이영숙,최배영
저자:이영숙
식물생리학자.식물이지닌여러기능의근본원리를유전자수준,세포수준,개체수준에서연구하고있다.서울대학교식물학과에서학사와석사학위를,미국코네티컷대학교에서박사학위를받았다.이후하버드대학교연구원을거쳐1990년부터2022년까지포항공과대학교에서연구하며제자들을가르쳤고,한국식물학회부회장,《뉴파이톨로지스트》편집자,국가과학기술자문위원으로도활동했다.특히식물의생장과발달에필수적인식물ABC수송체유전자들에관한연구로국제적인명성을얻어미국식물학회의교신회원상,미국학술원의코차렐리상을수상했고,국내에서도한국과학상,삼성행복상창조상등많은상을받았다.매일오후포항철길숲을반려견과함께산책한다.
저자:최배영
생물정보학으로식물의생리학을연구하는식물학자.다양한식물의유전체정보를해독하고,이를통해식물의생리학적반응을시스템생물학적으로해석하는연구를하고있다.울산과학기술원나노생명화학공학부를숨마쿰라우데로졸업하고,포항공과대학교생명과학과에서식물생리학으로박사학위를받았다.포항공과대학교우수졸업논문상,한국식물생명공학회신진과학자상을수상했으며,현재는충남대학교생명과학과에서전임연구원으로근무하고있다.매주토요일동호회사람들과바둑을포함한보드게임을즐긴다.
머리말
1부 식물과이웃식물의사회생활
1장 식물들의협조
식물은서로연결되어돕는다|식물은모두가병충해의보초를선다|유모역할을하는식물|식물도친족을알아본다?|식물이친족과남을구별한다는분자적증거
2장 식물들의경쟁
빛을얻기위한경쟁|빛을가려서토착종을밀어낸외래침범종|식물은이웃식물보다키가커야유리한가?|빛을얻기위해걸어다니는야자나무?|식물도공간을더많이차지하려고경쟁한다|내옆에오지마:타감작용|타감작용으로토착종을밀어낸외래종|타감작용의응용
3장 식물들의기생
남의영양분을빨아먹는기생식물|농업에큰피해를주는기생식물스트리가|스트리가의피해를줄이기위한연구|기생식물이붙지못하게하려는숙주식물의작전
2부 식물과미생물
4장 미생물과공생하는식물
식물과미생물의공생의기원|식물의생장에도움을주는미생물|식물-미생물총의형성|식물과곰팡이의공생:균근의형성|식물이곰팡이와공생하며잃는것과얻는것?|식물과질소고정박테리아의공생|뿌리혹의형성과정|식물이뿌리혹을관리하는방법|뿌리혹에서일어나는물질교환|질소고정박테리아를농업에이용하기
5장 식물과미생물의전쟁
미리준비하는기본적방어|병균이침범하였을때식물의대응|식물이병균의침임을알아차리는방법|병균의침입을알아차린후에시작하는식물의방어기작|식물에침입하는병균의작전
6장 식물은어떻게이로운미생물과해로운미생물을알아보나
공생이먼저인가방어가먼저인가|공생균이식물의방어기작을회피하는방법|공생균과병원균을구분하는벼|상처가생긴때만병균민감성을올리는방법
3부 식물과동물
7장 식물과곤충의관계
식물의번식을돕는곤충|곤충을속여꽃가루를나르게하는절묘한방법|식물과공진화한개미|식물을먹는해충과식물의전쟁|식물의곤충방어작전|식물이곤충을방어하는방법들|곤충에대항하는휘발성물질들|해충이서로잡아먹도록유도하는방법|식물이해충을방어하기위해만드는화학물질들|식물의해충방어의분자적기작을밝히는방법|곤충에대항하는식물단백질들|곤충을막기위한위장술|곤충의침입을막기위한염생식물의방광세포|움직여서곤충을쫓는식물|곤충이낳은알에식물이반응하는기작|곤충을방어하는데에얼마나투자해야하나?|곤충이식물의방어를극복하는방법|식물과곤충의관계에관한지식을농업에응용|곤충을잡아먹는식충식물|식충식물의기원과멸종위기
8장 식물과척추동물의관계
식물이먹이고부리는초식척추동물|초식동물에대한식물의방어기작|초식동물들이식물의다양성에미치는영향|식물,초식동물과육식동물의삼자관계|기후변화에따라변화하는식물과초식동물의관계
4부 식물과사람
9장 사람이재배하는식물인농작물
식물이농작물이되면서변화한것|농사를하려면농약을쳐야하는이유|농사를하려면비료를줘야하는이유|농약과비료의문제점|농작물에물을많이줘야하는이유|관개와관개시설의문제점
10장 농작물로개량된식물에일어난유전적변화
농작물화과정에서변화한유전자들을찾는방법|농작물화과정에서변화한유전자들의예시|농작물화에기여한유전자를이용하는방법
11장 농업이사람들에게미친영향
12장 사람들이만든지구환경의변화와식물
지구온난화와농업|대기중이산화탄소농도증가에따른식물의성장변화|대기중이산화탄소농도증가와농업|대기중이산화탄소농도증가와식물의다양성|식물의멸종속도|농작물의다양성을유지하기위한노력|전체식물의다양성을유지하기위한노력|대체육은식물다양성을보존하는데도움이될까?
13장 미래의식물과사람의관계
우주에서식물을재배할수있을까?|미래에는어떤식물을재배하게될까?|외래유전자를이용한우수한농작물개발|GMO가환경에끼치는영향에관한지나친염려|유전자가위기술과그기술의장래성|유전자가위기술을이용하여개량한작물|작물의생산량을높이기위한연구사례|수직농법은미래농업의대안인가?|환경에좋은농업이가능한가?
맺음말
감사의말
부록:최근에발달한생화학,유전학,계통학분야기술
참고문헌
그림출처
한곳에뿌리내린식물이
다른식물,미생물,동물,인간과맺는
친밀하거나적대적인모든관계
“도울것인가,싸울것인가,이용할것인가”
두식물학자가그리는
식물들의거대하고도경이로운네트워크!
지속가능한삶을위해
보호해야하는식물의사회생활
다른생명체를이용하는
다양하고도독창적인식물의생존법
2020년노벨화학상을수상한제니퍼다우드나와에마뉘엘샤르팡티에.두과학자는유전자를잘라새로운작물을만들거나질병을치료할수있는‘크리스퍼카스9’원천기술을개발했다.이기술은곰팡이,해충,가뭄에견디는식물을개발하게했고,새로운암치료법의가능성을제기하기도했다.이처럼최근과학계는생화학,유전학,계통학분야기술에특히주목하고있다.염기서열을분석하는DNA시퀀싱기술과대사물질을분석해숨어있는돌연변이체를찾아내는메타볼로믹스기술도눈부시게발전중이다.과학계는왜이런식물을활용하는기술에주목하는것일까?
식물은지구생태계를만들어낸기반이다.식물들은나름의사회생활을통해경쟁하고,협력하고,방어하며살아남았다.우리가알지못하는식물들의생존방법은무궁무진하다.다른생물과관계를맺으며식물의내부,외부에서일어나는변화를알고있는것은사회적동물인인류에게도분명히유용한정보다.식물에관한꾸준한연구로,현재인류는식물과여러생명체가맺어온이관계가어떤생화학물질을분비하는지,어떤유전자가관여하는지,어떤진화적단계를거치고있는지알수있다.그리고인류는이를이용해새로운사회생활방법과생존법을모색하고있다.이는곧모든생명체가조화롭고지속가능한삶을살아가게하는힌트를제공할것이다.
우리가알지못했던
식물의사회생활
우리는사람만이다른생물과관계를맺는사회적동물이라고생각하지만,식물도사람들처럼사회생활을한다.한자리에가만히서있는것처럼보이는식물은어떻게사회생활을하는걸까?생존에위협이많은환경에서움직이지도못한채로식물이생존하고번식하기란절대쉬운일이아닐것이다.그러나지구대부분이여전히녹색으로덮여있는것을생각하면,식물들은이러한사회생활을제법잘해내고있는듯하다.
먼저식물은자신과같은식물들과사회생활을한다.그외에도식물은박테리아,바이러스,곰팡이,곤충,동물,사람과도관계를맺는다.식물은지구상의대부분생명체가살아가는데필요한물질을만들어내고있으므로생명체들은식물에의존한다.그러나식물이일방적으로모든것을주기만하는것은아니다.식물도생존을위해다른생명체를이용한다.식물은박테리아나곰팡이들과공생관계를맺어영양분을얻기도하고,생식을위해곤충을이용하기도한다.또,독성물질을만들어병균이나초식동물의공격에대항하고,이런식물에대항해생명체들은이독성물질들을해독하는방법을고안해내기도한다.식물은동물과사람들에게도유용한자원이다.사람들은식물이만든환경에서양식과주거지를얻었고,농업과산업을발달시켜엄청난발전을이루었다.이모든생태계기반에는식물이자리한다.즉,식물이맺는여러다양한관계로지구생태계는끊임없이변화하며풍요로워진것이다.
서로돕기도하고
경쟁하기도하는식물들
식물이살아가기위해서는빛과물,그리고무기영양분이필요하다.식물은다른식물과이자원들을얻기위해경쟁한다.식물주변에다른식물이많으면그식물이광합성에좋은적색광을흡수하기때문에식물이받을수있을전체빛의양이감소한다.식물은더충분한빛을얻기위해서‘파이토크롬’이라는푸르스름한색의단백질을생성한다.파이토크롬은그늘인식외에도잎면적이나꽃피는시기를조절하기도하는데,이렇게파이토크롬은환경을인식한뒤식물줄기를길게자라게해서그상황을피하도록한다.식물은지하에서도생존경쟁을겪는데이를위해식물은뿌리에서타감작용물질을분비한다.이물질들은이식물주변에다른식물들이자라지못하도록하는타감작용현상을일으켜생존에유리한방법을마련한다.
이처럼식물이서로경쟁한다는것은이미알고있는사실이다.그러나최근연구에서는놀랍게도식물들이생존을위해협조하고있음이밝혀졌다.땅속세계에서식물들은촘촘하게연결되어큰공동체를이루고,서로를돕는다.이를가능하게하는것이바로균근균이다.‘균근균’이란식물의뿌리에서공생하는곰팡이들로,이렇게식물뿌리에곰팡이가들어와서살아가는구조를‘균근’이라고한다.식물은균근균과공생하며다른식물과물리적으로접촉한다.곰팡이는가느다란균사를만들며자라는데,균사는표면적이무척넓어땅속곳곳에있는질소염,칼리,인산등의무기영양분을흡수할수있다.이런균근균의균사가여러식물의뿌리를연결해식물공동체를만든다.식물공동체는균사를통해다른식물의상처신호나병원균신호를공유하기도하고,다른식물로당을보내주기도하고,성장한나무는어린나무에게초기성장에필요한영양분을제공한다.또,나무들은환경조건이나빠지면주변나무와균근연결을더욱강화해환경적스트레스를이겨내기도한다.협조란식물이고안한적극적이고영리한생존법인것이다.
지구생태계의기반을
이루는식물의사회생활
식물은종을막론하고많은생물체와공생했다.식물과공생한역사가가장긴것은바로미생물,즉곰팡이다.4억5,000만년전부터내생균근균이라는곰팡이는초기육상식물과서로생존을도왔다.많은미생물은흙속에있는복잡한물질을분해해서식물이흡수가능한물질로만들었으므로,당시지상에서영양분을찾기어려웠던식물에게미생물은반드시필요한존재였을것이다.지금도여전히식물들은미생물과공생하는데,가장대표적인것이질소고정박테리아다.식물들은질소고정박테리아를길러미생물이고정한질소를받고그대가로미생물들에게당과유기산,그리고질소고정을위해필요한산소가없는환경을제공한다.뿔이끼와우산이끼,물고사리과의일종인단백풀,겉씨식물중소철류등은특별한조직을만들지않고체내공간에질소고정박테리아를기른다.한편콩과식물은뿌리혹이라는특수한조직을만들어박테리아가들어올수있는환경을만들기도한다.이뿌리혹에서박테리아는계속자라고분열하며질소고정에필요한유전자들을발현하며식물과공생한다.
그러나미생물과의공생에따라오는부작용도있다.식물은미생물과의공생을위해세포벽을만드는데이곳으로병균도침입하기때문이다.병균이침입하면성장에자원을투자하던식물은이를중지하고방어에집중한다.병균이식물을공격하는것에대한방어반응도여러가지가있는데,대표적으로는활성산소를많이만들어병균을죽이고,병균이침입한부위의식물세포도죽여병균이더이상퍼지지않게하는과민반응이있다.다른방법은독성화합물질인파이토알렉신을합성해식물자신을보호하거나,질병관련단백질을합성해침입한병원체를오히려공격하는방법이다.또,식물의주요호르몬인살리실산과자스몬산의합성을촉진해면역반응을일으키고식물의다른부위로신호를보내추가적병균의침입을막는전신획득저항성을일으키기도한다.
먹고먹히며
살아남고살아가다
식물은곤충과도공생한다.곤충이식물의꽃가루를옮겨준것은약1억년전후부터였던것으로보이는데,이시기부터식물과곤충을서로를도우며번성했다.약20만종의동물이꽃가루를옮겨주는데,대부분곤충으로꿀벌,호박벌,말벌외에나비,나방,파리,개미,딱정벌레등도포함된다.한편,개미는사람처럼식물을재배하기도한다.남태평양피지섬의열대우림에서식하는개미들은스쿠아멜라리아라는식물의종자를모아햇빛이잘비치는장소에심는다.이식물에게개미들은영양분을공급하고이식물의덩어리줄기는여왕개미와25만마리의일개미가함께사는개미의집이된다.
물론곤충의50퍼센트이상은식물을먹기도한다.곤충은종류에따라잎,체관액,뿌리,식물의영양분등을먹는다.식물은큐티클층,분비모,표피층,껍질등물리적장벽으로곤충을방어하기도하고,방어호르몬을분비하는생화학적방법도사용한다.가령토마토는시스테민이라는펩타이드를분비하는데,토마토가상처를입으면이물질이식물전체로퍼지고단백질소화효소억제제의합성을유도해곤충이잎을잘소화하지못하도록만든다.이방어기작은식물이초식동물에대항할때도유사한양상을보인다.
이렇게식물이여러방어기작으로대항하고있지만,곤충과동물은식물이있어야만생존할수있다.따라서식물의서식환경에의해생물체의개체종류와개체수가정해지고이는또다시식물의생장에도영향을준다.가령,대형초식동물이많은곳에는가시나화학물질을써서방어하는식물이살아남는다.반면소형초식동물은나무가빽빽한숲으로가지않고평야에있는작은키나무를주로먹기때문에,작은키나무가사라져생긴빈자리에는또다시큰키나무가들어오기도한다.이처럼식물은모든생명체의형태와분포에영향을주며지구생태계를이루는기반이되고있다.
식물의사회생활이
인간의삶에미치는영향
식물은인간의삶에도지대한영향을끼친다.현재인류는약150종의농작물을재배하고있다.재배되는농작물들은조상이었던야생식물보다종자와과일이커지고,당도가높으며,색이선명하고,독성이제거되었다.떫고,독성이있으며,곁가지가많으며,쉽게종자가흩어져야만생존에유리했던야생식물을사람들이개량하면서일어난변화다.농작물로식물이개량되면서조상식물과농작물의유전자형질에어떤변화가있었는지에관한연구가진행되었고,이연구를활용해인간은또다시선호하는품종의작물을개발하고있다.게다가인간은비료와농약을사용해생산량을높이고,단일재배와관개시설의설치를통해일정하게농작물의품질을관리해왔다.이처럼사람들에게유용한식물은기술의발전으로더많이재배되고있으나,이런농작물조차사람의관리없이는살아남기어려워졌으며다른야생식물은서식지를빼앗겨다양성이줄어들어멸종위기에놓이게되었다.
인간으로인해지구환경은더빠르게변화했고,이는식물의사회생활을혼란하게만들기도한다.기후위기와온난화로인해지구의많은생명은기존과다른생존방법을모색하고있으며,이는식물도다르지않다.그러나식물이멸종되면인간도살아남을수없다.이미지구곳곳에서는기후위기와온난화로,여러문제가발생하고있다.이처럼최근위기가감지되자인류는식물의다양성을유지하며환경을되살리기위해최대한농지를줄이고스마트팜을개발하거나,채식혹은대체육을개발해사료로사용되는농작물을줄이려는노력을하고있다.또,신기술을이용해기후변화를막을수있는새로운식물이만들거나혹은산업용원료가되는식물을개발중이다.그외에도미세조류를양식해농작물의비중을줄이거나,외래유전자를이용해우수한질의식품재료를만들려는시도도진행중이다.이모든시도는식물이어떤사회생활을하고있는지파악하고,작고사소한질문일지라도과학적진실을찾아내기위해인류가꾸준히노력하면서얻은결과이기도하다.
식물들은여러생물과협조하거나자신을방어하는,두가지사회생활에성공한개체만이살아남았다.생존을위해서는공생하고변화에적절히대응해야만하는것이다.어두운미래만이예측되는현재지구상에서인류가생존하기위해서는역시다른생물체와공생하고변화에대응해야한다.그첫걸음은,바로식물의관계맺음에관해질문하고탐구하는것에서부터시작해야할것이다.