광합성 세균의 특징중의 하나로서 색소를 함유하고 있는데 이들 색소는 Bacteriochlorophyll과 carotenoids 색소에 유래하는 것이다. Carotenoid의 생체내에서 많은 기능 가운데 주된 기능은 광산화의 Protector로서 뿐만 아니라 광합성시의 방사에너지의 보조흡수체 임이 밝혀지고 있다.(중략)
광합성 세균의 수소생성 기작에 대한 연구의 일환으로 광합성 세균에서 생성되는 색소의 성분을 조사하였다. 분리한 광합성 세균 K-7은 수소생성능이 뛰어난 균주로 조사된 홍색 비유황세균으로서 생리, 형태 및 배양학적 조사에 의하여 Rhodopseudomonas spheroides로 분류하였다. Type culture인 Rhodopseudomonas spheroides NCIB 8253과 비교 연구하였으며, SEM(Scanning Electron Microscope)하에서 기존균주와 분리균주의 형태학적인 특징을 확인하였다. 군 동정의 주요열쇠가 되는 색소성분을 조사한 결과, 균주 K-7에서 추출된 carotenoids로는 spheroidene의 산화형태인 OH-spheroidenone이 주성분이었고, Neurosporene, Lycopene, Anhydro- rhodovibrin, Rhodovibrin등이 동정되었다.
서울 남산과 강원도 백적산의 신갈나무 숲의 잎의 광합성 색소함량, 광합성능 및 증산율을 현장에서 측정하여 비교하였다. 서울 남산의 신갈나무의 광합성능, 광합성 색소함량 및 비엽면적이 강원도 백적산의 것보다 낮았다 신갈나무 잎의 광합성 색소함량은 6월초에 강원도 백적산보다 서울 남산이 많았으나 그 이후에 후자에서 적었고 두 지역 모두 시간이 경과함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 8월 이후에 서울 남산의 신갈나무 잎의 일부에서 반점이 출현하였다. 비엽면적은 서울 남산의 것에서 작았다. 잎의 광합성능은 서울 남산에서 7∼9 월에 더 낮았다.
디노프라젤레이트(dinoflagellate)들의 광채취색소단백질들은 안데나색소복합체들 내에서 카로테노이드(페리디닌)로부터 크로필 a로 실질적으로 100%의 효율을 갖는 에너지전달현상을 보여준다. 이와같이 디노프라젤레이트에서 광합성을 위한 태양에너지의 채취가 (특히 청(靑)색광에서) 높은 효율로 일어나는 것은 단백질표면의 갈라진 틈안에 위치한 페리디닌과 프로로필 a의 독특한 분자배치에 기인하는 것이다. 고등식물에서 가로테노이드와 크로로필 a 사이에 일어나는 에너지 전달메카니즘에 관해서도 디노프라젤레이트 안데나 색소복합체들과 비교해서 고찰하였다. Algae에서 광합성을 위한 태양에너지, 특히 적(赤)색광의 채취를 다룬 하나의 예로서 Chroomonas Species의 보조광합성색소단백질인 크로오오 모나스 피코시아닌의 분자토포그라피와 에너지전달도 역시 고찰하였다.
벼의 엽색은 시비시기를 결정하는데 주요한 인자로써 가시부 영역에서 해석하고, 이들 엽색을 지배하는 광합성색소는 T.L.C.로 분리하여 검토하였다. 1. 벼의 엽색은 413, 432, 453nm(청색부)와 662nm(적색부)에서 흡광되였고, 그 중에서 최대흡광은 432, 662 nm 이었다. 2. 양흡광도비(청색부/적색부)는 벼 생태형간에는 근 차이는 없었으나. 비료간에는 비료양이 증가할수록 적었다. 3. 양흡광도비와 엽색도 및 엽록소함량과는 부의 유의상관이 인정되었다. 4. 광합성색소 조성비율은 출수기에서는 녹색계통색소, 출수후 30일에는 황색계통색소의 조성비율이 각각 컸다. 5. 벼 생태형별 광합성색소율 Chl. a의 조성비율은 출수기에는 다수계품종이 일반계품종보다 컸고, 출수후 30일에는 일반계품종이 다수계품종보다 컸으나, carotene는 그 반대이었다.
식물체에서 일어나는 유전자 발현의 광조절 현상은 매우 복잡하다. 이는 각 유전자들이 조직에 따라 질적, 양적, 시간적 측면에서 빛에 대한 반응에 커다란 차이점을 보이고 있기 때문이다. 따라서 식물체를 대상으로 광조절 기작을 연구하는 데는 현상의 복합성과 실험과정의 기술적, 시간적, 경제적 제약이 많기 때문에 이에 관한 연구가 아직 초보적 수준에 머물고 있다. 광합성 세균 중에서 purple bacteria나 green bacteria와는 달리 식물성 광합성을 하며, 식물체보다 세포구조가 훨씬 간단한 cyanobacteria는 유전자 발현의 광조절 기작을 연구하는데 간단, 명료한 'model'로서 기대되는 바 크다. 따라서 이 글에서는 cyanobacteria의 광계와 광합성 색소인 chlorophyll의 생합성 과정을 중심으로 광조절 현상에 대한 최근 연구 동향과 전망을 살펴보고자 한다.
다양한 색소체 내에 형성되는 결정체와 미세소관의 분포 및 발달양상을 식물이 수행하는 광합성 양식과 연계하여 꽃피는식물 종들에서 밝혀진 결과에 의하면, 색소체 결정체는 대개 격자 구조를 이루며 기질 또는 티라코이드 내에 형성되나, 미세소관은 비교적 규칙적인 형태로 기질에만 발달한다고 알려져 있다. 격자구조는 막으로 둘러싸이거나 막과는 무관하게 발달하며, 계통학적인 유연관계를 형성하지 않고 C-3 또는 C-4 또는 CAM 광합성을 수행하는 26개의 식물과, 약 56종에서 독립적으로 나타난다는 사실이 조사되었다. 색소체 결정체 및 미세소관 형성에 대한 지속적인 연구는 이들의 구조와 기능에 대하여 새로운 정보를 제공하나, 결정체에 대한 3차원적 입체구조 연구와 미세소관에 대한 분자생물학적인 실험법들이 요구되고 있는 실정이다. 특히, HVEM 고압전자현미경 및 tomography에 의한 연속절편 연구는 결정체의 3-D 입체구조 구현이 가능하여 심도 있는 구조정보를 제공하는 것으로 알려져 있다. 극히 일부의 식물에서만 보고되어 있는 색소체 내 미세소관에 대한 연구에 관해서는 먼저 색소체 기질에서 이들의 형성 시점을 알아내어 기질에서의 식별 및 분리 연구 등이 가능하게 돼야함이 강조되고 있다. 본 논문에서는 꽃피는식물 종들의 여러 색소체 유형에서 보고된 결정체와 미세소관을 조사하여 색소체 내에서 이들의 기능을 광합성과 연계하여 종합적으로 논의하였다.
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.
본 연구에서는 제주도 한라산 중산간 습지대 28개소에서 IAA 및 carotenoid 생성능이 우수한 광합성 세균 1종을 최종 선발하였으며, 16S rRNA 염기서열 분석과 생리학적 특성을 조사한 결과 Rhodopseudomonas palustris JK-1 균주로 동정하였다. JK-1 균주의 최적배양조건을 선발하기 위하여 pH, 온도, 빛 및 통기 등을 포함한 여러 가지 요인들이 균주의 생장과 IAA 및 carotenoid 등 광합성색소 생성에 미치는 영향을 조사하였다. 시험결과 JK-1 균주는 명/혐기조건에서 균생장, IAA 및 광합성색소 생성이 양호하였으며 암/혐기조건에서 균생장, IAA 및 광합성색소 형성이 모두 크게 억제되었다. 명/혐기조건에서 균생장, IAA 및 carotenoid 등 광합성색소의 생산을 위한 최적 pH, 온도 및 배양회전속도는 각각 7, $30^{\circ}C$, 150 rpm, 9, $30^{\circ}C$ 및 150 rpm, 그리고 6, $25^{\circ}C$ 및 50 rpm이었다. 그리고 명/호기조건(0.5~1 vvm)에서는 명/혐기조건(0 vvm)보다 균생장 및 IAA 합성이 양호하였으나 광합성색소 형성은 크게 억제되었다. 따라서 최적배양조건은 명/혐기조건에서 pH 7, 온도 $30^{\circ}C$ 및 회전속도 100 rpm을 선발하였으며, IAA 합성을 유도한 배양액을 생육촉진 효과검증에 이용하였다. 시험결과 R. palustris JK-1 균주를 열무에 3% (v/v) 처리 시 지상부 및 지하부 건물중이 무처리 및 배지처리구 대비 각각 20~58% 및 40-28% 증가하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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