Study on the Biosynthetic Characteristics of Photosynthetic Pigments in Dodder(Cuscuta australis R. Br.) Plant

실새삼의 광합성색소 생합성특성에 관한 연구

This study was conducted to investigate whether 1) photosynthetic pigments(chlorophylls and carotenoids) are formed in dodder plant(Cuscuta australis), 2) there are any characteristics in the pigment biosynthesis, compared to that of other normal plants, and 3) dodder responds to some herbicides having target site on chloroplast. 1. Chlorophyll content of dodder tendrill grown under a natural daylight was 9 times and 50 times lower than that of field bindweed stem and leaf, respectively. 2. The photosynthetic pigment contents varied in different tissues, being higher in a apical region than in a lower region of seedling or tendrill. Chlorophyll wasn't almost observed below the 4th internode from the upper. 3. Pigment contents were greatly dependent on light intensity so that there were 4 to 6 times difference among light conditions. When the shoot containning low pigment contents under natural light, was incubated in growth chamber with various light intensities, the pigment contents were increased by 3 times of initial contents at about 97${\mu}E$ $m^{-2}s^{-1}$PAR. While the change in pigment contents was not observed at above 450${\mu}E$ $m^{-2}s^{-1}$PAR 4. Exogenous supply of 5mM 5-aminolevulinic acid increased protochlorophyllide by 7 times and 1.4 times in the etiolated shoot from field bindweed rhizome and in dodder stem, respectively, showing that dodder relatively has a low response to 5-aminolevulinic acid. 5. Pigment loss was observed in the treatment of paraquat, norflurazon, oxyfluorfen and diuron, and protoporphyrin IX was accumulated by oxyfluorfen as in normal plants Based on above results, several chracteristics of pigment biosynthesis in dodder seem to be summerized as follows. Photosynthetic pigment biosynthesis in Cuscuta australis runs even in low level. The pigment contents is differentially distributed in different regions and their contents seem significantly to be controlled by light intensities. Especially, chloroplast rapidly tends to degenerate with the development of tissue. Some herbicides having target site on chloroplast induce damage to dodder stem but are unlikely to control it well in field, except paraquat, due to low chloroplast activity and parasitic mode of nutrition.

우리나라에서 자생하고 있는 실새삼에는 광합성색소 생합성과정이 존재하는지, 있다면 다른 식물에 비하여 어떠한 특징을 가지고 있는지를 알아보고 광합성색소 대사과정에 작용점을 가지는 제초제에 대하여 반응을 나타내는지를 확인하고자 실험하였다. 1. 야외의 자연광 조건에서 자라고 있는 실새삼 생육지의 엽록소함량은 메꽃 줄기와 비교하여 볼 때 9배가 낮았고, 메꽃 잎과 비교하여 볼 때는 약 50배 낮은 경향이었다. 2. 종자로부터 발아된 실새삼 유묘의 경우 선단부위가 색소함량이 가장 높았다. 생육지의 경우는 신장지(extension stem)에서 색소함량이 가장 높았고, 권지(twining stem), 선단 15cm 아래의 절간 순으로 엽록소와 카로티노이드 함량이 낮은 경향이었다. 그리고 생장이 계속됨에 따라 오래된 줄기에서의 엽록체 퇴화가 신속하게 일어나는 경향이었다. 3. 생육지의 색소함량은 광도에 따라 생체중 1g당 엽록소 함량이 20-170${\mu}g$까지, 카로티노이드 함량은 40-120${\mu}g$ 범위까지 변하는 경향이었다. 자연일장조건에서 채취하여 낮은 색소함량을 가진 줄기를 여러 광도에 24시간 둘 경우 91${\mu}Em^{-2}s^{-1}$PAR 내외의 광도까지는 초기색소함량의 3배까지 증가되었고, 광도가 456${\mu}Em^{-2}s^{-1}$PAR 이상에서는 엽록소 함량의 변화가 거의 없었다. 4, 5mM의 ALA를 외부에서 공급할 경우 메꽃의 근경으로부터 나온 신초에서는 Pchlide가 7배 이상 증가되었으나 실새삼 생육지 선단에서는 40% 정도만 증가되었다. 한편 ALA를 공급한 후 저광도에 둘 경우 미미한 엽록소 증가경향만 보여 상대적으로 실새삼은 ALA에 대해 매우 둔감한 특정을 보였다. 5. Paraquat, norflurazon, oxyfluorfen, diuron 등의 제초제를 처리할 경우 모든 처리에서 색소소실이 관찰되었다. 아울러 oxyfluorfen을 처리하면 일반식물에서와 같이 protoporphyrin IX의 축적도 얼어났다. 이상의 결과로 볼 때 실새삼은 낮은 수준이지만 엽록소 및 카로티노이드 생합성과정이 정상적으로 작동되나 조직부위별로 그 수준이 다르고 주변환경의 영향 특히 광도에 따라 크게 조절되고 성장함에 따라 하부조직에서의 엽록체 퇴화가 빠른 특징을 보였다. 색소대사 과정에 작용점을 가지는 제초제들에 대하여 제초반응은 나타내지만 낮은 수준의 광합성색소 생합성 능력과 기주식물로부터의 영양분 탈취라는 특성을 고려하여 볼 때 탁월한 제초효과를 보여주지는 못할 것으로 생각되었다.