광수용체들의 특징과 메커니즘

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1. 피토크롬 (Phytochrome): 적색광의 마술사

피토크롬은 식물의 '눈'과 '시계' 역할을 동시에 수행합니다. 특히 적색광(Red)과 원적색광(Far-red)에 반응하여 구조가 변하는 광가역성이 가장 큰 특징입니다.

• 구조적 특징: 발색단(Phytochromobilin)과 아포단백질이 결합한 이합체(Dimer) 형태입니다.
• 전환 메커니즘:
  • Pr (비활성형): 적색광(660nm)을 흡수하면 Pfr로 변함.
  • Pfr (활성형): 원적색광(730nm)을 흡수하거나 암흑 상태에서 시간이 흐르면 다시 Pr로 돌아감.
• 생태적 의의: 숲의 하층부에서 상층 나무들이 적색광을 대부분 흡수해버리고 남은 원적색광만 도달할 때, 종자는 "지금은 싹을 틔울 때가 아니다"라고 판단하여 발아를 억제하는 전략을 씁니다.

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2. 청색광 수용체: 포토트로핀 & 크립토크롬

두 수용체 모두 청색광(Blue light)을 흡수하지만, 담당하는 주된 임무가 다릅니다.

포토트로핀 (Phototropin)

• 주요 기능: 운동과 관련된 제어를 담당합니다.
  • 굴광성: 빛이 오는 방향으로 굽어 자람.
  • 기공 개폐: 빛을 감지해 이산화탄소 흡수를 위해 문을 붊.
  • 엽록체 배치: 강한 빛으로부터 보호하기 위해 엽록체의 위치를 옮김.

크립토크롬 (Cryptochrome)

• 주요 기능: 생체 리듬과 발달을 담당합니다.
  • 일주기 리듬: 식물의 24시간 주기(내부 시계)를 동기화.
  • 생장 조절: 유묘의 웃자람 방지 및 개화 시기 조절.
• 특이사항: 동물(철새 등)에게서 자기장 감지 능력을 부여하는 광수용체로도 잘 알려져 있습니다.

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💡 정리 및 추가 포인트

수용체	반응 파장	주요 역할	특징적인 현상
피토크롬	적색광, 원적색광	발아, 개화, 밤의 길이 측정	광가역성 ($Prㅁ Pfr$)
포토트로핀	청색광, 자외선 A	굴광성, 기공 개폐, 엽록체 이동	운동 및 배치 조절
크립토크롬	청색광, 자외선 A	생체 리듬, 신장 억제	시계 조절 및 자기장 감지

 

추가 정보:

식물은 이 광수용체들을 통해 얻은 신호를 복합적으로 해석합니다. 예를 들어, 피토크롬이 '지금이 봄이다'라고 알려주면, 포토트로핀이 '해는 저쪽에 있다'고 알려주어 식물이 최적의 방향으로 자랄 수 있게 합니다.

 

식물에게 중요한 것은 '낮의 길이'가 아니라 '연속적인 밤의 길이(암기)'라는 점이 핵심입니다. 피토크롬은 이 밤의 시간을 측정하는 '모래시계' 역할을 합니다.

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3. 피토크롬 모래시계 원리: Pfr에서 Pr로의 전환

피토크롬은 두 가지 형태 사이를 왔다 갔다 합니다.

• 낮 동안: 햇빛(적색광 포함)을 받으면 비활성형인 Pr이 활성형인 Pfr로 빠르게 전환되어 축적됩니다.
• 밤 동안: 빛이 사라지면 Pfr은 서서히 비활성형인 Pr로 되돌아갑니다(암전환).

이때 Pfr이 Pr로 변하는 속도가 일정하기 때문에, 식물은 남아있는 Pfr의 양을 통해 밤이 얼마나 지났는지를 감지합니다.

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4. 식물 종류별 개화 조건

식물은 '한계 암기(Critical night length)'라고 불리는 기준 시간을 가지고 있습니다.

① 단일 식물 (Short-day plants / Long-night plants)

• 특징: 밤의 길이가 특정 기준(한계 암기)보다 길어야 꽃이 핍니다. (예: 국화, 도꼬마리, 코스모스)
• 메커니즘: $Pfr$은 단일 식물에게 개화 억제자로 작용합니다. 밤이 충분히 길어서 $Pfr$ 수치가 아주 낮아져야만 억제가 풀리고 꽃이 피게 됩니다.

② 장일 식물 (Long-day plants / Short-night plants)

• 특징: 밤의 길이가 특정 기준보다 짧아야 꽃이 핍니다. (예: 시금치, 무, 보리)
• 메커니즘: $Pfr$은 장일 식물에게 개화 촉진자로 작용합니다. 밤이 짧아서 Pfr이 완전히 사라지기 전에 해가 뜨면, 높은 수준의 $Pfr$ 농도가 유지되어 꽃을 피우는 신호를 보냅니다.

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5. '광중단(Night Break)' 현상의 비밀

밤의 길이가 중요하다는 가장 강력한 증거가 바로 광중단입니다.

• 긴 밤 중간에 아주 잠깐이라도 적색광을 비추면, 식물의 피토크롬은 순식간에 다시 $Pfr$ 형태로 바뀝니다.
• 식물은 "밤이 끝났다"고 착각하게 되어, 다시 처음부터 밤의 길이를 재기 시작합니다.
• 결과: 단일 식물은 밤이 끊겼으므로 꽃이 피지 않고, 장일 식물은 밤이 짧아진 것으로 판단하여 꽃을 피웁니다.

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💡 요약

식물은 시계처럼 Pfr이 줄어드는 양을 체크하며 가을(단일 식물)이 오는지, 봄(장일 식물)이 오는지를 알아챕니다.