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- 100년 전 생물학자들, 왜 이 목질부가 진화 과정에 점점 더 복잡해졌을까 의문
- 4억 년 이상 진화한 다양한 씨 없는 관다발 식물 화석의 물배관시스템(목질부)을 비교
- 관 다발의 복잡한 모양, 관다발 식물이 건조한 조건에서도 더 높은 부분으로 물 운반
- 가뭄 저항성의 비결이 밝혀져 미래 기후 변화에도 견딜 수 있는 가뭄 저항성 작물 번식이 가능

100년 된 식물학 퍼즐이 풀렸다
복잡한 관다발 조직은 식물이 마른 땅에 퍼지도록 도왔다.

식물의 관다발은 언뜻 보기에 불필요하게 복잡하게 보인다. 마치 수도관 시스템처럼. 과학자들이 현대의 관다발 식물이 발전한 이유를 알아냈다. 이로써 100년 동안 답이 없었던 식물학의 질문을 명확히 했다. 이전에 생각했던 것과는 달리, 이러한 목질부 패턴은 이전 분기의 단순한 유물이 아니라 건조한 지역을 식민지화할 때 큰 이점이었다. 새로운 발견은 또한 미래에 더 많은 가뭄 저항성 작물을 재배하는 데 도움이 될 수 있다. 

▲ 2억 5천만 ~ 3억 년 된 양치류의 화석화된 줄기. 물 전도성 직물(파란색)은 이미 복잡한 패턴을 가지고 있다. © Ludwig Luthardt/ 베를린 자연사 박물관

식물은 어떻게 단순한 이끼와 낮은 덩굴 식물에서 우뚝 솟은 허브, 관목, 심지어 나무로 진화할 수 있었을까? 그리고 그들의 관 시스템은 이 부분에서 어떤 역할을 했을까? 분명한 것은 관다발 식물이 뿌리에서 잎과 꽃으로 물을 운반하는 것을 가능하게 한 것이 소위 목질부(xylem)의 관다발이었다는 것이다.

관다발 묶음 모양에 대한 퍼즐

그러나 100년 전 생물학자들은 왜 이 목질부가 진화 과정에 따라 점점 더 복잡해졌는지에 대해 의아해하고 있었다. 초기 관다발 식물은 대개 줄기에 이러한 관의 촘촘한 묶음을 가지고 있었지만 현대의 많은 식물 종에서 목관은 복합물을 형성한다. 종종 여러 부분으로 나뉜다. 언뜻 보기에는 이 더 복잡한 배열이 어떤 이점을 가져다 주는지 명확하지 않다.

따라서 "불필요하게" 복잡한 목부 패턴은 더 나은 설명이 없기 때문에 더 이상 볼 수 없는 초기 분기 및 기타 성장 형태의 단순한 유물로 여겨졌다. 체코 과학 아카데미의 Martin Bouda가 이끄는 연구원들은 최근 현대 관다발 식물의 복잡한 목부에 더 많은 것이 있는지 조사했다. 이를 위해 그들은 4억 년 이상 진화한 다양한 씨 없는 관다발 식물 화석의 물배관시스템(목질부)을 비교했다. 특히, 그들은 목질부(xylem)의 패턴과 이 식물이 자라는 기후 사이의 가능한 연관성을 찾고 있었다.

▲ 4억 년 전, 식물은 혈관계를 다양화하고 건조한 환경도 정복하기 시작했다. © Julian Kiely, 2022

그들의 의심:
관 다발의 복잡한 모양은 관다발 식물이 건조한 조건에서도 식물의 더 높은 부분으로 물을 운반하는 데 도움이 될 수 있다. 건조하면 파이프의 물 분자 사슬이 끊어지고 막히는 기포가 형성될 위험이 높아진다. "그러한 색전의 방해를 받지 않는 전신 확산은 수압 수송 네트워크의 실패, 조직 사멸 및 궁극적으로 식물의 죽음으로 이어진다"고 연구자들은 설명했다.

생존에 도움이 되는 다양한 패턴

사실, 비교 분석은 식물이 마른 땅에 더 많이 퍼질수록 목부의 모양이 더 다양해지는 것으로 나타났다. Bouda는 "우리는 매우 적은 수의 살아있는 식물이 줄기의 원래 배열을 유지하고 있다는 사실에 놀랐다. 여기서 혈관 조직은 중앙의 실린더에 놓여 있다"고 말했다. 반면에 목질부의 현대적인 다양한 모양에는 별, 타원, 리본 및 고리가 포함된다.

이러한 모양은 매우 다르지만 색전증이 퍼지는 것을 방지하는 동일한 목적을 수행한다고 연구팀은 말했다. 원통형 조직 다발의 하나의 혈관 가닥이 색전증을 앓는 경우 이는 수많은 인접 가닥으로 빠르게 퍼질 수 있기 때문이다. 그러나 모양이 원기둥에서 벗어나 가지 모양을 형성하자마자 인접한 선의 수가 줄어들고 색전증이 빨리 퍼지지 않는다.

▲ 원통형 혈관 다발(왼쪽)에서 색전증은 별 모양의 관다발(오른쪽)보다 훨씬 더 쉽게 전체 목부에 퍼질 수 있다.  © Martin Bouda, 체코 과학 아카데미 식물학 연구소

"모든 관다발(유관속, vascular bundle) 묶인 경우 색전증/혈전(Embolie)은 결과로 생긴 혈관 네트워크에서 기하급수적으로 퍼질 수 있다. 그것들이 길고 좁은 형태로 줄지어 있을 때 색전증은 매우 멀리 가기 위해 많은 연속적인 세포벽을 건너야 한다”고 Bouda는 설명했다.

미래의 농작물

그들의 연구를 통해 Bouda와 그의 동료들은 왜 현대의 관다발 식물이 언뜻 보기에 불필요하게 복잡한 덕트 시스템으로 보이는 것을 개발했으며 그렇게 함으로써 백년 된 식물의 신비를 해결했는지 설명했다. 그러나 이 연구는 과거의 미스터리를 풀 뿐만 아니라 미래에 대한 기회를 제공한다.

이제 가뭄 저항성의 비결이 밝혀졌기 때문에 미래에는 지구 기후 변화에도 견딜 수 있는 가뭄 저항성 작물의 번식이 가능할 수 있다. Bouda의 동료 Craig Brodersen은 "이제 우리는 혈관 시스템이 어떻게 조립되고 이것이 가뭄을 견디는 식물의 능력에 어떤 영향을 미치는지 더 잘 이해하므로 육종 프로그램의 표적으로 사용될 수 있다"고 설명했다.
(Sciencs, 2022, doi: 10.1126/science.add2910)
출처: Science, 체코 과학 아카데미

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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