금속이온은 산소, 질소, 황 원자에 대해 반응성이 크며, 시스테인과 히스티딘의 R기에 존재하는 황과 질소는 금속이온과 결합하는 경향이 강하다. 식물의 일루미늄 흡수에 있어 이 두 아미노산이 어떻게 영향을 미치는지를 알아보았는데, 실험결과 히스티틴에 의해서 알루미늄 흡수가 적게되어 식물 성장 억제 반응이 완화되었으나 시스테인은 별다른 영향이 없었다. 생물의 세포에서 생성되는 저분자 형태의 유기산은 금속 스트레스에 대한 저항성에 관여하는데, 본 실험에서는 확인 할 수 없었다. 마지막으로 본 실험에서는 EDTA를 이용한 실험을 진행하였다. 그 결과 식물의 성장에는 별다른 영향을 보이지 않고, 고농도의 알루미늄 처리에 의한 식물 성장 억제 를 감소시키는 것으로 나타났다. 더불어 EDA에서는 보다 우수한 억제 효과가 발생함을 확인하여 오염된 토양을 식물을 이용하여 정화할때 도움을 줄것으로 결론지었다.
<h1>결과 및 고찰</h1> <p>금속이온은 산소, 질소, 그리고 황 원자에 대해서 반응성이 크다. 따라서 아미노산 중에서 시스테인(Cys)과 히스티딘 (His)의 R기에 존재하는 황과 질소는 금속이온과 결합하는 경향이 강하다. 시스테인은 생물의 중금속 해독작용과 세포 내 금속의 항상성 유지에서 중요한 역할을 하는 단백질(예, met-allothioneins) 또는 폴리펩타이드(예, phytochelatin)의 구된 구성 성분으로서 카드믐, 구리, 아연 등과 chelation 하는데 관여를 하고 있다. 반면에 히스티딘은 니켈과 chelation 에 관여하여 해독 작용에서 중요한 역할을 한다. 따라서 이 두 아미노산이 식물의 일루미늄 흡수하는데 있어 어떻게 영향을 미치는지를 알아보았다(Fig. 1). 히스티딘의 처리 농도가 \( 500 \mu \mathrm{M} \) 이하면 식물의 성장이 거의 영향을 받지 않으며 이러한 농도 이상으로 처리하면 식물의 성장은 점차적으로 억제된다. 식물의 성장은 고농도인 \( 500 \mu \mathrm{M} \) 알루미늄 존재 하에서 심하게 억제되었는데 이 조건에서 히스티딘 처리는 알루 미늄에 의한 식물의 성장 억제가 약간 줄어드는 것으로 나타났다(Fig. 1A). 시스테인은 처리 농도가 \( 250 \mu \mathrm{M} \) 이상이 되면 식물의 성장을 현저하게 억제하는데 이러한 억제는 \( 200 \mu \mathrm{M} \) 알루미늄이 존재하는 경우에서도 비슷한 패턴으로 나타났다 (Fig. 1B). 이러한 결과는 히스티딘에 의해서 식물 안으로 알루 미늄 흡수가 적게 되어 알루미늄에 의한 식물 성장 억제가 완화되었으며 시스테인은 식물의 알루미늄 흡수에 별다른 영향을 주지 않는 것으로 추정할 수 있다.</p> <p>생물의 세포에서 생성되는 citrate, malate, oxalate, 그리고 succinate 같은 저분자 형태의 유기산은 금속 스트레스에 대한 저항성에 관여 하는데 이는 이들이 여러 금속과 chelation을 하기 때문이다. 예를 들어서 citrate는 카드뮴, 니켈, 아연에 대한 저항성에 관여를 하고 있으며, malate는 아연에 대해서 저항성을 가기고 있다. 따라서 저분자의 유기산이 알루미늄의 식물 내로 흡수되는 과정에서 어떠한 영향을 주는지 알아보았다(Fig. 2). \( 100 \mu \mathrm{M} \) citrate는 식물의 성장에 별다른 영향을 주지 않는 농도이지만 \( 250 \mu \mathrm{M} \) citrate는 식물 성장을 억제하는 농도이다. 배지에 첨가된 100 또는 \( 250 \mu \mathrm{M} \) Citrate는 알루미늄에 의한 식물 성장 억제 효과에 별다른 영향을 주지 않는 것으로 나타났다(Fig. 2A). Malate는 처리 농도가 \( 250 \mu \mathrm{M} \)되어도 식물의 성장에는 별다른 영향을 주지 않았지만 농도가 \( 500 \mu \mathrm{M} \)이 되면 식물의 성장을 억제한다. 배지에 첨가한 ma-late는 citrate 경우처럼 알루미늄에 의한 식물 성장 억제에 별다른 영향을 주지 않았다(Fig. 2B). Oxalate도 처리 농도가 250 \( \mu \mathrm{M} \) 되어도 식물의 성장에 별다른 영향을 주지 않았으며 알루미늄에 의한 식물 성장 억제에 미치는 효과도 거의 없는 것으로 나타났다(Fig. 2C). Citrate도 처리 농도가 \( 250 \mu \mathrm{M} \) 일 때 식물성장에 큰 영향은 없는 것으로 간주되며 또한 알루미늄이 미치는 식물의 성장에도 별다른 영향이 없는 것으로 보인다 (Fig. 2D). 이러한 결과들은 식물이 알루미늄 스트레스를 대처 하기 위해서 여러 유기산을 뿌리를 통해 분비하고 앋루미늄이 식물 내로 흡수되는 것을 억제하여 알루미늄에 의한 식물의 성장 억제를 덜 받는다는 사실과 부합되지 않지만 본 실험 조건에서는 유기산이 알루미늄 스트레스를 완화시켜주는 결과를 볼 수 없었다. 본 연구 결과들이 기존의 알려진 결과들과 차이를 나타나는 정확한 이유는 모르지만 아마도 기존의 실험 조건들은 \( \mathrm{pH} 4.5 \) 인 수용액을 사용한 것과 처리한 알루미늄의 농도는 대개 \( 20 \mu \mathrm{M} \) 정도로 낮게 처리하였는데 이러한 조건이 본 실험조건과 차이가 있어 결과도 차이를 보였을 거라고 추측한다.</p> <p>EDTA는 polyamino carboxylic acid으로서 구조식은 \( \left[\mathrm{CH}_{2} \mathrm{~N}\left(\mathrm{CH}_{2} \mathrm{CO}_{2} \mathrm{H}\right)_{2}\right]_{2} \) 이며 \( \mathrm{Ca}^{2+} \) 과 \( \mathrm{Fe}^{3+} \) 의 킬레이트로서 잘 알려져 있다. EDA (ethylenediamine)의 구조식은 \( \mathrm{C}_{2} \mathrm{H}_{4}\left(\mathrm{NH}_{2}\right)_{2} \) 로 화학공장에서 여러 화학물질 생산에 사용되고 있으며 \( \left[\mathrm{Co}(\mathrm{EDA})_{3}\right]^{3+} \) 형태로 전형적인 킬레이트 리간드로 작용한다. 비록 EDTA는 생분해가 잘 되지 않는 물질이지만 다양한 금속에 강력한 킬레이트로 작용하는 것으로 잘 알려져 있어 비교 대상으로 본 연구에 포함시켰다. EDTA는 처리 농도가 500\( \mu \mathrm{M} \) 되어도 식물의 성장에는 별다른 영향을 보이지 않았지만 고농도의 알루미늄의 처리에 의해서 식물의 성장이 억제되는 영향을 감소시키는 것으로 나타났다(Fig. 3A). 이는 EDTA가 식물의 알루미늄 흡수를 강하게 억제한 결과라고 추정된다. EDA도 처리 농도가 \( 500 \mu \mathrm{M} \) 에서 식물의 성장에 별다른 영향을 보이지 않았지만 EDTA 처리 경우와 유사하게 알루미늄에 의한 식물의 성장억제가 현저하게 줄어든 것으로 나타났다 (Fig. 3B). 알루미늄에 의한 식물의 성장 억제 효과가 EDA 처리에 의해서 감소되지만 이 효과는 EDTA에서 보여준 것보다 약간 더 효과적인 것으로 나타났다. 이는 EDA가 식물에서 알루미늄 흡수를 억제하는 효과가 EDTA보다 약간 더 강력하다는 것을 암시한다. EDA의 영향이 실제로 식물 내로 알루미늄 이 흡수되는 것을 억제하였기 때문인지를 확인하기 위해서 식물 내 축적되는 알루미늄의 농도를 분석하였다(Fig. 4). 실험 결과는 EDA가 식물 내로 흡수되는 알루미늄의 양을 현저하게 억제한 것으로 나타났다.</p> <p>본 연구 결과는 고농도의 알루미늄으로 오염된 토양을 식물을 이용하여 정화할 때 식물이 오염된 지역에서 성장이 가능하고 정화도 가능하게 해주는 친환경적인 킬레이트로서 EDA가 강력한 후보임을 제시를 하며 실제로 현장에서 적용이 가능한지는 앞으로 더 연구가 수행되어야 할 것이다.</p>