본 연구는 토양 속의 cadmium(Cd)이 식물에 미치는 독성 효과와 암모늄염의 역할에 초점을 맞추었다. Cd는 중금속 오염원으로, 그것의 존재가 식물에 부정적 영향을 미친다. 본 연구에서는 담배를 Cd와 암모늄 농도가 다른 MS배지에서 배양한 후, 각각의 농도에 따른 식물의 생장, chlorophyll 함량 및 rubisco와 rubisco activase의 활성과 함량을 조사하여, Cd의 저해 효과와 암모늄염 간의 상호작용을 분석하였다.
<h1>서 론</h1> <p>토양에 정착되어 살아가는 식물은 환경에 존재하는 여러 가지 중금속들에 의해 영향을 받기 쉬우며, 이 중 cadmium(Cd)은 환경에 대한 주 오염원으로서, 공기, 물 및 토양에 존재하는 매우 독성이 강한 물질 중 하나이다.</p> <p>Cd은 식물의 생장에 필수적이지 않으면서, 뿌리를 통해 식물체 내로 빠른 속도로 흡수된 후 통기기관으로 운반되어 주로 액포 내에 고농도로 장기간 축적된 후, 식물체 내에서 발생과 분화를 지연시킬 뿐만 아니라, 광합성, 광호흡, 호흡 및 질소대사를 저해하는 것으로 알려져 있다. 특히 뿌리난 배축에 축적된 Cd은 탄수화물 대사를 방해하고, 뿌리에서의 수분과 양분 흡수 및 기타 이온의 흡수를 억제한다고 알려져 있다. 또한 Cd은 금속효소에 중요한 Cu나 Zn을 변화시켜 핵산 및 단백질 대사에 관여하는 생화학적 과정을 교란시키며, 식물세포의 크기와 intercellular space를 감소시키는 방식으로 식물의 생장을 억제시킨다.</p> <p>Rubisco (E.C4.1.1.39)는 RuBP에 \( \mathrm{CO}_{2} \) 를 고정하여 PGA를 생성하는 carboxylation과정과, KuBP에 \( \mathrm{O}_{2} \) 를 고정하여 PGA와 2-phosphoglycolate를 생성하는 oxygenation과정에 관여한다. 그러나 이 과정을 위해서는 불활성 rubisco의 large subunit의 201번째 lysine의 \( \varepsilon \)-amino group에 activator \( \mathrm{CO}_{2} \)가 결합하고, 여기에 \( \mathrm{Mg}^{2+} \) 이 결합하여 활성형 rubisco로 전환되어야 한다. 또한 in vivo에서 rubisco의 활성화는 RuBP의 존재하에서 rubisco activase에 의하여 조절되며, rubisco activase는 rubisco의 활성부위에 결합하는 CA1P나 CABP와 같은 경쟁적 저해제를 해리시키는 작용을 촉매한다고 알려져 있다.</p> <p>질소는 식물이 필요로 하는 가장 중요한 무기성분으로, 생리적 \( \mathrm{pH} \)의 자연적 상태에서 질소의 최초 안정된 고정 산물인 암모니아는 암모늄이온(\( \mathrm{NH}_{4}^{+} \))을 형성하기 위해 양성자화된 다음 질소원으로서 사용된다. 식물에 의해 토양으로부터 뿌리를 통해 흡수된 암모늄염은 xylem을 경유하여 shoot로 운반되어 주로 글루타민으로 동화된 후, 아미노산, 단백질 및 핵산의 합성 등에 이용되며, 뿌리를 통해 흡수되어 운반된 질산염은 잎에서 암모늄염으로 환원된다. 벼나 보리와 같은 \( \mathrm{C}_{3} \)식물은 광호흡 과정에서 빛의 존재 하에서 엽육세포 내에서 암모늄염을 방출한다.</p> <p>질소원으로서 암모늄염과 질산염을 같이 사용했을 경우, Landoltia penctatn는 질산염보다 암모늄을 우선적으로 흡수하고, 각각 분리하여 사용했을 때는 질산염을 더 잘 흡수한다고 보고하였다. 그러나 식물에 따라서 질소원의 종류 및 농도에 따른 반응이 다양하고, 암모늄염을 과다하게 투여하면 많은 식물에서 독성을 나타낸다.</p> <p>이와 같이 Cd의 독성 효과와 암모늄염의 생리적 작용 등에 대해서는 비교적 잘 알려저 있으나, Cd의 효과에 대한 암모늄염의 영향을 rubisco 차원에서 연구한 논문은 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 Cd와 암모늄 농도를 다르게 한 MS배지에서 담배를 기내 배양시킨 후, 각 농도에 따른 생장 비교와 chlorophyll의 함량, rubisco와 rubisco activase의 활성과 함량을 측정함으로서, Cd의 저해 효과에 대한 암모늄염의 영향을 연구하였다.</p>