12 종자의 발아 및 식물의 생장에 관하여
<학습개요>
종자에는 탄수화물, 단백질, 지방 등이 배유 또는 자엽에 들어 있어 농업적으로 수확이용의 대상이 되기도 한다.
종자의 발아는 수분 흡수 후 저장양분이 분해되고 배로 양분이 이동하여 배가 성장하면서 발생하는데 수분, 온도, 산소, 광 등의 환경 조건이 관여한다.
종자의 수명은 종자와 저장조건에 따라 다르며 최적 조건에서 저장을 하여 종자의 발아력을 유지하고 향상시킬 필요가 있다.
발아한 식물의 생장은 세포분열, 세포확대, 세포분화단계를 거쳐 이루어지며 기관 상호 간에 영향을 주고받는다.
생장속도는 시그모이드 곡선을 그리며 생장에는 광선, 온도, 토양 등의 환경이 크게 영향을 미친다.
종자의 발아 후 이이어지는 식물의 기관 형성은 식물 생장은 세포분열, 세포확대, 세포분화단계를 거쳐 이루어진다.
<목차>
01. 종자의 저장양분과 발아과정
02. 종자의 발아환경, 수명과 저장
03. 식물의 기관생장
<학습목표>
종자 종류별 저장양분과 저장기관을 알 수 있다.
발아기작을 이해하고 발아환경에 대해 설명할 수 있다.
종자의 수명을 이해하고 합리적인 저장법을 알 수 있다.
생장과 기관형성의 의미를 이해한다.
<주요용어의 정리>
- 호분층(糊粉層, aleuron layer) : 벼과 식물에서 종피와 배유 사이에 있는 효소단백질을 다량 함유하고 있는 세포층. 양분 저장뿐만 아니라 발아(發芽) 때에는 아밀라아제 등의 가수 분해 효소를 분비하여 배(胚)에 공급하는 일을 함
- 소화(消化, digestion) : 분자량이 큰 저장양분이 세포대사에 사용되기 전 가수분해 되어 확산하기 쉬운 물질로 분해되는 과정.
- 이화(異化, catabolism) : 이화작용 또는 분해대사는 복잡하고 큰 물질을 분해하여 간단하고 작은 물질로 만드는 반응으로 반응물 속의 에너지가 방출되며 ATP와 같은 고에너지화합물에 저장됨. 호흡은 대표적인 이화작용.
- 지상형종자(地上形種子, epigeal type seed) : 발아하는 과정에서 하배축(hypocotyl)이 신장하여 배유나 자엽이 땅위로 나타나는 형태. 피마자, 메밀, 양파, 강낭콩, 오이, 호박, 땅콩, 콩, 녹두 등에 해당
- 지하형종자(地下形種子, hypogeal type seed) : 유아와 자엽 사이에 있는 상배축(epicotyl)이 신장하여 배유와 자엽을 지하에 남겨두고 유아만이 땅 위로 나는 형태. 벼, 보리, 밀, 옥수수, 완두, 잠두, 팥 등이 해당
- 초엽(鞘葉, coleoptile) : 외떡잎식물의 눈이 나올 때에 이것을 싸고 있는 잎. 이후 발생한 잎을 본엽이라 함
- 상배축(上胚軸, epicotyl) : 자엽보다 위쪽의 줄기부분
- 하배축(下胚軸, hypocotyl) : 자엽보다 아래족의 줄기부분
- 유식물(幼植物, seedling) : 생장을 시작한 배가 종피를 뚫고 밖으로 나와서 스스로 광합성을 하여 독립영양을 하게 될 때까지의 어린 식물체
- 이유기(離乳期, weaning stage) : 식물이 광합성을 시작하는 때. 이때 종자의 저장양분은 고갈되기 시작함
- 피토크롬(phytochrome) : 광수용 색소단백질. 적색광을 받으면 화학구조가 바뀌어 생리적 반응의 활성형이 되나 원적색광을 흡수하면 생리 불활성형이 됨
1. 식물의 저장양분과 발아과정
* 종자의 저장양분
- 저장장소
• 배유(옥수수),자엽(콩)
- 주요양분
• 탄수화물,단백질,
지질(기름),기타(비타민,호르몬,색소)
* 종자의 발아과정
- 종자의 발아는 배의 생장으로 종피가 파열되고 유근이 자라나오는것 (대부분 유근이 먼저나옴)
- 종자의 발아에는 수분의 흡수,양분의 소화와 이동, 호흡, 생장등의 복잡한 생리화학적인 과정이 수반
수분의흡수: 모세관현상, 침윤, 삼투작용, 종피전체를 통하여(콩과에서는 주공에서 많이 흡수)
- 저장양분의소화:흡수후6-12시간내
• 녹말→당, 기름→글리세롤과 지방산, 단백질→아미노산
• 발아과정에서 분해 어린식물체가 광합성으로 독립영양체가 될 때까지 이용
양분의확산이동:배유 → 배반 → 배
배의생장과발육:유근 → 배축형성 → 유아
종자의 수분흡수는 모세관현상과 침윤 → 저장양분 소화에 따른 삼투압의 기울기에 의한 흡수
Q. 종자의 수분흡수 단계별 실제 걸리는 시간은?
• 호분층:벼과식물에서종피와배유 사이에 있는 효소단백질을다량 함유하고있는세포층.양분저장뿐
만아니라발아(發芽)때에는 아밀라아제등의가수분해효소를 분비하여배(胚)에공급하는일을함
• 소화(digestion):분자량이큰 저장양분이가수분해되어확산하기 쉬운물질로분해되는과정
• 흡수후6-12시간내
* 보리의 소화, 확산이동, 배의생장과 발육
① 지베렐린은 배에서 합성되어 배반을 통해 녹말성 배젖으로 분비
② 지베렐린은 호분층으로 확산되어 들어감
③ 호분층세포들은 활성화되어 α-아밀라아제와 다른 가수분해 효소들을합성하여배젖으로분비
④ 녹말과다른거대분자들은작은 분자들로분해
⑤ 배젖의용질들은배반에의해흡수되어자라나는배로 운송
* 상추의 소화, 확산이동, 배의 생장과 발육
* 배의 생장과 발육 (1)
- 배의 유근과 유아가 종피를 뚫고 밖으로 나와서 수분 , 무기양분 , 그리고 산소를 흡수하면 배는 왕성한 생장을 함
- 발아 중인 종자는 다른 조직이나 기관에 비해 왕성한 호흡을 한다.
- 호흡의 생성된 에너지는 유식물 생장에 필요한 단백질이나 셀룰로우스 등의 세포 구성물질 합성에 쓰임
- 세포분열, 세포신장, 배축의 형성, 새로운 조직과 기관의 분화가 일어남
- 식물입장에서는 물과 무기양분의 흡수급원인 유근이 토양에 뿌리를 내림과 광합성 기관인 잎을 빨리
지상으로 들어올리는 것이 필요
- 따라서 발아 초기에는 저장물질 대부분은 지상부 출현을 위한 기관형성과 생장에 사용
- 콩과식물에서는 배축의 우선 생성과 신장으로 가능 ( 지상형종자 )
* 종자의 발아형태
종자가 발아할 때 배유와 자엽의 위치에 따라 지상형과 지하형으로 구분.
또한 양분을 주로 어디에 저장하느냐에 따라 배유성과 자엽성으로 구분.
• 초엽 : 초기에 발생한 잎이며 이후 발생한 잎을 본엽이라 함
• 상배축(epicotyl) : 자엽보다 위쪽의 줄기부분
• 하배축(hypocotyl) : 자엽보다 아래쪽의 줄기부분
* 종자의 생장과 발육
유근발달 → 배축신장 → 저장양분소진 → 이유기 → 자급영양 → 독립영양개체
(영양의전환기)
• 유식물 : 생장을 시작한 배가 종피를 뚫고 밖으로 나와서 부터 스스로 광합성을 하면서 독립영양을 하게 될 때까지의 어린 식물체
• 이유기의 불량환경의 노출은 생존에 실패할 위험에 처함
2. 종자의 발아환경, 수명과 저장
* 발아의 외적 조건
성숙한 종자는 건조한 상태에서 휴면하면서 일정기간 생장 기능이 정지
수분이 공급되고 온도가 적당하면 대사활동이 재개되어 발아
발아에는 산소가 반드시필요 , 종류에 따라서는 광선을 요구
따라서 발아의 외적 조건은 수분, 온도, 산소, 광선 ( 광도 , 광질과 일장 ), 화학물질
1. 발아와 수분
• 종피연화, 가스투과성 증대, 저장양분의 분해와 수송
• 팽윤정도 : 콩류(단백질) > 화곡류(녹말)
• 발아할 때까지 수분 흡수량은 대개 단백질종자(콩과, 50~60%이상)는 많고, 녹말이나 기름종자(벼과, 30%이상)는 적다.
2. 발아와 산소
• 발아에 필요한 에너지 (ATP) 를 호흡작용으로 얻음
• 두꺼운 복토 , 과습은 산소부족으로 발아를 억제
• 산소가 부족하면 2 차휴면에 들어가는 종자도 있음 ( 사과 등 )
• 수중발아 정도로 산소요구도를 측정할 수가 있음
• 수중발아불능
: 무 , 양배추 , 가지 , 파 , 밀 , 코스모스 , 콩
• 수중발아약세
: 토마토 , 담배 , 석죽 , 미모사 , 흰코끼풀
• 수중발아정상
: 상추 , 당근 , 셀러리 , 벼
3. 발아와 광선
• 광감수성 종자 (photo-sensitive seed)
: 광발아성 – 상추, 우엉, 담배 암발아성 - 가지, 수박, 양파
• 불감수성 종자 (photo-insensitive see): 콩과식물, 벼, 밀, 보리, 옥수수
• 흡수종자에 약광에 수초간 조사로도 발아가 촉진.
200 lux 1/300 초(담배), 수 초(상추)
* 상추에서 관찰된 광가역 현상은 어떻게 일어나는가?
• 피토크롬(phytochrome)
: 광수용 색소단백질. 적색광을 받으면 화학구조가 바뀌어 생리적 반응의 활성형이 됨
* 종자의 수명 (longetivity)
종류, 휴면성, 저장조건에 따라 달라짐
경실종자는 오랫동안 발아력을 유지
단명종자 ( 수명 1~2 년 ) : 고추 , 양파 , 메밀 , 뽕나무
상명종자 ( 수명 2~3 년 ) : 토마토 , 완두 , 콩 , 벼 , 보리 , 밀 , 옥수수
장명종자 ( 수명 4~6 년 ) : 오이 , 가지 , 무 , 녹두 , 팥 , 담배
실온에서의 재배식물종자의 수명.
종자는 묵을 수록 발아율과 발아세가 떨어지며, 발아 후 생장이 억제
종자의 저장
함수량을 낮추고, 항습, 저온, 밀폐상태에서 저장
3. 식물의 기관생장
기관의 생장
생장 단계
• 세포분열단계 : 정단, 측재, 개재분열조직
• 세포확대단계 : 신장대, 산생장설
• 세포분화단계 : 세포의 극성, 세포의 구조적 ∙ 기능적 변화
Q. 생장은 특정한 시간에 일어나나요?
• 식물의하배축신장은저녁에만일어남
• 이는하배축신장에필요한key 유전자들이 생체 시계에의해 저녁에만발현되기때문
• 이로써낮시간동안생성된광합성산물을 효율적으로신장에이용할수있음
• 이외에많은다양한생리현상들이생체시계의영양권에있음 . 따라서생체시계의 정확한작동은식물의신진대사및생존에
매우중요
* 세포의 분화
- 세포의 구조적, 기능적 특수화로 조직과 기관이 분화한다 .
- 세포의 미세소관이 극성을 조절하고 불균등분열을 유도한다 .
- 세포의 불균등분열이 세포의 분화로 이어진다.
- 세포분화는 유전적 특성이지만 환경과 내생호르몬이 조정한다.
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