식물은 빛 에너지를 흡수하여 광합성을 통해 에너지원으로 활용할 수 있는 유기물을 만들어 냅니다. 광합성을 위해 식물은 엽록체 내에서 흡수한 빛 에너지를 전자 전달 에너지로 전환합니다. 하지만 이 과정에서 높은 에너지의 전자가 주변의 산소로 전달될 경우 활성산소가 만들어질 수 있습니다.
활성산소는 과도하게 생길 경우 주변의 지질이나 단백질 등과 반응하여 구조를 망가뜨리기 때문에 세포에 피해를 입히며, 심할 경우 괴사가 일어나기도 합니다. 빛의 세기가 과도하게 높아서 빛 에너지를 필요 이상으로 흡수할 경우 활성산소의 생성을 피할 수 없게 됩니다. 하지만 일반적인 빛 세기 조건에서 식물은 피해를 입지 않기 때문에, 보통의 빛 조건에서는 특별한 방어 기작이 필요없다고 생각했습니다.
하지만 이번 연구 결과 식물은 보통의 빛 세기 조건에서도 빛 에너지에 대한 보호가 필요하다는 사실이 밝혀졌습니다. FERONIA로 이름붙여진 유전자의 기능이 망가질 경우 보통 수준의 빛 세기 조건에서도 식물이 큰 피해를 입고 세포가 괴사하며 결국 죽는다는 것을 알아냈습니다. 위 사진에서 왼쪽이 FERONIA 유전자 기능이 망가진 식물이고 오른쪽이 정상 식물입니다.
또한 FERONIA 기능이 망가진 식물은 세포 내에 과도하게 활성산소가 쌓이고, 광합성 기구의 기능이 크게 저하된다는 사실 또한 발견하였습니다. 즉, 식물은 보통의 빛 조건에서도 빛 에너지에 의한 활성산소 생성의 위험이 있으며, 이를 FERONIA 기능을 통해 항시 억제하고 식물을 보호하고 있는 것입니다.
추가적으로, 식물은 빛의 세기가 강해질 경우 세포 내 FERONIA 단백질을 더 많이 만들어 냅니다. 빛에 세기가 높아질수록 활성산소 생성 확률이 함께 높아지기 때문에 FERONIA 단백질을 더 필요로 하는 것으로 보입니다.
이번 발견은 식물이 보통의 빛 세기 조건에서 어떻게 빛 에너지에 의한 피해를 억제하고 있는 지에 대한 원리를 설명해 줍니다. 이는 나아가 음지식물과 양지식물에 적용될 가능성이 있습니다. 인삼과 같은 음지식물은 양지식물에 비해 빛에 의한 민감도가 높아 빛 세기가 조금만 높아져도 잘 자라지 못합니다. FERONIA의 기능이 이러한 현상에 관여되어 있을 가능성이 있습니다.
FERONIA는 육상식물이라면 모두 가지고 있는 식물 특이적인 유전자입니다. FERONIA의 기능 연구를 통해 광합성 기구를 보호하고 나아가 광합성 효율을 증진시킬 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
Seung Yong Shin*, Ji-Sun Park, Hye-Bin Park, Ki-Beom Moon, Hyun-Soon Kim, Jae-Heung Jeon, Hye Sun Cho and Hyo-Jun Lee#. FERONIA confers resistance to photooxidative stress in Arabidopsis. (2021) Frontiers in Plant Science Accepted.