[논문]산성처리가 애기장대의 엽록소, 카로티노이드, 안토시아닌 등의 색소 함량에 미치는 영향

임경환

doi:10.5423/rpd.2010.16.1.081

산성처리가 애기장대의 엽록소, 카로티노이드, 안토시아닌 등의 색소 함량에 미치는 영향
Effects of Acid Treatments on Chlorophyll, Carotenoid and Anthocyanin Contents in Arabidopsis 원문보기

Research in plant disease = 식물병연구, v.16 no.1, 2010년, pp.81 - 85

초록
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산성비 수준의 고농도 수소이온 스트레스인 pH 5.6-4.0 처리는 애기장대 생장에 크게 해를 주지 않았으며 강산성인 pH 3.5 이하에서 수소이온 농도가 높아질수록 식물 뿌리 및 줄기의 생장이 위축되었으며 특히 뿌리가 줄기보다 더 민감하게 반응하였다. 엽록소 함량은 pH 5.6-4.0까지 pH가 낮아질수확 증가히였다. pH 4.0에서 내려갈수록 점진적으로 엽록소 함량이 감소되는 경향을 보였으며 카로티노이드도 엽록소와 같은 경향을 보였으나 pH 3.5에서 함량이 가장 높았다. 안토시아닌은 pH가 낮아질 수록 계속 증가하여 pH 3.0에서 가장 많이 축적되었으며 pH 2.5에서는 급격히 감소되었다. 스트레스 강도가 세어 질수록 엽록소 대비 식물체내 카혹티노이드 및 안토시아닌 함량이 증가한다는 것은 엽록소를 보호하기 위한 식물의 생리적 반응으로 여겨진다. 그러나 안토시아닌과 카로티노이드는 수소이온 농도에 따른 식물체내 함량의 변화가 상이하여서 고수소이온 스트레스에서 식물의 보호하는 기작이 다를 것으로 에상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Arabidopsis seedlings subjected to low pH stress in the range of pH 5.6-4.0 did not show significant retardations in root and shoot growths. Treatment of pH 3.5-2.5 resulted in significant reductions in root and shoot length, especially in roots. Chlorophyll contents in seedlings increased during acid treatment of pH 5.6-4.0, but decreased by stronger acid treatment of pH 4.0 and lower pHs. Total carotenoid contents showed similar trend to chlorophyll contents by increasing during pH 5.6-3.5 treatments and decreasing by pH 3.0-2.5. Anthocyanin contents increased under acid stress of pH 5.6-3.0 and showed great reduction at pH 2.5. The ratios of carotenoids/chlorophylls and anthocyanins/chlorophylls increased by acid stress treatments. That indicates plants try to adjust physiologically to acid stress and protect chlorophylls by increasing carotenoid and anthocyanin contents. However, different responses of chlorophylls and anthocyanins to acid stress indicate both pigments play different roles in protecting plant from acid stress.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

안토시아닌은 다른 비생물학적 스트레스 처리에서도 축적되는 것으로 보고되어 있으며 아직 스트레스에 관련하여 정확하게 어떤 기능을 하는지는 알려져 있지 않으나 안토사아닌은 상당한 량의 햇빛을 흡수 할 수 있기 때문에 스트레스 조건에서 엽록소로 가는 quantum lo&d를 줄여서 활성산소 발생을 억제하여 엽록소를 보호하거나 생성된 활성산소를 제거하거나 antioxidant enzymes을 보호할 것으로 추정된다(Hatier와 Gould, 2008). 따라서 다른 스트레스와 마찬가지로 높은 수소이온 스트레스 상황에서 안토시아닌이 축적되는 것으로 이 실험에서 밝혀졌지만 축적된 안토시아닌이 단지 스트레스의 결과물인지 아니면 스트레스를 덜어주기 위한. 어떤 역할을 하는 지는 명확하지 않다.
안토시아닌은 식물이 다양한 스트레스에 노출되었을 때 축적되며 황산 화제로 작용하며 스트레스 처리시 생성된 five-radicals을 제거하는 것으로 여겨진다(Hatier와 Gould, 2008). 따라서 본 연구에서는 산성비에 준하는 산성처리에 대해 엽록체를 비롯한 색소들의 조성이 어떻게 변화되는지에 연구의 중점을 두었다. 비병원성 스트레스의 하나인 산성비에 대한식물 색소의 반응에 대한 연구가 미약한 현실에서 식물이 산성비에 대한 저항성 또는 적응 메커니즘을 연구하는데 중요한 자료를 제공할 것으로 기대한다.
본 연구에서는 실험 모델식물인 애기장대를 사용하여 산성도가 다른 산성비가 식물의 생장과 광합성에 관계된 색소함량에 어떤 영향을 끼치는지 조사하였다. 다양한 생물학적 및 비생물학적 스트레스가 엽록소, 카로티노이드 및 안토시아닌 색소함량에 끼치는 효과에 대한 연구가 있으나 산성처리에 대한 색소 함량의 변화에 대한 연구가 지금까지의 문헌조사 결과 보고되지 않았다.

제안 방법

클로로필 및 카로티노이드 함량분석은 각각 다른 pH로 처리한 식물의 잎을 수확하여 15 m/의 메탄올에서 균질화시킨 후 균질화 된 현탁액을 거름종이로 걸러 여과액을 3, 000 g에서 10분간 원심분리 하여 상증액을 취하였다. 분리된 상증액은 분광흡도계를 사용하여 470, 653, 666nm의 파장에서 흡광도를 측정하였다. 전체 클로로필 및 카로티노이드 함량은 Well bum(1994)의 방법에 따라 측정하였으며 그 공식은 다음과 같다.
줄기 및 뿌리 길이 측정과 색소함량 측정을 위해서 파종 후 8 일 된 식물을 수확하여 사용하였다. 산성 처리는 멸균된 petri dish안에 3MM blotting paper* 깔고 pH를 각각 5.6, 4.5, 4.0, 3.5, 3.0, 2.5로 조절된 MS 액체배지를 부어서 blotting paper를 완전히 적신 후 종자를 파종하였으며 길이 및 색소 측정을 위해 식물을 수확할 때까지 blotting paper를 젖은 상태로 유지하였다. MS 배지의 pH는 0.
산성비가 식물의 생장에 미치는 영향을 알아보기 위하여 애기장대 새싹을 각기 다른 pH의 배지에서 8일간 키워 그 생장 정도를 알아 보았다(Fig. 1). pH 5.
기록하였다. 안토시아닌 함량측정은 식물의 잎을 채취하여 상기의 방법으로 메탄올로 균질화시킨 식물잎 여과액을 530과 653 nm의 빛의 파장에서 흡광도를 측정하였다. 안토시아닌 함량측정은 Murray와 Hackett(1991) 의 공식(전체 안토시 아닌 : A530-0.
식물재료 및 산성 처리. 애기장대(Arabidopsis thaliana), ecotype Colombia-O(ColO) 종자를 1% 과산화수소로 5분간소독한 다음 70% 에탄올로 5분간 소독하였다. 그 다음 멸균수로 세척한 다음 41에서 이틀간 저온처리를 하였다.
그 다음 멸균수로 세척한 다음 41에서 이틀간 저온처리를 하였다. 처리 된 종자는 2% Sucrose를 함유하는 MS 배지에(Murashige와 Skoog, 1962) 파종한 후 23℃, 50-70% 상대습도, 장일(16시간 광/8시간 암)에서 유지하였다. 줄기 및 뿌리 길이 측정과 색소함량 측정을 위해서 파종 후 8 일 된 식물을 수확하여 사용하였다.

대상 데이터

처리 된 종자는 2% Sucrose를 함유하는 MS 배지에(Murashige와 Skoog, 1962) 파종한 후 23℃, 50-70% 상대습도, 장일(16시간 광/8시간 암)에서 유지하였다. 줄기 및 뿌리 길이 측정과 색소함량 측정을 위해서 파종 후 8 일 된 식물을 수확하여 사용하였다. 산성 처리는 멸균된 petri dish안에 3MM blotting paper* 깔고 pH를 각각 5.

이론/모형

안토시아닌 함량측정은 식물의 잎을 채취하여 상기의 방법으로 메탄올로 균질화시킨 식물잎 여과액을 530과 653 nm의 빛의 파장에서 흡광도를 측정하였다. 안토시아닌 함량측정은 Murray와 Hackett(1991) 의 공식(전체 안토시 아닌 : A530-0.24幺653)을 사용하였다.
분리된 상증액은 분광흡도계를 사용하여 470, 653, 666nm의 파장에서 흡광도를 측정하였다. 전체 클로로필 및 카로티노이드 함량은 Well bum(1994)의 방법에 따라 측정하였으며 그 공식은 다음과 같다.

성능/효과

0 처리는 식물의 발아 및 생장에 현저한 장애는 초래하지 않았다. pH 3.5 처리부터 수소이온농도가 높아질수록 식물이 뿌리 및 줄기의 생장이 위축되었으며 특히 뿌리가 줄기보다 더 민감하게 반응하였다. 강산성인 pH 2.
0까지 pH가 낮아질수록 증가하였다. pH 4.0에서 내려갈수록 점진적으로 엽록소 함량이 감소되는 경향을 보였으며 카로티노이드도 엽록소와 같은 경향을 보였으나 pH 3.5에서 함량이 가장 높았다. 안토시아닌은 pH가 낮아질수록 계속 증가하여 pH 3.
6) 보다 오히려 8% 더 길었다. pH 4.5를 정점으로 pH가 내려갈수록 뿌리길이가 짧아졌으며 pH 3.5에서는 대조식물의 83%, pH 3.0 에서는 56% 수준으로 줄어들었으며 pH 2.5의 높은 수소이온농도에서는 뿌리가 전혀 발생하지 않았다. pH가 5.
산성비에 대한 식물의 반응에 대한 분자생물학적 연구로 현재까지 문헌 등을 조사한 바로는 Kim 등(2009)이 산성비 처리에 대한 유전자 반응을 애기장대에서 Afifymetrix 유전자 칩을 사용하여 대량으로 조사한 것이 유일하다. 그 결과 병원균 또는 비생물학적 스트레스에 반응하여 발현이 증가하는 유전자들이 산성 처리에서도 발현이 증가하였다. 발현이 감소된 유전자 그룹으로는 peroxidsae와 extensin 유전자들이었으며 이 그룹의 유전자 발현의 억제는 산성처리에서만 특이적인 것으로 보고되었다(Kim 등, 2009).
5에서 더 활발하였다. 따라서 애기장대는 약산성 조건에서 더 잘 자라는 산성식물이며 pH 3.5나 그 이하의 강한 산성 조건에서 생육이 억제되었다.
3B). 본 실험의 결과 안토시아닌이 높은 수소이온농도의 스트레 스에서 카로티 노이 드와는 식 물을 보호하는기작이 다를 것으로 예상된다. 안토시아닌은 다른 비생물학적 스트레스 처리에서도 축적되는 것으로 보고되어 있으며 아직 스트레스에 관련하여 정확하게 어떤 기능을 하는지는 알려져 있지 않으나 안토사아닌은 상당한 량의 햇빛을 흡수 할 수 있기 때문에 스트레스 조건에서 엽록소로 가는 quantum lo&d를 줄여서 활성산소 발생을 억제하여 엽록소를 보호하거나 생성된 활성산소를 제거하거나 antioxidant enzymes을 보호할 것으로 추정된다(Hatier와 Gould, 2008).
산성비 수준의 고농도 수소이온 스트레스인 pH 5.6-4.0 처리는 애기장대 생장에 크게 해를 주지 않았으며 강산성인 pH 3.5 이하에서 수소이온 농도가 높아질수록 식물이 뿌리 및 줄기의 생장이 위축되었으며 특히 뿌리가 줄기보다 더 민감하게 반응하였다. 엽록소 함량은 pH 5.
3). 안토시 아닌도 카로티 노이 드와 마찬가지로 고수소이 온 스트레스가 심해질수록 엽록소대비 식물체내 함량이 증가하였으며 특히 고수소이온 스트레스가 분명하게 나타나기 시작하는 pH 3.5-3.0에서 현저하게 함량이 증가하였다 (Fig. 3B). 본 실험의 결과 안토시아닌이 높은 수소이온농도의 스트레 스에서 카로티 노이 드와는 식 물을 보호하는기작이 다를 것으로 예상된다.
5까지 함량이 증가하였다. 카로티노이드 함량이 엽록소 함량에 비례하여 증가하며 스트레스 강도가 세어질수록 엽록소대비 식물체내 카로티노이드 함량이 증가한다는 것은 엽록소를 보호하기 위한 식물의 생리적 반응으로(Fig. 3A) 특히 pH 2.5에서는 총 엽록소와 카로티노이드 함량이 줄어들었지만 엽록소 대비 카로티노이드 함량이 가장 높아 심한 스트레스 조건에서 엽록소를 보호하려는 경향을 나타냈다(Fig. 3A). 카로티노이드는 스트레스로 인한 photodamage로 부터 엽록소를 보호하는 것으로 이미 잘 알려져 있다(Armstrong과 Hearst, 1996).

후속연구

따라서 본 연구에서는 산성비에 준하는 산성처리에 대해 엽록체를 비롯한 색소들의 조성이 어떻게 변화되는지에 연구의 중점을 두었다. 비병원성 스트레스의 하나인 산성비에 대한식물 색소의 반응에 대한 연구가 미약한 현실에서 식물이 산성비에 대한 저항성 또는 적응 메커니즘을 연구하는데 중요한 자료를 제공할 것으로 기대한다.

참고문헌 (12)

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상세보기
Delhaize, E. and Ryan, P. R. 1995. Aluminum toxicity and tolerance in plants. Plant Physiol. 107: 315-321.

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Evans, L. S. and Curry, T. M. 1979. Differential responses of plant foliage to simulated acid rain. Am. J. Bot. 66: 953-962.

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Kim, J. K., Baek, S. A., Yoon, S., Park, H. J., Lee, S. C, Lee, T. S. and Im, K. H. 2009. Global Analysis of Gene Expression upon Acid Treatment in Arabidopsis thaliana, Plant Pathology J. 25: 172-178.

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Lee, Y.,Park, J., Im, K. H., Kim, K., Lee, J., Lee, K., Park, J. A., Lee, T.K., Park, D. S., Yang, J. S., Kim, D. and Lee, S. 2006. Arabidopsis leaf necrosis caused by simulated acid rain is related to the salicylic acid signaling pathway. Plant Physiol. Biochem. 44: 38-42.

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Murashige, T. and Skoog, F. 1962. A revised medium for rapid growth and bio-assays with tobacco tissue cultures. Physiologia Plantarum 15: 473-497.

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Murray, J. R. and Hackett, W.P. 1991. Dihydroflavonol reductase activity in relation to differential anthocyanins accumulation in juvenile and mature phase Hedera helix L. Plant Physiology 97: 343-351.

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박종범. 2005. 애기장대의 shoot 생장과 내부조직에 미치는 인공산성비의 영향. J. Life Sci. 15: 889-894.

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Zedaker, S. M., Nicholas, N. S. and Eagar, C. 1988. Air pollution and forest decline. IUFRO Press.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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