옥신의 이동과 작용과정(2016, 고2, 3월)

찰스 다윈은 어린 식물이 빛의 방향으로 휘는 것을 보고 어린 식물의 일부 부위를 가리거나 절단한 후 햇빛에 노출시키는 실험을 진행하였다. 이 실험 이후에 보이센옌센은 식물이 특정 부분에서 빛을 인식하고, 그 부분에서 화학 물질이 줄기를 따라 뿌리 쪽으로 이동한다는 것을 실험으로 확인하였다. 벤트는 이 화학 물질을 ‘옥신’이라고 이름 지었다.

식물은 분열 조직이 있는 줄기의 맨 윗부분에서 옥신을 만들고, 이 옥신이 뿌리 쪽으로 이동한다. 옥신은 주로 식물 세포를 신장시키는 역할을 한다. 대표적인 옥신인 IAA는 이온화되지 않은 형태인 IAA와 이온화된 형태인 IAA⁻의 두 가지로 세포벽에 존재한다. 이온화되지 않은 옥신은 확산되어 세포질로 유입된 후 IAA⁻과 H⁺으로 이온화된다. 하지만 세포벽에 이온화된 형태로 존재하는 옥신은 확산으로 세포막을 통과할 수 없기 때문에 세포막에 있는 옥신 유입 수송체를 거쳐야만 세포질로 들어갈 수 있다.

세포질로 유입된 옥신은 세포막에 있는 H⁺ 펌프를 활성화한다. H⁺ 펌프가 활성화되면 세포질의 H⁺들은 H⁺ 펌프가 작용해 세포벽으로 수송된다. H⁺이 수송된 세포벽에서는 H⁺이 증가하여 pH가 감소하게 되는데, 이 영향으로 섬유소 분자 간의 결합을 끊어 주는 쐐기 모양의 효소가 활성화된다. 이 쐐기 모양의 효소가 세포벽에 있는 섬유소들의 연결을 느슨하게 하면 삼투 현상에 의해 세포질로 물이 유입된다. 물이 유입된 세포질은 압력이 높아지면서 팽창하기 때문에 식물 세포가 신장하게 된다.

세포질에 이온화된 형태로 있는 옥신이 뿌리 쪽으로 이동하기 위해서는 세포질 밖으로 옥신이 유출되어야 하는데, 이온화 된 형태로는 세포막을 통과하지 못한다. 이때 세포막을 통과하 는 통로로 PIN 단백질이 이용된다. PIN 단백질은 세포막의 좌우나 아래쪽에 위치하여 옥신이 이동하는 방향을 결정한다. 식물이 빛을 향해 휘어지는 굴광성은 옥신이 세포막 좌우에 위 치하고 있는 PIN 단백질을 거쳐 빛의 반대 방향으로 이동하기 때문에 일어나는 현상이다. 대체로 PIN 단백질은 세포막 아래 쪽에 주로 ㉠ 퍼져 있는데, 이로 인해 옥신은 줄기에서 뿌리 쪽으로 이동하며 식물 세포의 신장을 촉진하게 된다.

― (출전) 최준호 외, 『브루커의 생명 과학』

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이해를 돕는 문항

29. <보기>는 다윈이 진행한 실험이다. 윗글을 고려하여 이해한 내용으로 알맞지 않은 것은? [3점]

<보기> 다윈은 어린 식물의 끝부분을 자른 것(ㄱ), 빛이 통하지 않는 고깔을 씌운 것(ㄴ), 빛이 통하는 고깔을 씌운 것(ㄷ) 그리고 빛이 통하지 않는 가리개로 중간 부분을 가린 것(ㄹ)을 빛에 노출시키는 실험을 진행하여 그림과 같은 결과를 얻었다.

① ㄱ의 절단면에서는 옥신이 만들어지지 못하겠군.

② ㄱ과 ㄴ은 빛의 방향이 바뀌어도 휘어지지 않겠군.

③ ㄴ은 ㄷ과 달리 고깔이 있는 위쪽으로 옥신이 이동하겠군.^[각주:1]

④ ㄴ은 고깔을 그대로 둔 채 ㄹ의 가리개로 중간 부분을 씌워도 휘어지지 않겠군.

⑤ ㄷ과 ㄹ의 휘어진 부분에서는 빛의 반대 방향의 세포가 더 신장되겠군.

1. <보기>는 다윈이 어린 식물을 이용하여 진행한 굴광성 실험을 보여주는 것이다. 이 글에서 설명한 옥신의 이동과 작용과정을 고려하면 그 이유를 추론할 수 있다. ᄂ의 옥신은 고깔이 있는 위쪽 방향으로 흐르지 않는다. ᄃ에서는 옥신이 뿌리 쪽으로 흐르면서 빛의 반대 방향으로도 흐르기 때문에 굴광성이 나타난다. [본문으로]