식물이 효율적인 광합성을 하기 위한 조건
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2026-05-13 11:10:08
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- 광합성은 상대적으로 낮은 광도에서 가장 효율적으로 작동, 높은 광도에서는 효율 낮다.
- 광 조건이 너무 자주 변하면 조절 메커니즘이 빠르게 반응하지 못해 식물이 스트레스 받아
- 유전적 적응 잘 하도록 인위적 스트레스 가해 돌연변이 발생 유도
- 돌연변이는 작물의 광 스트레스 저항성을 높이고 더 넓은 범위의 빛 활용 가능성 높아져
식물은 광합성을 통해 빛으로부터 물과 이산화탄소를 당과 산소로 전환한다. 그러나 식물은 빛 스펙트럼의 일부만을 이용할 수 있다. LMU(뮌헨 루드비히 막시밀리안 대학교)의 다리오 라이스터(Dario Leister)는 "광합성은 상대적으로 낮은 광도에서 가장 효율적으로 작동하며, 높은 광도에서는 효율이 낮아진다. 광 조건이 너무 자주 변하면 조절 메커니즘이 충분히 빠르게 반응하지 못해 효율이 떨어지고 결과적으로 수확량이 감소한다"고 설명했다.
남세균의 가속 진화
구름, 그늘, 밝은 햇빛이 끊임없이 상호작용하는 야외에서 자라는 작물은 변동하는 빛 조건에 노출되며, 이에 적응해야 한다. 생산성을 높이는 한 가지 방법은 이러한 적응을 촉진하는 것이다. 라이스터는 제1저자인 테오 피게로아-곤잘레스(Theo Figueroa-Gonzalez)가 이끄는 연구팀과 함께 빛 스트레스를 완화할 수 있는 유전적 전략을 연구했다. 그들은 세대 시간이 짧아 가속 진화를 시뮬레이션할 수 있는 모델 생물로 시네코시스티스(Synechocystis) 속의 남세균을 사용했다.
실험에서 연구팀은 남세균에 급격하게 변동하는 빛의 강도를 가하여 스트레스를 주었다. 라이스터는 "수 분마다 강하고 약한 빛의 강도가 번갈아 나타나는 이러한 조건은 광합성을 방해하고 광합성계를 손상시킨다"고 설명했다. 이러한 불리한 환경에 대응해 시네코시스티스 세포에서는 수많은 자연 돌연변이가 발생하여 광합성에 필수적인 여러 생체 분자의 활성과 양에 영향을 미쳤다. 여기에는 단백질-색소 복합체인 광합성계 I과 II, 그리고 광합성 안테나 복합체가 포함된다.
자연 돌연변이
이러한 유전적 적응 덕분에 남세균은 극심한 광 조건 변화에 더욱 강해져 원래 균주에게는 치명적이었던 조건에서도 생존할 수 있게 되었다. 또한, 강한 빛 아래에서 광합성 효율이 향상되었다. 이와 유사한 돌연변이는 작물의 광 스트레스 저항성을 높이고 더 넓은 범위의 빛을 활용할 수 있도록 할 가능성이 있다. 라이스터는 "우리가 개발한 개량된 시네코시스티스 계통에는 유전자 편집을 통해 관련 종으로 전이할 수 있는 점 돌연변이가 포함되어 있다"며, "새로운 EU 법률 제정으로 인해 이러한 변형은 앞으로 유전자 변형으로 간주되지 않을 가능성이 높다. 또한 이 접근 방식은 자연적인 과정을 더욱 잘 반영한다"고 말했다.
이러한 유전적 적응은 작물이 빛 스트레스에 더 잘 견디도록 하고 더 넓은 범위의 빛 파장을 활용할 수 있게 해줄 가능성이 있다. 남세균은 육상 식물과 유전적으로 충분히 가깝지 않기 때문에 직접적인 유전자 도입은 아직 불가능하다. 라이스터는 "다음 단계는 현재 연구에서 사용한 접근 방식을 재배 식물과 유전적으로 훨씬 더 가까운 진핵 조류로 확장하는 것이다"고 설명했다.
출처: Theo Figueroa-Gonzalez (Ludwig Maximilian University of Munich) et al., Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-026-72689-x
- 광합성은 상대적으로 낮은 광도에서 가장 효율적으로 작동, 높은 광도에서는 효율 낮다.
- 광 조건이 너무 자주 변하면 조절 메커니즘이 빠르게 반응하지 못해 식물이 스트레스 받아
- 유전적 적응 잘 하도록 인위적 스트레스 가해 돌연변이 발생 유도
- 돌연변이는 작물의 광 스트레스 저항성을 높이고 더 넓은 범위의 빛 활용 가능성 높아져
식물 연구: 변동하는 광 조건에 대한 더 나은 적응
식물이 효율적인 광합성을 하려면 적당한 강도의 일정한 광 조건이 필요하다. 빛이 크게 변동하면 식물은 스트레스를 받는다. 남세균을 이용한 실험을 통해 광합성 유기체가 필요에 따라 이러한 어려움에 유전적으로 적응하는 방식이 밝혀졌다. 이 연구 결과는 작물의 광합성 최적화에도 기여할 수 있다.
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| ▲ 변화하는 빛 조건은 식물의 광합성에 어려움을 준다. © David Bartus/pixnio |
식물은 광합성을 통해 빛으로부터 물과 이산화탄소를 당과 산소로 전환한다. 그러나 식물은 빛 스펙트럼의 일부만을 이용할 수 있다. LMU(뮌헨 루드비히 막시밀리안 대학교)의 다리오 라이스터(Dario Leister)는 "광합성은 상대적으로 낮은 광도에서 가장 효율적으로 작동하며, 높은 광도에서는 효율이 낮아진다. 광 조건이 너무 자주 변하면 조절 메커니즘이 충분히 빠르게 반응하지 못해 효율이 떨어지고 결과적으로 수확량이 감소한다"고 설명했다.
남세균의 가속 진화
구름, 그늘, 밝은 햇빛이 끊임없이 상호작용하는 야외에서 자라는 작물은 변동하는 빛 조건에 노출되며, 이에 적응해야 한다. 생산성을 높이는 한 가지 방법은 이러한 적응을 촉진하는 것이다. 라이스터는 제1저자인 테오 피게로아-곤잘레스(Theo Figueroa-Gonzalez)가 이끄는 연구팀과 함께 빛 스트레스를 완화할 수 있는 유전적 전략을 연구했다. 그들은 세대 시간이 짧아 가속 진화를 시뮬레이션할 수 있는 모델 생물로 시네코시스티스(Synechocystis) 속의 남세균을 사용했다.
실험에서 연구팀은 남세균에 급격하게 변동하는 빛의 강도를 가하여 스트레스를 주었다. 라이스터는 "수 분마다 강하고 약한 빛의 강도가 번갈아 나타나는 이러한 조건은 광합성을 방해하고 광합성계를 손상시킨다"고 설명했다. 이러한 불리한 환경에 대응해 시네코시스티스 세포에서는 수많은 자연 돌연변이가 발생하여 광합성에 필수적인 여러 생체 분자의 활성과 양에 영향을 미쳤다. 여기에는 단백질-색소 복합체인 광합성계 I과 II, 그리고 광합성 안테나 복합체가 포함된다.
자연 돌연변이
이러한 유전적 적응 덕분에 남세균은 극심한 광 조건 변화에 더욱 강해져 원래 균주에게는 치명적이었던 조건에서도 생존할 수 있게 되었다. 또한, 강한 빛 아래에서 광합성 효율이 향상되었다. 이와 유사한 돌연변이는 작물의 광 스트레스 저항성을 높이고 더 넓은 범위의 빛을 활용할 수 있도록 할 가능성이 있다. 라이스터는 "우리가 개발한 개량된 시네코시스티스 계통에는 유전자 편집을 통해 관련 종으로 전이할 수 있는 점 돌연변이가 포함되어 있다"며, "새로운 EU 법률 제정으로 인해 이러한 변형은 앞으로 유전자 변형으로 간주되지 않을 가능성이 높다. 또한 이 접근 방식은 자연적인 과정을 더욱 잘 반영한다"고 말했다.
이러한 유전적 적응은 작물이 빛 스트레스에 더 잘 견디도록 하고 더 넓은 범위의 빛 파장을 활용할 수 있게 해줄 가능성이 있다. 남세균은 육상 식물과 유전적으로 충분히 가깝지 않기 때문에 직접적인 유전자 도입은 아직 불가능하다. 라이스터는 "다음 단계는 현재 연구에서 사용한 접근 방식을 재배 식물과 유전적으로 훨씬 더 가까운 진핵 조류로 확장하는 것이다"고 설명했다.
출처: Theo Figueroa-Gonzalez (Ludwig Maximilian University of Munich) et al., Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-026-72689-x
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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