바이오인

 

 

식물 2차 대사산물(Plant secondary metabolite, SMs)들은 유용한 천연물일 뿐만 아니라, 외부 자극이나 병원성 공격에 대해서 식물에서 중요한 부분을 담당한다. 식물의 2차 대사산물은 그 생물학적인 작용 때문에 의약품의 재료나 치료용, 방향, 요리 등의 식품 첨가물로 많이 사용된다. 다양한 유전적 환경적 요소들이 식물 2차 대사산물의 생합성과 축적에 영향을 미친다. 문헌에 따르면, SM이 식물 안에 축적되는 것은 빛, 온도, 흙 속의 수분, 흙의 기름짐, 염도에 달려 있다. 이 리뷰에서는 각 요소들이 식물의 2차 대사산물(SM)의 축적에 어떻게 영향을 주는지, 스트레스의 유무에 따라 천연물들의 비교 분석을 진행하는 것을 한 것을 알아볼 것이다. 식물의 2차 대사산물의 생성에 영향을 주는 환경적인 영향을 정리해봄으로써, 실질적으로 작물에 효능 물질들을 양질의 기능성 물질을 많이 얻을 수 있는 실질적인 방법들을 제공하고자 한다.

키워드: 식물의 2차 대사산물, 페놀, 플라보노이드, 터페노이드, 알칼로이드, 환경적인 요소에 대한 반응, 광조사, 토양수분, 토양의 염도와 비옥도

분야: Plant Science, Environmental_Biology

본 자료는 Response of Plant Secondary Metabolites to Environmental Factors. Molecules 23(4), 762 (2018). 의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

 

 

1. 서론

2. 빛 조사로 인한 식물의 2차 대사산물의 반응

  2.1. 식물의 2차 대사산물에 대한 광주기의 영향

  2.2. 빛의 세기가 식물의 2차 대사산물에 미치는 영향

  2.3. 빛의 질이 식물의 2차 대사산물에 주는 영향

3. 온도에 대한 식물의 2차 대사산물들에 대한 반응

4. 흙 수분에 따른 식물의 2차 대사산물의 반응

5. 토양의 염도에 관한 식물의 2차 대사산물의 반응

6. 토양의 기름진 정도에 대한 식물의 2차 대사산물의 반응

7. 결론

 

  

“식물의 2차 대사”라는 용어의 뜻은 2차 대사 작용을 통해서 생물의 생존에 필수적이지 않은 저분자 물질을 생성하는 대사작용이나 경로를 뜻한다. 특히 자연에서, 다양한 2차 대사 경로를 통해 식물의 방어작용을 하기 위한 물질을 만들어 내게 되는데, 그것을 “2차 대사산물(Secondary metabolite, SMs)” 이라고 부른다. 식물들은 단백질, 지방, 탄수화물과 같은 1차 영양분뿐만 아니라, 변성독소(toxoids), 다당류, 플라본(flavones)같은 2차 대사 물질들을 만든다. 이러한 물질들은 외부환경에 대한 여러 가지 스트레스에 따라 식물이 적응하는데 필수 불가결한 물질이다. 이런 물질은 식물을 공격하는 것(초식동물, 박테리아, 곰팡이, 바이러스 등)에 대한 보호작용을 하기도 하고, 어떤 식물에서는 공생 미생물들과 소통하는데 신호로써 쓰이기도 한다.

 

2차 대사산물들은 그 화학적인 구조에 따라 분류된다. 페놀릭산, 플라보노이드, 터페노이드, 스테로이드, 알킬로이드 같이 큰 분자를 가지는 것들은, 식물의 방어 작용을 강화하는데 사용된다 (그림 1, 그림 2). 이러한 물질들은 생물학적인 활성이 매우 크기 때문에 약이나, 향료, 산업적 물질들에 중요한 원천이 되고, 실제로도 제약, 화장품, 정제 화합물, 약효식품 등에도 사용된다.

 

하지만, 대다수의 식물에서 2차 대사산물을 추출하는 것은 시간과 노력이 많이 들어가는 과정이다. 이러한 노력에 비하여 좋은 결과물을 얻기가 쉽지가 않기 때문에 연구자들에게는 효과적이면서도 효율적인 대사산물 추출 방법들을 찾아내는 것이 중요한 과제이다. 그래서 지금까지, 높은 수율을 내는 식물 종을 찾거나, 키우는 조건을 최적화시키는 것에는 많은 연구들이 진행되었다. 그러나 2차 대사산물이 환경이 주는 스트레스에 반응 및 환경적인 요소와 연관 지어서 진행된 연구는 거의 없었다. 환경적인 조건에 피토케미칼 성분의 축적이 실제로 매우 깊이 연관되어 있다. 물, 빛, 온도, 토양의 비옥도, 염도, 물 등이 식물의 성장과 발달과 2차 대사산물의 생성에 매우 중요한 역할을 한다. 특별히, 약용식물의 경우, 환경적인 조건은 대사의 방향을 결정할 수가 있어서, 결국 활성 구성성분의 요소의 생산을 조절하게 한다.

 

왜냐하면, 식물은 약초, 약물로써의 매우 복잡하고 다양한 화학적 조성을 가지고 있고, 식물의 2차 대사산물들(SM)의 양과 타입 역시 환경적인 변화에 따라 결정된다. 게다가, 어떤 특별한 SM은 어떤 특정한 환경에서만 오직 생성되기 때문에, 특정한 높은 약효가 있는 식물들은 반드시 매우 세밀하게 조절된 환경에서 키우고 생산되어야 한다. 식물의 2차 대사산물들(SM)에 대해서는 수많은 문헌들이 있다. 이 리뷰에서는 SM의 양과 성분이 환경과 관련된 토양의 영양 성분과 기후조건, 방사선(강도, 질, 지속시간), 온도, 토양 수분, 토양의 기름진 정도, 염도 등에 달라지는 것들 대해서만 초점을 맞추어 이야기를 해볼 것이다. 이 논문의 목표는 실질적으로 사용하기에 효과가 있는 식물의 2차 대사산물을 환경의 스트레스에 대한 반응을 조사하고 그에 따라 배양 기술을 최적화하여서 유용한 생산을 극대화 시키는 것이다.

  

 

식물의 성장의 생합성 과정에 있어서 빛은 매우 중요하다. 빛 조사의 시간, 강도, 방향, 질(파장 등) 이 그 요소이다. 자연계에서, 식물의 성장에서 식물이 대사를 하도록 하고, 조절하는 것에 있어서 빛은 다른 어떤 것과도 바꿀 수 없다. 2차 대사산물의 축적은 항산화 작용으로 잘 알려져 있기 때문에 경제적인 가치가 있다. 이러한 것들 트리테르페노이드, 플라보노이드, 페놀릭 링을 가진 물질들은 환경적인 변화가 일어났을 때 축적하거나 발산 되는데, 이것으로 인해서 식물이 잘 적응하도록 하는 역할을 한다.

 

 

 

 

 

광주기는 식물의 성장과 2차 대사산물의 생합성에 영향을 준다. Xanthium 종에서 페놀릭, 페닐, 프로페인 유도체들이 빛 광선의 영향에 있어서 민감하게 반응한다는 것을 보여주었다. 짧은 낮 시간 동안만 햇빛을 보게 했을 때, 카페오일퀴닉산이 40% 감소하였고, 긴 낮 시간으로 오랫동안 빛을 조사하는 것에 비해서 짧은 시간 조사할 때 플라보노이드 아글리콘의 양은 반 정도 감소하였다. Pinus contorta, 짧게 낮 햇빛을 조사하는 주기를 반복할 때, 안토시아닌의 양이 현저하게 감소하는 것을 확인하였고, flavan-3-ol의 경우에는 큰 변화를 보이지 않았다. 16시간 이상의 빛 조사에서는 Ipomoea batatas의 잎에서 플라보노이드(안토시아닌, 카테킨, 플라보놀)와 페놀산(하이드록시씨나믹산, 하이드록시벤젠산)의 양이 현저하게 증가되었다. 핀란드의 북부(라핀자르비)와 남부(오우루와 무초스 지방)에서 Vaccinium myrtillus의 빛의 주기를 조절하는 실험에서, 12시간의 짧은 광주기와 비교했을 때, 24시간 간격의 광주기에서 높은 안토시아닌과 그 유도체 그리고 클로로젠산의 생산 되었다. 결론적으로, 긴 낮 시간의 햇빛이 식물의 2차 대사산물을 늘릴 수가 있다는 것을 보여준다.(표1)