식물생리학은 생물학, 농학을 공부할 때 필수적으로 배워야 하는 학문입니다.
다음은 식물생리학의 몇 가지 주제에 대한 서술입니다.
1. 식물체 내의 수분의 이동이 왜 집단류에 의해 이루어지는지 설명하시오.
집단류란 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 물분자가 이동하는 현상이며 압력이 높다는 것은 곧 그 지점의 수분 퍼텐셜이 높다고 표현할 수 있다. 식물체 내의 세포 단위 혹은 조직 단위에서는 삼투나 확산에 의한 수분 이동이 발생하지만 식물체 전체를 놓고 보았을 때 식물체의 각 조직과 부분에 필요한 수분을 공급하기 위한 이동은 수분 퍼텐셜 차이에 의한 집단류에 의해서만이 필요한 양을 충족시킬 수 있다.
식물의 뿌리에서의 수분흡수기작을 살펴보면 잎의 증산작용을 통해 식물체 내부 물관 내 압력이 감소하고 수분 퍼텐셜이 저하하여 토양의 높은 수분 퍼텐셜에서 식물체 내로의 수분 이동이 이루어지게 된다. 또한 확산에 의해 수분이 이동하는 체관부 적재 과정에서도 확산 역시 물 분자가 많은 쪽에서 적은 쪽으로 자연적으로 이동하는 현상인데 이 역시 평형을 이루려는 자연현상으로써 집단류와 원리적으로 동일한 현상이라 할 수 있다.
따라서 기압에 따른 물의 자연적 상승한계 및 표면장력 및 응집력에 의해 이루어지는 모세관현상의 상승 한계를 넘어서는 식물 내 수분의 이동은 증산작용을 통한 수분 퍼텐셜의 저하에서 기인한 집단류 현상으로 해석할 수 있다.
2. 육안검사에 의해 식물무기양분결핍증상을 해석하기 어려운 이유에 대해 설명하시오.
식물에 필요한 무기양분에는 필수원소와 유익원소가 있으며, 필수원소는 식물체의 구성에 반드시 필요하며 다른 원소로 대체할 수 없는 17종의 원소이다. 이 필수원소는 다량원소와 미량원소로 나뉘는데 미량원소의 경우 다량원소에 비해 작은 양이 필요할 뿐이지 식물체에 필수적으로 필요한 원소임은 분명하다.
이러한 필수원소들이 작물의 생육에 필요한 만큼 공급이 되어야 하는데 그렇지 못할 경우에는 생육이 저해되고 결핍증상이 나타나게 된다. 결핍된 각 원소에 따른 결핍증상을 살펴보면 서로 다른 원소의 결핍상태에서 비슷하거나 거의 같은 증상을 보이는 경우가 많다. 대표적으로 잎의 황백화, 생육 저해, 엽록체 관련 장해, 괴사나 시듦과 같은 증상들이며 따라서 식물의 결핍증상을 육안으로만 확인해서는 어떤 원소가 결핍되어 증상이 발생했는지 규명하기 어렵게 된다.
이렇게 결핍원소에 따라 비슷한 증상이 나타나는 이유는, 각 원소가 관여하는 공통적인 식물의 생리현상이 식물의 생육과 성장에 중요한 과정이고, 결국은 이러한 결핍원소로 인해 해당 대사작용에 문제가 생기기 때문에 육안으로 보기에는 비슷한 결핍증상이 나타나게 되는 것이다. 즉 결핍되는 원소는 상황에 따라 다양할 수 있지만 공통의 생화학적 대사과정에 문제가 생기게 되므로 식물에 발현되는 결핍증상은 동일하거나 비슷하게 나타난다고 할 수 있다.
3. 토양의 콜로이드화가 비옥도에 중요한 영향을 미치는 이유에 대해 설명하시오.
토양입자가 0.1μm 이하의 미세하게 형성되어 교질화 된 것을 토양 콜로이드라고 한다. 이렇게 미세한 입자로 이루어진 토양 콜로이드는 토양의 단위 무게당 표면적을 기하급수적으로 증가시키며, 음전하를 띄게 되어 양이온을 흡착하게 된다.
작물의 생육에 적정한 pH는 작물에 따라 차이를 보이지만 일반적으로 중성 및 약산성 토양이 농업에 적합한 토양 상태이며 화학 비료의 과다 사용과 강수량 집중은 토양 내 K, Na, Ca, Ma와 같은 양이온을 흘려보내게 되며 이것을 염기 용탈 작용 또는 탈염기 작용이라 한다. 이러한 과정에서 토양이 과도하게 산성화가 되면 작물의 생육에 불리하게 된다.
또한 이렇게 토양 내에 포함된 무기염류가 식물의 생장에 직접 영향을 주기도 하므로 이처럼 토양 콜로이드의 양이온 흡착 작용이 토양의 비옥도와 관련이 있고 토양 콜로이드의 염기포화도를 실질적 토양 비옥도로 표현할 수 있다.
4. 엽록체 틸라코이드막에 위치한 ATP합성효소와 액포막에 위치한 양성자펌프의 차이점에 대해 설명하시오.
ATP 합성효소는 H+ 이온의 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로의 이동시의 에너지를 이용해 ATP라는 에너지 저장물질을 생성하게 되며, 양성자펌프는 H+ 이온의 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 ATP를 분해하며 나오는 에너지를 이용해 펌핑 작용을 하게 된다. 즉 식물체 내에 에너지를 저장하는지 혹은 소모하는지의 차이가 있다.
5. 온도와 광합성과의 관계를 설명하시오.
식물체의 광합성은 명반응과 암반응으로 이루어지며, 식물체는 빛을 수용하여 명반응을 하게 되어 이로써 ATP를 생산한다. 암반응은 이산화탄소를 받아들여 탄소를 고정하는 과정이 일어나며 이 과정에서 Rubisco라는 효소가 작용을 한다. 식물체의 광합성 효율에는 최적의 온도가 있는 것으로 알려져 있고, 이 최적 온도 이하에서는 온도가 높아질수록 광합성률이 상승하나 해당 온도 이상에서는 온도가 높아질수록 오히려 광합성률이 감소하게 된다. 이렇게 온도 변화가 광합성량과 연관이 있는 것은 광합성 과정에서 작용하는 효소들의 활성이 온도에 따라 변하기 때문이며 효소의 작용이 최적이 되는 온도가 광합성량이 가장 많은 최적의 온도가 된다고 할 수 있다.
6. 녹말과 설탕의 합성이 경쟁적인 이유에 대해 설명하시오.
1) 녹말은 식물체 내의 탄수화물의 저장형태이고 설탕은 탄수화물의 운반형태이다.
2) 녹말은 엽록체에서 합성되며 설탕은 시토졸에서 합성되어 식물체 내에서의 합성장소가 상이하며 두 가지 탄수화물 모두 3탄당인상(G3P)를 기원으로 하여 합성된다.
3) 녹말은 합성될 때 ATP를 소모하며 설탕은 UTP를 소모한다.
4) 식물체 내의 무기인산의 농도에 따라 엽록체와 시토졸 간의 3탄당 인산의 배분이 결정된다. 시토졸의 무기인산 농도가 높은 경우 엽록체 내의 3탄당 인산이 시토졸로 운반되어 설탕 합성에 사용되며 시토졸의 무기인산 농도가 낮을 경우에는 엽록체 내에 3탄당 인산이 남아 녹말로 합성된다.
5) 설탕과 녹말은 3탄당 인산을 공통으로 기원으로 하여 합성되는 탄수화물이므로 그 합성과정은 식물체내에서 경쟁적으로 이루어지게 되며 즉, 설탕 합성과 수송이 광합성 속도 대비 원활하지 못할 경우 엽록체 내에 녹말이 다량 저장되게 되고 이때 광합성 속도가 저하되어 식물체의 광합성 속도와 탄수화물 합성, 수송, 저장 작용이 조절되는 효과를 가져온다.