변화란 몸 전체를 퍼져나가는 변화로 몸 전체나 기관의 전부 또는 대다수에 영향을 끼치는 것이다. 체관을 통해 옮겨진 거대분자에는 원형질연락사를 통해 체관요소로 들어가는 단백질이나 여러 형태의 RNA가 포함된다. 원형질연락사는 흔히 동물 세포의 간극연접과 같지만 단백질과 RNA를 수송하는 능력은 독특하다.

체관을 통한 체계적 소통은 전체 식물의 기능 통합을 돕는다. 잎에서 영양 분열조직으로 개화 신호의 전달이 한 고전적 예이다. 체관을 통한 신호가 감염되지 않은 조직에 방어유전자를 활성화시키는 지역적 감염에 대한 방어 기작이 또 다른 예가 된다. 

물질과 정보의 조화로운 수송은 식물의 생존에 매우 중요하다. 식물은 일생 동안 여러 영양원을 갖는다. 이런 영양원은 적당하게 분포되어 있거나 적절히 사용되지 않는다면 식물이 경쟁을 잘할 수 없다. 궁극적으로 영양원의 성공적인 획득이나 전체 식물의 총체적인 기능은 식물이 성공적으로 경쟁할 수 있는지를 결정하는 가장 중요한 요인이 된다.