갓 베어낸 풀에서 나는 날카롭고 풋풋한 냄새, 왜 날까?

초록잎의 휘발성 물질은 위협에 대한 식물의 신속한 대응이다. [사진=Star61/Wikimedia Commons]

식물은 공격을 받을 때 특정 가스를 생성하여 초식동물과 병원균을 직접적으로 막고 간접적으로 초식동물을 유인한다.

잔디를 깎거나 꽃 줄기를 자를 때 코를 찌르는 날카로운 풀 냄새에 대해 궁금한 적이 있을 것이다. 이는 식물이 다른 식물과 소통하고 초식동물이나 박테리아나 곰팡이와 같은 병원균으로부터 자신을 방어하기 위해 사용하는, 쉽게 증발하는 기름(oil)인 '초록잎 휘발성 물질(GLV: green leaf volatile)'이다.

거의 모든 녹색 식물은 공격을 받으면 GLV를 빠르게 합성하고 방출하여 공격자를 직접적으로 방어할 뿐만 아니라 곤충과 같은 초식동물의 포식자를 간접적으로 유인하고 식물의 다른 방어 메커니즘을 활성화할 수 있다. 연구자들은 GLV가 식물을 보호하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 알고 있지만, 그 작용 방식은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.

그래서 최근 식물 세포가 초록잎 휘발성 물질을 어떻게 배출하는지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 왕랩(Wang Lab)과 사우스캐롤라이나대학 스트랫만 연구소(Stratmann Lab)가 공동 발표한 연구에서 토마토 세포의 방어 반응을 유도하기 위해 GLV가 사용하는 잠재적인 신호 경로를 확인했다고 밝혔다. 이번 연구의 궁극적인 목표는 더 깨끗한 농업을 위해 GLV를 사용하여 농업 해충을 방제하는 방법을 알아내는 것이다.

식물의 방어 시스템
식물은 자신을 보호하기 위해 다양한 방어 시스템을 사용한다. 첫 번째 방어선은 손상되거나 죽어가는 세포에서 분비되는 분자인 '손상 관련 분자 패턴(DAMP: damage-associated molecular pattern)'을 사용하여 미생물 침입자와 손상의 존재를 감지하는 것이다.

세포가 DAMP를 식별하면 면역 반응을 촉발하고 복구 메커니즘을 촉진한다. 또한 칼슘 이온 농도에 변화를 일으켜 면역 관련 유전자 및 단백질을 더욱 활성화한다. DAMP는 또한 다른 방어 반응을 활성화하는 여러 스트레스 신호 경로에서 공통적으로 나타나는 단백질을 활성화한다.

식물은 여러 가지 방어 수단을 갖고 있다.

많은 연구에서 GLV의 효과가 DAMP와 유사하다는 사실이 밝혀졌다. 따라서 이들 연구진은 GLV가 DAMP의 역할을 할 수 있는지 증명하고 싶었다.

이를 위해 토마토 세포에서 어떤 단백질이 켜지거나 꺼지는지 연구했다. 인산화(phosphorylation)라는 과정을 통해 단백질의 구조를 화학적으로 바꾸면 단백질이 켜지거나 꺼진다. 단백질 인산화는 수많은 세포 과정을 조절하는 데 중심적인 역할을 하며 많은 신호 전달 경로를 포함한다. 토마토 세포의 인산화 단백체, 즉 한 시스템에서 인산화되는 모든 단백질을 연구하면 GLV와 DAMP의 신호 전달 경로를 비교하는 데 도움이 될 수 있다.

그 결과 초록잎 휘발성 신호 전달 경로에 관여하는 많은 단백질이 스트레스 조절에 관여한다는 사실을 발견했다. 여기에는 DAMP 신호 경로의 많은 구성 요소가 포함되어 있어, GLV가 방어 반응을 활성화하는 데 DAMP와 같은 기능을 한다는 가설을 뒷받침하고 있다.

농업에서 GLV 사용
농업은 종종 천연자원과 환경에 상당한 부담을 준다. 예컨대, 기존 살충제를 사용하면 환경 파괴와 해충 내성을 유발할 수 있다.

그래서 독성이 덜한 대안으로 생물농약이 인기를 얻고 있다. 이는 해충의 성장과 확산을 억제하는 자연 발생 유기체 또는 화합물이다. 예를 들어, 식물의 휘발성 유기 화합물은 저장된 식품 곡물의 해충을 관리하기 위해 합성 살충제 사용을 줄일 수 있는 것으로 입증된 생물농약의 일종이다.

따라서 GLV는 농업에서도 효과적인 생물 살충제가 될 수 있다. 한 연구에 따르면 GLV는 식물 해충인 아피온 미니어텀(Apion miniatum) 딱정벌레를 유인하여 침습적이고 방제가 어려운 잡초인 루멕스 컨퍼투스(Rumex confertus)를 먹이로 삼을 수 있는 것으로 나타났다. 또한 야생 담배 식물에 대한 현장 연구에 따르면 GLV를 방출하면 초식동물의 적을 유인할 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 초식동물의 경쟁자가 존재하면 해충을 방제할 뿐만 아니라 감염된 식물의 생산량도 증가시킬 수 있다.

추가 연구를 통하면 GLV가 해충을 자연적으로 방제하고 지속가능한 청색기술이 적용된 농업을 지원할 수 있는 잠재력을 가지고 될 것으로 의심의 여지가 없다.