식물의 수분 관계 및 운반

식물은 펌프의 박동 대신 수분 포텐셜과 압력의 기울기를 이용하여 토양에서 대기로 막대한 양의 물을 이동시키고, 잎에서 생장 조직으로 당을 이동시킵니다.

Definition

식물의 수분 관계는 수분 포텐셜의 기울기를 따라 물이 식물 안으로, 식물을 통해, 그리고 식물 밖으로 어떻게 이동하는지를 설명하며, 운반은 물관부에서 물의 장거리 이동과 체관부에서 당의 장거리 이동을 포함합니다.

Scope

이 주제는 수분 포텐셜과 그 구성 요소, 삼투와 팽압, 뿌리에 의한 수분 흡수, 물관부 운반의 응집-장력 메커니즘, 증산의 기공 조절, 그리고 체관부에서 당의 압력-유동 전이(pressure-flow translocation)를 다룹니다.

Core questions

• 수분 포텐셜은 토양, 식물, 공기 사이의 물 이동을 어떻게 조절합니까?
• 어떤 메커니즘이 물을 키 큰 나무의 꼭대기까지 끌어올릴 수 있게 합니까?
• 기공은 탄소 획득과 수분 손실 사이의 균형을 어떻게 맞추며, 체관부에서 당은 어떻게 전이됩니까?

Key theories

응집-장력설

잎에서의 증산은 물관부 수액에 장력을 가합니다. 물 분자의 강한 응집력과 혈관벽에 대한 부착력은 이 장력을 뿌리까지 전달하여 물을 위로 끌어올립니다.

체관부 운반의 압력-유동 모델

공급원에서 체관부로 당을 적재하면 수분 포텐셜이 낮아지고 물이 유입되어 압력이 상승합니다. 이 압력은 당이 하역되고 압력이 떨어지는 저장소로의 대량 유동을 유도합니다.

Mechanisms

물은 용질(삼투) 포텐셜과 압력(팽압) 포텐셜의 합인 낮은 수분 포텐셜을 향해 수동적으로 이동합니다. 뿌리에서 물은 카스파리대(Casparian strip)에 의해 조절되는 아포플라스트(apoplastic) 및 심플라스트(symplastic) 경로를 통해 물관부로 들어갑니다. 엽육 세포(mesophyll cell)로부터의 증산은 음압을 생성하며, 이 음압은 응집성 수주(cohesive water column)를 통해 물관부를 거쳐 토양으로 전달됩니다. 공변세포(guard-cell)의 팽압에 의해 열리는 기공은 CO2 흡수와 수분 손실 사이의 균형을 조절합니다. 체관부에서는 공급원(source)에서의 활발한 당 적재(loading)가 팽압을 높이고, 압력에 의해 구동되는 대량 유동(bulk flow)을 유도하여 저장소(sink)로 이동합니다.

Clinical relevance

수분 관계는 작물의 가뭄 내성 및 관개 필요성을 좌우합니다. 증산, 기공 행동, 그리고 수분 이용 효율을 관리하는 것은 제한된 수분 조건에서 식량을 생산하고 건조해지는 기후에 대한 식물의 반응을 예측하는 데 중요합니다.

History

딕슨(Dixon)과 졸리(Joly)는 1894년경 수액 상승의 응집-장력설(cohesion–tension theory)을 제안했으며, 1920년대 뮌히(Münch)의 압력-유동 가설(pressure-flow hypothesis)은 체관부 운반을 설명했습니다. 이 두 가지 모두 현재까지 받아들여지는 틀로 남아 있습니다.

Key figures

• Stephen Hales
• Henry Dixon
• Ernst Münch

Seminal works

• taiz2015
• raven2013

Frequently asked questions

수분 포텐셜이란 무엇입니까?

수분 포텐셜은 단위 부피당 물의 자유 에너지 측정값입니다. 물은 자발적으로 높은 수분 포텐셜 영역에서 낮은 수분 포텐셜 영역으로 이동하며, 식물에서는 용질 농도와 물리적 압력을 결합합니다.

가뭄 시 기공은 왜 닫힙니까?

수분 스트레스 하에서 호르몬인 앱시스산(abscisic acid)은 공변세포의 팽압 손실을 유발하여 기공을 닫게 합니다. 이는 이산화탄소 흡수 및 광합성 감소를 대가로 물을 보존하기 위함입니다.