카드뮴과 질산염에 의한 담배의 생장 측정에서 카드뮴만을 처리한 담배의 생체중량은 대조구에 비해 현저히 감소하였으며, 질산염 \(\left(180 \mathrm{~mM} \mathrm{~KNO}_{3}\right) \)을 처리하였을 때는 더욱 더 감소하였다. 질산염은 뿌리의 생장에 영향을 미치며, 질산염이 부족하게 되면 카드뮴의 억제 효과는 상승한다. 대조구와 비교하여 카드뮴 처리구는 rubisco의 활성이 현저히 감소되었는데, 이는 시스테인의 SH 기에 비가역적으로 결합한 카드뮴이 효소의 활성을 억제시켰기 때문이며 질산염에 의한 rubisco의 활성 증가는 광합성률을 증가시킬 것으로 추측된다. 카드뮴과 질산염은 rubisco activase를 통해서 rubisco의 활성화와 합성에 관여하고 있다. 결과적으로 rubisco와 rubisco activase의 활성과 함량은 카드뮴에 의해 감소되고, 한편 질산염은 직접적으로 rubisco의 활성화와 합성에 관여 할 뿐만 아니라 rubisco activase를 통해서도 rubisco의 작용에 관여함을 알 수 있다.
<h1>결과 및 고찰</h1> <p>담배 신초 전편율 \( 376 \mathrm{~mM} \mathrm{~KNO}_{3} \)가 함유된 대조구와 카드뮴 처리구 그리고 카드뮴과 \(180 \mathrm{~mM} \mathrm{~KNO}_{3} \)가 함유된 질산염 처리구에서 3주간 생장시킨 다음, 카드뮴과 질산염에 의한 담배의 생장을 관찰하기위해 생체 중량, 신초와 뿌리의 길이를 측정하였다. 카드뮴만을 처리한 담배의 생체중량은 대조구에 비해 현저히 감소하였으며, 질산염 \(\left(180 \mathrm{~mM} \mathrm{~KNO}_{3}\right) \)을 처리하였을 때는 더욱 더 감소하였다. 잎 chlorosis는 카드뮴에 의한 영향에 의해 나타나는 현상 중의 하나로서, 본 연구에서도 잎이 노란색으로 변하였다. 질산염 처리구에서는 잎이 성숙되지 못하고 쪼그라짐과 백화 현상이 나타났으며 발육이 거의 되지 않았다(미게재).</p> <p>대조구와 비교하여 카드뮴만을 처리한 신초의 길이는 현저히 감소하였으며, 카드뮴과 질산염 혼합 처리구에서는 더 감소하였다. 이와 같은 양상은 뿌리에서도 나타났는데, 특히 질산염 처리구에서는 뿌리가 생성되지 않았으며, 신초와 뿌리에 미치는 영향을 비교하면 뿌리에 대한 억제 효과가 더 크게 나타났다. 이 결과로부터 질산염이 신초보다는 뿌리의 생장에 더 영향을 미친다는 것을 알 수 있으며, 질산염의 부족은 카드뮴의 억제 효과를 상승시킴을 의미하는 것이다. 또한 담배의 생장이 질산염에 의해 회복되지 않는 것으로 보아, 질산염은 칼슘과는 달리 카드뮴에 대한 detoxidant나 trigger로서 작용하지 않는 것으로 추측된다.</p> <p>엽록소 a는 엽록체 틸라코이드 막에 존재하는 광계의 반응 중심에 위치하고 있으며, 엽록소b는 반응 중심보다는 오히려 LCH 복합체에 주로 존재하는 광합성 색소이다. 광합성에 미치는 카드뮴의 negative한 효과는 광합성 색소들의 함량의 감소에 기인되는데, 본 연구에서도 대조구와 비교하여 카드뮴 처리구에서의 엽록소 a와 b의 함량은 현저히 감소하였다. 이는 카드뮴에 의해 엽록소의 생성에 관여하는 aminolevulinic acid의 합성과 protochlorophyllide 의 광환원 반응이 억제되었기 때문으로 해석되며, 카드뮴의 독성이 엽록소 수준의 현저한 감소와 연관되어 있음을 추측하게 한다. 본 연구에서의 결과와 같이 Dubé와 Bornman, 그리고 Larsson 등은 각각 카드뮴을 처리한 전나무와 유채 잎에서 엽록소 함량이 감소됨을 관찰하였으며, 또한 Sandalio 등도 완두 잎에서 Cd에 의해 엽록소의 농도가 현저하게 감소된다고 보고하였다.</p> <p>카드뮴과 질산염 혼합 처리구에서는 카드뮴 처리구에서 보다 엽록소a와 b의 함량이 더 감소하였다. 이는 질산염이 카드뮴의 작용을 억제시켰기 때문으로 생각된다. 질소원의 공급을 증가시켜 질소가 풍부해 지면 엽록소의 함량이 증가한다는 Yamashita의 보고로 미루어 보아, 질산염의 농도를 증가시키면 Fig. 3C와 B에서 보는바와 같은 회복 현상이 일어난다. 엽록소 a와 b에 미치는 영향을 비교하면 엽록소 a보다 b에 대한 억제 효과가 더 크게 나타났다. 이 결과로부터 카드뮴과 질산염이 엽록소 a보다는 b에 더 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.</p> <p>불활성 상태로 엽록체 내에서 조립되어 만들어진 rubisco가 기질인 \( \mathrm{CO}_{2} \)를 고정하기 위해서는, large subunit의 활성 부위에 있는 201번 lysine 잔기의 \( \varepsilon \)-amino group에 activator \( \mathrm{CO}_{2} \)와 \( \mathrm{Mg}^{2+} \)가 결합하여 활성 상태가 되어야만 한다. Rubisco에 대한 카드뮴과 질샨염의 효과를 연구하기 위해, 담배 유식물의 잎으로부-터 Q-Sepharose colomn 상에서 \( 0.1 \) - \( 0.5 \mathrm{~M} \mathrm{~NaCl} \)로 용출시켜 rubisco를 분리한. 다음, 이의 활성과 함량을 각각 분광분석기와 항체를 사용한 면역학적 방법을 이용하여 측정하였다.</p> <p>카드뮴 처리구는 대조구와 비교하여 rubisco의 활성이 현저히 감소되었는데, 이는 rubisco의 활성부위에 존재하는 시스테인의 SH 기에 카드뮴이 비가역적으로 결합하여 이 효소의 활성을 억제시켰기 때문이다. Panković 등은 Calvin회로에서 RuBP 재생성에 카드뮴이 관여한다는 것을 보고하었으며, Mendelssohn 등은 생장 배지에 존재하는 카드뮴에 의해 광합성이 현저히 감소된다는 사실을 확인하였다. 카드뮴과 질산염 혼합 처리구에서도 대조구와 비교하여 rubisco의 활성이 현저히 감소하였는데, 이는 질소원의 결핍에 의한 현상으로 해석되며, 카드뮴 처리구와 비교하면 약간 감소하였다. Yamashita는 뽕나무 잎에 질소의 공급을 증가시키면 RuBPCase의 활성이 증가한다고 하였는데, 대조구가 질산염 처리구에서 보다 높게 나타난 것으로 보아 질산염의 농도를 증가시켜 주면 활성이 증가할 것으로 추측된다. 또한 광합성률의 변화가 rubisco 활성의 변화와 관계가 있다는 보고로 보아, 질산염에 의한 rubisco의 활성 증가는 광합성률을 증가시킬 것으로 추측된다.</p> <p>카드뮴 처리구는 대조구와 비교하여 rubisco의 함량이 현저히 감소하였고, 카드뮴과 질산염 혼합 처리구에서도 대조구와 비교하여 rubisco의 함량이 현저히 감소하였으며, 카드뮴과 질산염 혼합 처리구에서도 카드뮴 처리구와 비교하여 rubisco의 함량이 감소하였다. 이는 질소원의 결핍에 의해 나타나는 현상으로 해석된다. 본 연구 결과와는 다르게 Huffaker와 Makino 등은 각각 보리와 벼의 잎에 질소원을 외부에서 공급해 주면 RuBPCase의 농도가 촉진됨을 보고하였다. 따라서 이러한 차이는 질소원의 종류와 농도에 따라 다르기 때문에 나타나는 현상으로 추측된다. 본 연구에 서 rubisco의 함량이 rubisco의 활성과 같은 경향을 보인 것 으로 보아, rubisco의 함량이 활성과 상호 연관되어 있으며, rubisco의 활성화와 합성이 카드뮴에 의해서는 저해되나, 이 저해 현상이 질산염에 의해서는 회복되지 못하는 것으로 해석된다. 따라서 카드뮴은 negative effector로 작용하나, 카드뮴에 대해 저농도의 질산염은 positive effector로 작용하지 못하는 것으로 생각된다.</p> <p>Rubisco activase는 rubisco의 활성을 조절하는 효소로서, ATP와 RuBP의 존재 하에서 rubisco의 촉매 활성을 유지시키고 촉진시켜주는 역할을 하는 새로운 형태의 chaperone이다. Rubisco activase의 조절은 두개의 isoform 중에서 large isoform의 카복시 말단에서 thioredoxin-f에 의해 매개되는 산화환원반응의 변화를 통해 일어난다. 이러한 rubisco activase의 특성과 연관시켜, 본 연구에서는 카드뮴과 질산염에 의해 유도되는 rubisco의 활성과 함량 변화가 rubisco activase와 관련되었을 것이라는 가정 하에, rubisco에 대한 카드뮴과 질산염의 영향의 원인을 규명하기 위해 Q-Sepharose를 이용한 anion exchange chromatograph에 의해 분리한 rubisco activase의 활성과 함량을 측정하였다.</p> <p>카드뮴 처리구의 rubisco activase 활성은 대조구에서의 활성과 비교하여 현저히 감소되었고, 카드뮴과 질산염 혼합 처리구의 rubisco activase 활성도 대조구와 비교하여 현저히 감소하였으며, 또한 카드뮴과 질산염 혼합 처리구의 rubisco activase도 카드뮴 처리구와 비교하여 활성이 감소하였다. Rubisco activase의 함량도 대조구, 카드뮴 처리구, 및 카드뮴과 질산염 혼합 처리구 모두에서 활성과 같은 경향을 나타내었다. 이와 같은 rubisco activase의 활성과 함량 변화 경향이 rubisco의 활성과 함량과 같은 경향을 보였다는 것은 카드뮴과 질산염이 rubisco activase를 통해서 rubisco의 활성화와 합성에 관여한다는 것을 의미한다.</p> <p>이상의 결과를 종합하면, rubisco와 rubisco activase의 활성과 함량은 카드뮴에 의해 감소되면서 질산염에 의해 회복되지 못하고, 질산염의 부족은 카드뮴의 억제효과를 증가시키는 것으로 생각된다. 이 과정에서 질산염은 직접적으로 rubisco의 활성화와 합성에 관여 할 뿐만 아니라 rubisco activase를 통해서도 rubisco의 작용에 관여하는 것으로 해석된다.</p>