과학자들이 식물 잎의 기공형성 과정을 규명했다.

식물의 잎은 기공(Stomata)이라고 불리는 복잡한 내부 공기 채널 네트워크를 가지고 있다. 이 사실은 19 세기부터 알려져 왔지만 지금까지 그 채널이 어떻게 올바른 위치에 형성되는지 이해하지 못했다.

영국 셰필드대(University of Sheffield) 과학자들이 랭커스터대(Lancaster University)과 노팅엄대(Nottingham University) 동료들과 공동으로 진행 한 새로운 연구는 유전자 조작 기술을 사용해 잎의 기공이 많을수록 더 많은 공기 채널(airspace)을 형성한다는 것을 밝혔다. 공기 채널은 인간 및 동물 폐포에 공기를 운반하는 작은 통로인 미세기관처럼 작용한다.

과학학술 저널 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 발표 된 이 연구는 기공을 통한 이산화탄소(CO2) 이동이 공기 채널 네트워크의 모양과 규모를 결정할 가능성이 가장 높은 것으로 밝혔다.

 랭커스터대 마졸리 룬드그랜(Marjorie Lundgren) 박사는 “과학자들은 기공의 발달과 잎의 공기 공간 개발이 조화를 이룬 것을 오랫동안 의문해왔다. 그러나, 그동안에는 어느 쪽이 먼저인지 확신하지 못했다”고 말했다.

X-ray CT 이미지 분석을 포함한 일련의 실험을 통해 공동 연구팀은 매우 다른 잎 구조를 가진 종에서 이러한 질문에 답했다. 기공의 발달이 공기틈의 확장을 촉진한다는 것을 보여 주지만, 기공이 확장되기 위해서는 공기 채널이 필요하다.

이 발견은 잎의 내부 구조에 대한 이해와 식물 조직의 생물학적 방법을 벗어나는 결과에 대한 이해를 제시한다.

연구를 이끈 셰필드대 지속 가능한 식품 연구소(Institute for Sustainable Food) 앤드류 플레밍 (Andrew Fleming) 교수는 “식물이 복잡한 채널 패턴을 형성하는 방식은 과학자를 심는 데 놀랄 만큼 신비한 채로 남아있다”며 “이 주요 발견은 잎을 통한 공기의 움직임이 식물의 내부 작용을 형성한다는 것을 보여준다. 이는 식물의 진화에 대한 우리의 생각에 영향을 미친다”고 말했다.

이 연구는 또한 밀 식물이 세대를 거듭하며 잎에 적은 모공을 가지고 공기 채널이 적어 잎이 더 조밀해지고 생존에 물을 적게 필요로하게 된 것을 보여준다.

이 새로운 통찰력은 과학자들이 잎의 내부 구조를 변경해 밀과 같은 주요 작물을 물 효율적으로 만들 수 있는 가능성을 강조한다.

인간이 이미 물을 적게 사용하는 밀을 재매해 식물이 호흡하는 방식에 이미 부주의하게 영향을 미쳤다는 사실은 기후 변화로 예상되는 더 극심한 가뭄에서 살아남을 수 있는 작물을 개발하기 위해 이 공기 채널 네트워크를 활용 할 수 있음을 시사한다.

이 접근법은 지속 가능한 식품 연구소의 다른 과학자들에 의해 개척되고 있다. 이들은 극심한 가뭄 상황에서도 견딜 수 있는 쌀과 밀을 개발중이다.

엑스레이 영상 작업은 노팅엄대 시설(Hounsfield Facility)에서 수행되었다.

시설 책임자 사차 문니(Sacha Mooney) 교수는 “최근까지 식물 과학에서 X 선 CT 또는 CAT 스캐닝의 응용은 주로 흙 아래 숨어있는 식물의 절반인 – 뿌리 -가 자랄 때이를 시각화하는 데 초점을 맞추어 왔다”며 “우린 다른 동료연구진과 협력해 식물 잎의 세포 구조를 3D로 시각화하는 기술을 개발했다. 잎 내부의 복잡한 공기 공간 네트워크가 어떻게 작동하는지 볼 수 있는 생동감을 볼 수 있다”고 말했다.