식물보호기사 및 농업 관련 공무원 필수 이론 식물 생리학 핵심 이론 요점 요약 정리 7. 광합성: 생리적, 생태학적 고찰

7.  광합성: 생리적, 생태학적 고찰

 

빛 흡수를 위한 잎의 구조
표피세포: 볼록면에 의한 초점맞추기
책상세포: 체 효과, 빛의 집중화(light channeling)
해면세포: 불규칙한 큰 통기간극 → 계면 광산란
과도한 빛 반사를 위한 해부학적 특징

서로 다른 광 환경에서 자란 콩과 식물( Thermopsis montana ) 잎의 주사전자현미경 사진

빛에 대한 경쟁
수관(canopy)의 형성
광반(sunfleck)의 이용

수관 상부와 하부에서 태양광의 스펙트럼 분포

빛 흡수를 위한 잎의 각도와 운동
빛과 잎의 각도를 이용한 빛 흡수
   과열과 빛 흡수의 균형
태양추적 활동
   청색광 반응
   엽침에 의해 조절
수분 스트레스에 적응
   횡일성과 부향일성

잎의 각도에 대한입사 태양광

태양추적 식물의 잎 운동.

양지 및 음지 환경에 대한 순화와 적응
양엽
   루비스코 더 많음
   크산토필 회로 성분들이 더 많음
음엽
   반응중심 당 총 엽록소 더 많음
   엽록소 a에 대한 엽록소b의 높음
일부 음지식물: 광계I의 비율 증가 / 광계II의 안테나 엽록소 증가

광-반응 곡선과 광합성 특성
광보상점
빛과 이산화탄소의 제한
양지식물 및 음지식물의 광보상점
최대 양자수율: 직선의 기울기

C 3 식물에서 광합성의빛에 대한 반응.

 

양지식물과 음지식물의광합성 탄소고정의 광-반응 곡선.

C3/C4식물의 광-반응 곡선
루비스코의 옥시게나아제/카르복실라아제 반응 비율 변화
    온도와 이산화탄소 농도의 영향 때문

잎 온도의 함수로 표시한 C 3 식물과 C 4 식물의 광합성탄소고정의 양자수율.

광포화: 양지조건 vs 음지조건
이산화탄소의 제한
    캘빈 회로 관여 효소들이 명반응(ATP/NADPH 생성) 속도에 뒤짐

양지 또는 음지조건에서 자란 양지식물 광합성의 광-반응 곡선.

빛과 식물의 생물량 관계
식물의 광합성 산물결과는
모든 잎의 광합성 활성의 합
 생육기의 광량 → 작물생산성

 

시트카 가문비나무( Picea sitchensis )의 바늘잎, 슈트, 삼림 수관에서의 광합성(제곱미터당으로 표시한)의 변화를 광도의 함수로 나타낸 그래프.

과량의 빛에너지 처리
비광화학적 소멸: 형광 및 열에 의한 소멸
크산토필 회로

광합성 산소 발생의 광-반응 곡선과 관련된 과량의 빛에너지.

크산토필 회로
제아크산틴의 열소산 효과
강한 햇빛 환경에서 높은 함량
   양지 잎 vs 음지 잎
   음지 잎의 지속적인 함량
   계절별 일일순환의 변화
     여름 vs 겨울

해바라기( Helianthus annuus )에서 광도의 함수로 표시한 크산토필 함량의 일중 변화.

엽록체의 운동
엽록체의 배향 변화를 통한
엽록체의 빛 노출 조절
청색광 반응
액틴미세섬유를 따라 이동
: 칼슘에 의한 이동 조정 역할

 

잎의 운동
잎의 배향 변화
엽병의 기동세포 팽압변화
시듦

개구리밥( Lemna ) 광합성 세포의 엽록체 분포.

지나친 빛 흡수에 의한 광저해
*동적 광저해(dynamci photoinhibition)
   지나치지 않은 과량의 빛에 노출
   양자효율 감소, 광합성 속도 불변
   일시적
*만성 광저해(chronic p.)
   강한 수준의 과량의 빛에 노출
   광합성계의 손상
   양자효율 및 최대 광합성률 감소
   광계II 반응중심 D1의 손상 및 교체

잎에 의해 흡수된 광자들의 배분(allocation)에 대한 낮 동안의 변화.

잎의 열소산
복사열 소실
   장파장 복사선 방출
현열 소실
   전도 및 대류
잠열 소실
   증산

 

보웬 비율=현열 소실/잠열 소실
   기공 열림에 좌우
: 수분스트레스를 받는 식물은?
   생장감소와 상관관계

잎에 의한 태양광 에너지의 흡수와 소산

온도에 따른 C3/C4 식물의 광합성
효소 활성의 온도 의존적 촉진
   루비스코 효소의 모순적 측면: 효소활성과 이산화탄소 친화도
고온에서 순 광합성 감소 이유
   전자전달 과정의 저해
광합성 최적 온도 범위의 변화: 적응과 순화

온도의 함수로 표시한 C 3 식물과 C 4 식물의 광합성의 변화

북미 대평원(Great Plains)을 가로지르는 위도를 함수로 하여 동일한 C 3 초본과 C 4 초본의 수관에 대해 예측된 광합성 탄소 취득의 상대적 비율.

 

 

대기 중 이산화탄소 농도의 증가
대기 중 이산화탄소 농도 매년 약1~3ppm 증가
화석 연료의 사용
C3식물의 빠른 생장

42만 년 전부터 현재까지의 대기 CO 2 농도.

엽록체로의 이산화탄소 확산
경계층 저항
  잎의 크기와 바람의 속도 영향
   현열 소실과의 상관성: 사막 식물 잎 vs 열대 음지 식물 넓은 잎
기공 저항
   이산화탄소 확산의 주된 제한 요인
세포 간 통기 간극 저항
액체상 저항(엽육세포 저항)

잎 외부에서 엽록체에 이르는 CO 2 확산에 대한 저항 지점들. 기공개구는 CO 2 확산의 주요 저항 지점이다.

 

잎 조직 내 이산화탄소 고정의 패턴
 빛 vs 이산화탄소
 루비스코 함량
: 이산화탄소 동화 능력에 영향
→ 잎 내부 광합성 탄소고정 분포
: 엽록소 분포와 유사

시금치의 양엽에서 흡수된 빛의 분포.

 

이산화탄소 농도에 따른 C3/C4식물의 광합성
이산화탄소 보상점
낮은 이산화탄소 농도: 루비스코 카르복시화 능력에 의한 제한
높은 이산화탄소 농도: RuBP의 재생성 능력에 의한 제한

 

* C3
   이산화탄소의 지속적 영향
   광호흡의 영향
* C4
   효율적 이산화탄소 농축
   낮은 광호흡 수준

C 4 식물인 애리조나 허니스위트(Arizona honeysweet, 학명은 Tidestromia oblongifolia )와 C 3 식물인 크레오소트 부시(creosote bush, 학명은 Larrea divaricata )에서 세포간극 CO 2 농도를 함수로 하여 조사한 광합성의 변화.

 

C3/C4식물의 진화 및 환경 적응
고온 → 높은 광호흡과 이산화탄소 부족 환경
유리한 환경 조건: C3식물 vs C4식물

 

* C4식물
    상대적으로 적은 루비스코 양
    생장에 필요한 질소량 적음
    더 낮은 기공 전도도
    CO2농축에 추가적인 에너지 비용

C 3 초본 혹은 C 4 초본에 유리할 것으로 예측되는 생육기의 낮 온도와 대기 이산화탄소 농도의 조합.

CAM 식물과 광합성
CAM대사에 대한 광합성의 주된 제한
    말산을 저장하는 능력
CAM 공회전
: 호흡으로 방출한 이산화탄소 말산 재고정

CAM 식물인 선인장 Opuntia ficus-indica 의 24시간 동안의 광합성 탄소 동화, 증발, 기공 전도도.

FACE (Free Air CO2 Enrichment) 실험

FACE(Free Air CO 2 Enrichment) 실험은 식물과 생태계가 미래의 CO 2 수준에 어떻게 반응하는지를 연구하는 데 이용된다.

안정성 동위원소 비율의 활용
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강수의 영향
이산화탄소 고정 효소의 차이

세계 전역의 C 3 및 C 4 분류군에서 관찰된 탄소 동위원소 비율에 관한 빈도 히스토그램.

강우량의 기울기를 따라일어난 호주의 식생 변화