The effects of $Cd^{2+}$ ions on the Chl a fluorescence of 5 hydrophytes (e.g. Lemna, Salvinia, Ricciocarp, Nymph, Typha plants) were investigated in order to select $Cd^{2+}$-sensitive plant species and to get informations on physiological responses of plants to $Cd^{2+}$...
The effects of $Cd^{2+}$ ions on the Chl a fluorescence of 5 hydrophytes (e.g. Lemna, Salvinia, Ricciocarp, Nymph, Typha plants) were investigated in order to select $Cd^{2+}$-sensitive plant species and to get informations on physiological responses of plants to $Cd^{2+}$ stress. Lemna plants were most sensitive to cadmium stress, while Nymph plants were tolerant. However, in all $Cd^{2+}$-treated plants, Fv/Fm, the maximum photochemical efficiency of PS II, decreased in proportion to the increase of $Cd^{2+}$ concentration and treatment time. The Chl a fluorescence transient O-J-I-P was also considerably affected by $Cd^{2+}$ ions; the fluorescence yield decreased consid- erably in steps J, I and P in $Cd^{2+}$ treated plants, although it followed a typical polyphasic rise in non-treated plants. In Lemna plants, the functional parameters, ABS/CS, TRo/CS와 ETo/CS and RC/CS, decreased in proportion to the increase of $Cd^{2+}$ concentration, while N, Mo and Kn increased. The structural parameters, ${\Phi}po$, ${\Phi}po$/($1-{\Phi}po$), Plabs, SFlabs, Kp and RC/ABS, also decreased according to the increase of $Cd^{2+}$ concentration. Consequently, Lemna plants will be useful as a experimental model system to investigate responses of plants. And several functional or structural parameters could be applied to determine quantitatively the physiological states of plants under stresses.
The effects of $Cd^{2+}$ ions on the Chl a fluorescence of 5 hydrophytes (e.g. Lemna, Salvinia, Ricciocarp, Nymph, Typha plants) were investigated in order to select $Cd^{2+}$-sensitive plant species and to get informations on physiological responses of plants to $Cd^{2+}$ stress. Lemna plants were most sensitive to cadmium stress, while Nymph plants were tolerant. However, in all $Cd^{2+}$-treated plants, Fv/Fm, the maximum photochemical efficiency of PS II, decreased in proportion to the increase of $Cd^{2+}$ concentration and treatment time. The Chl a fluorescence transient O-J-I-P was also considerably affected by $Cd^{2+}$ ions; the fluorescence yield decreased consid- erably in steps J, I and P in $Cd^{2+}$ treated plants, although it followed a typical polyphasic rise in non-treated plants. In Lemna plants, the functional parameters, ABS/CS, TRo/CS와 ETo/CS and RC/CS, decreased in proportion to the increase of $Cd^{2+}$ concentration, while N, Mo and Kn increased. The structural parameters, ${\Phi}po$, ${\Phi}po$/($1-{\Phi}po$), Plabs, SFlabs, Kp and RC/ABS, also decreased according to the increase of $Cd^{2+}$ concentration. Consequently, Lemna plants will be useful as a experimental model system to investigate responses of plants. And several functional or structural parameters could be applied to determine quantitatively the physiological states of plants under stresses.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 수생식물이면서 전 세계적 으로 널리 분포하고 있는 좀개구리밥, 생이가래, 은행이끼, 수련, 부들 등 5종의 수생식물을 대상으로 카드뮴에 대한 엽록소형광 이미지와 O-J-I-P 분석을 통해 수생식물의 환경 적응성을 알아보고 환경지표 로서의 활용가능성을 살펴보았다.
. 본 연구에서는 엽록소형광 분석과 형광이미지 분석을 통해 카드뮴 스트레스 하에서 식물의 내성 여부와 생리적 특성을 파악하기 위해 좀개구리밥, 생이가래, 은행이끼, 수련, 부들등 5종의 수생식물을 대상으로 카드뮴(Cd 2+)의 농도를 달리하여 처리하고 5일 동안 배양하면서 Fv/Fm 형광이미지와 PSⅡ의 광화학적 효율을 분석하였다(Fig. 1과 2).
제안 방법
O-J-I-P 곡선은 Plant Efficiency Analyzer (PEA;Hansatech Instrument Ltd., UK)를 이용하여 10회 반복하여 측정하였다 18). 즉, 15분간 광을 차단하여 암적응시킨 식물의 잎에 1,500 µmole/m 2 /sec의 광량을 1초간 조사하여 유도하였다.
O-J-I-P 곡선의 분석으로 8개의 기본적 형광변수(Fo, Fm, Fv/Fo, V J , V I , Mo, Sm, N)들을 제시하였으며, 이를 토대로 다시 구조적 변수(structural parameters: RC/CS, ΦPO , ΨO, ΦEO등)와 기능적 변수 (functional parameters: ABS/RC, TRo/RC, ETo/RC, ABS/CS, TRo/CS, ETo/CS 등)들을 산출하여 제시하 였다(Table 1).
일정한 배양환경에서 생육하고 있는 좀개구리밥을 대상으로 카드뮴의 농도(0, 10, 50, 100 µM)를 달리하여 처리한 후 O-J-I-P 곡선의 패턴을 비교하고 이를 토대로 형광변수들을 산출하여 제시하였다 (Fig. 4).
일정한 배양환경에서 생육하고 있는 좀개구리밥을 대상으로 카드뮴의 농도(0, 10, 50, 100 μM)를 달리하여 처리한 후 Fo, Fm, Fv/Fm 형광이미지의 변화를 살펴보았다(Fig. 3).
중금속에 대한 내성을 갖는 식물을 선별하고 중금속 스트레스하에서 수생식물의 생리적 특성을 파악하기 위해 좀개구리밥, 생이가래, 은행이끼, 수련, 부들 등 5종의 수생식물을 대상으로 카드뮴의 농도를 달리하여 처리한 후 시간별로 식물의 광합성효 율을 분석하였다. 그 결과, 좀개구리밥은 카드뮴에 가장 민감하게 반응하였으며, 수련은 다른 식물종에 비해 민감하지 않은 것으로 나타났다.
즉, 15분간 광을 차단하여 암적응시킨 식물의 잎에 1,500 µmole/m 2 /sec의 광량을 1초간 조사하여 유도하였다.
즉, 15분간 광을 차단하여 암적응시킨 식물의 잎에 1,500 µmole/m2/sec의 saturation light와 100 µmole/m2/sec의 actinic light를 조사하고 quenching analysis에 의해 유도하였다.
즉, 15분간 광을 차단하여 암적응시킨 식물의 잎에 1,500 µmole/m2/sec의 saturation light와 100 µmole/m2/sec의 actinic light를 조사하고 quenching analysis에 의해 유도하였다. 형광이미지는 saturation light를 쪼인 후 1,000 ms와 3,960 ms에서 방출되는 형광을 CCD 카메라로 포획하여 각각 Fo와 Fm의 형광이미지로 나타내었으며, 이로부터 Fv/Fm의 형광이미지를 산출 하여 제시하였다.
대상 데이터
좀개구리밥(Lemna paucicostata), 생이가래(Salvinia natans), 은행이끼(Ricciocarpus natans), 수련(Nymphaea tetragona), 부들(Typha orientalis) 등 5종의 수생식물을 대상으로 실험을 수행하였다.
/sec의 14시간 광주기 하에서 5일간 배양하였다. 항온기에서 배양중인 좀개구리밥, 생이 가래, 은행이끼는 엽색이 균일한 상태의 식물체를 선별하여 실험재료로 사용하였다. 수련은 성숙한 잎으로부터 지름이 1.
이론/모형
수생식물을 배양하기 위한 배양액은 Chollet 16)의 방법에 의해 조제한 후, 멸균 소독하기 이전에 pH를 6.5로 조정하여 사용하였다. 배지는 KNO3 (202 mg/ ℓ), KH2PO4(50.
형광이미지분석은 Nedbal 등 17)의 방법에 따라 Imaging Fluorometer (FluorCam 700MF, Photon System Instruments, Czech)를 이용하여 측정하였다. 즉, 15분간 광을 차단하여 암적응시킨 식물의 잎에 1,500 µmole/m2/sec의 saturation light와 100 µmole/m2/sec의 actinic light를 조사하고 quenching analysis에 의해 유도하였다.
성능/효과
O-J-I-P 분석을 통해 산출된 형광변수들 중에 Fm, Fv/Fo는 카드뮴 농도가 증가할수록 점차적으로 감소하였고, N과 Mo는 증가하였다(Fig. 4B). Fm은 Q A가 완전히 환원된 상태의 형광이며, 스트레스를 받은 식물에서는 Fm 값이 낮아진다.
광계Ⅱ의 광화학적 효율, 즉 Fv/Fm의 변화로 살펴본 5종 수생식물의 카드뮴 민감도는 좀개구리밥이 카드뮴의 농도가 높아질수록 가장 민감하게 반응하는 것으로 나타났으며, 수련은 카드뮴 농도에 관계없이 Fv/Fm값의 변화가 없어 카드뮴에 대한 내성을 가지고 있는 것으로 보인다(Fig. 2). 즉, 좀개구 리밥은 10 µM 카드뮴에서는 대조구와 차이를 보이지 않아 Fv/Fm값이 0.
그 결과, 10 μM 카드뮴에서는 Fo, Fm, Fv/Fm 형광이미지 모두 대조구와 큰 차이를 보이지 않았으나 50 μM 이상의 농도에서는 빛을 쪼여주었을 때 방출하는 형광이 크게 감소하였 으며 전체적으로 파란색을 띄고 있어 식물이 스트 레스를 받고 있음을 알 수 있다(Fig. 3).
중금속에 대한 내성을 갖는 식물을 선별하고 중금속 스트레스하에서 수생식물의 생리적 특성을 파악하기 위해 좀개구리밥, 생이가래, 은행이끼, 수련, 부들 등 5종의 수생식물을 대상으로 카드뮴의 농도를 달리하여 처리한 후 시간별로 식물의 광합성효 율을 분석하였다. 그 결과, 좀개구리밥은 카드뮴에 가장 민감하게 반응하였으며, 수련은 다른 식물종에 비해 민감하지 않은 것으로 나타났다. 좀개구리 밥은 카드뮴 농도가 증가할수록 정상적인 O-J-I-P 곡선에서 J, I, P의 값이 큰 폭으로 떨어지고 있으며, 이는 카드뮴 농도가 증가할수록 명반응 중심이 손상을 입거나 불활성화 됨으로써 광합성 효율 즉 Fv/Fm의 감소를 일으키기 때문이다.
그리고 카드뮴 농도의 증가에 따라 엽면적 당 광계Ⅱ 활성을 의미 하는 변수들 중 ABS/CS, TRo/CS와 ETo/CS, 반응중 심의 상대적 밀도를 의미하는 RC/CS와 초기 광화학적 반응의 최대 수득율을 의미하는 Φ PO 는 카드뮴 농도의 증가에 따라 뚜렷하게 감소하였다(Fig. 4C).
그리고, 생이가래도 10 µM 카드뮴에서는 대조구와 차이를 보이지 않아 Fv/Fm값이 0.83～0.84로 높게 나타났으며, 50 µM 이상의 카드뮴에서는 0.56과 0.43으로 그 값이 크게 감소하였음을 확인할 수 있다.
따라서 좀개 구리밥, 생이가래, 은행이끼 등은 50 µM이상의 카드뮴 농도에서는 Fv/Fm값이 급격하게 감소하여 카드뮴이 광합성효율에 영향을 미침을 알 수 있으며, 수련은 100 µM의 카드뮴 하에서도 광합성 명반응에 저해를 입지 않은 것으로 생각된다.
또한 활력도를 나타내는 변수들 중에 Φpo/(1-Φpo), PIabs, SFIabs, Kp, RC/ABS의 5변수는 카드뮴 농도의 증가에 따라 크게 감소하였으나 Kn은 증가하였다(Fig. 4D).
배양 5일 후 5종의 수생식물을 대상으로 Fv/Fm 형광이미지를 분석한 결과, 카드뮴에 민감한 종은 좀개구리밥, 생이가래, 은행이끼, 부들 순이며 수련은 다른 종에 비해 덜 민감한 것으로 조사되었다 (Fig. 1). 즉, 5종의 수생식물 모두 10 µM 카드뮴에서는 Fv/Fm 형광이미지가 대조구와 큰 차이를 보이지 않았으며, 빛을 쪼여주었을 때 방출되는 형광이 많아 적색의 이미지로 나타났다.
좀개구리밥에서 카드뮴 농도가 증가할수록 산출된 형광변수들 중에 Fm, Fv/Fo, ABS/CS, TRo/CS와 ETo/CS, RC/CS, ΦPO, Φpo/(1-Φpo), PIabs, SFIabs, Kp, RC/ABS는 점차 적으로 감소하였고, N, Mo과 Kn는 증가하였다.
좀개구리밥의 Fo 형광이미지는 전체적으로 파란색을 나타내고 있는데, 10 µM 카드뮴에서는 대조 구와 차이를 보이지 않았으나 카드뮴의 농도가 높아질수록 식물체에 독성으로 작용하여 파란색의 형광을 방출하는 식물 개체가 감소하였으며, 이는 여기 된 엽록소분자들의 감소를 의미한다.
즉, 5종의 수생식물 모두 10 µM 카드뮴에서는 Fv/Fm 형광이미지가 대조구와 큰 차이를 보이지 않았으며, 빛을 쪼여주었을 때 방출되는 형광이 많아 적색의 이미지로 나타났다.
후속연구
이러한 결과를 토대로 좀개구리밥은 다른 수생식물에 비해 카드뮴에 가장 민감하게 반응하여 환경지표식물로 활용이 가능할 것으로 보인다. 그리고, 스트레스 하에서 뚜렷하게 증가하거나 감소하는 형광변수 들을 이용하여 스트레스에 대한 식물의 생리적 상태를 정량적으로 진단할 수 있을 것으로 보인다.
이러한 결과를 토대로 좀개구리밥은 다른 수생식 물에 비해 카드뮴에 가장 민감하게 반응하여 환경 지표식물로 활용이 가능할 것으로 보인다. 그리고, 스트레스 하에서 뚜렷하게 증가하거나 감소하는 형광변수들을 이용하여 카드뮴 스트레스에 대한 식물의 생리적 상태를 정량적으로 진단할 수 있을 것으로 보인다.
이러한 결과를 토대로 좀개구리밥은 다른 수생식 물에 비해 카드뮴에 가장 민감하게 반응하여 환경 지표식물로 활용이 가능할 것으로 보인다. 그리고, 스트레스 하에서 뚜렷하게 증가하거나 감소하는 형광변수들을 이용하여 카드뮴 스트레스에 대한 식물의 생리적 상태를 정량적으로 진단할 수 있을 것으로 보인다.
이러한 결과를 토대로 좀개구리밥은 다른 수생식 물에 비해 카드뮴에 가장 민감하게 반응하여 환경 지표식물로 활용이 가능할 것으로 보인다. 그리고, 스트레스 하에서 뚜렷하게 증가하거나 감소하는 형광변수들을 이용하여 카드뮴 스트레스에 대한 식물의 생리적 상태를 정량적으로 진단할 수 있을 것으로 보인다.
그러나 수련의 잎은 카드뮴 농도와 배양기간에 관계없이 그대로 녹색 상태를 유지하고 있어 종에 따라 그 영향이 다른 것으로 보인다. 특히 좀개구리밥은 수생식 물중에서도 크기가 작고, 전세계적으로 담수에 광범위하게 분포하고 있을 뿐만 아니라 Fig. 1과 2에서 보는 바와 같이 다른 수생식물에 비해 카드뮴에 민감하게 반응하여 카드뮴 스트레스에 대한 지표식 물로서 활용이 가능할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광합성의 변화를 분석하여 카드뮴과 같은 환경스트레스에 대한 식물의 생리적 상태를 진단하는데 광계Ⅱ활성을 이용하는 이유는?
한편, 광합성의 변화를 분석하여 카드뮴과 같은 환경스트레스에 대한 식물의 생리적 상태를 진단할수 있다. 광합성 기구 중에서 광계Ⅱ활성이 가장 민감하여 환경스트레스에 대한 지표로 이용되고 있으며 엽록소형광을 분석함으로써 측정할 수 있다 10) . 엽록소형광을 이용한 광계Ⅱ 활성의 연구로는 고온과 저온 11) , 과다한 빛 에너지 12) , 낮은 수분 포텐셜 13) , 일주기와 계절적 변화 14) , 병원균의 감염 15) 등이 있다.
카드뮴(Cd), 수은(Hg), 납 (Pb), 구리(Cu)와 같은 중금속 이온들은 무엇을 통해 식물에 흡수되는가?
중금속 중 일부는 식물에서 효소의 보조인자로 사용되는 등 필수 미량원소로 사용되기도 하지만, 세포내에 일정한 농도 이상으로 존재하게 되면 식물의 생리대사를 저해한다 3) . 카드뮴(Cd), 수은(Hg), 납 (Pb), 구리(Cu)와 같은 중금속 이온들은 뿌리를 통하여 식물에 흡수되고 줄기나 잎으로 전이되는데, 중금속에 대한 초본성 식물의 반응은 대부분 이온 흡수의 저해, 측근과 뿌리의 건량 감소 및 엽록소 함량의 감소로 나타나고 4) , 그 독성은 먼저 뿌리의 생장 저해로 나타난다 5) . 많은 금속 원소 중에서 카드뮴은 강력한 독성을 나타내는 것으로 인식되고 있으며, 다른 필수 금속이온들을 비가역적으로 치환시키는 작용을 한다 6) .
환경변화를 감지 하거나 식물의 생리 실험을 위한 재료로 개구리밥이 적당한 이유는?
따라서 이러한 중금속 오염을 감소시키거나 오염된 환경으로부터 중금속을 제거시키고자 하는 연구들이 활발하게 진행되고 있으며, 고마리, 수련, 개구리밥 등 수생식 물을 이용한 연구들이 그러한 예들이라고 할 수 있다 2) . 특히 개구리밥은 크기가 작고, 실험실에서 배양하기가 수월할 뿐만 아니라, 온대지역에서 열대 지역에 걸쳐 넓게 분포하고 있어 환경변화를 감지 하거나 식물의 생리 실험을 위한 재료로 적당하다. 중금속 중 일부는 식물에서 효소의 보조인자로 사용되는 등 필수 미량원소로 사용되기도 하지만, 세포내에 일정한 농도 이상으로 존재하게 되면 식물의 생리대사를 저해한다 3) .
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