34.13: 물관부 및 증산에 의한 자원 수송

관속식물의 물관부(xylem)는 뿌리를 통해 흡수된 물과 용해된 무기질을 식물의 여러 부위에 분배합니다. 물관액(xylem sap)을 수송하는 세포는 성숙하면 죽습니다. 따라서 물관액의 이동은 수동적인 과정을 통해 이뤄집니다.

헛물관과 물관요소가 물관액을 수송합니다

통수요소(tracheary element)는 물관부의 수송 세포입니다. 통수요소는 성숙하면 세포질(cytoplasm)과 세포기관(organelle)이 없고, 세포 외 공간(extracellular space)과 직접 연결되기 때문에 전세포벽(apoplast)의 일부로 여겨집니다. 통수요소에는 헛물관(tracheid)과 물관요소(vessel element; 물관세포)라는 두 가지 유형이 있습니다.

헛물관은 벽공(pit)라고 불리는 작은 틈을 포함한 주름진 벽을 가진 길쭉한 세포입니다. 벽공은 세포벽이 겹치는 곳에서 한 세포에서 다음 세포로 물관액을 통과시킵니다. 비종자 관속식물과 대부분의 겉씨식물(gymnosperm) 혹은 구과(cone)를 가진 식물은 헛물관만 가지고 있어 물관요소가 발생하기 이전에 진화한 것으로 간주됩니다.

물관요소는 물관(vessel)을 형성하기 위해 수직으로 쌓이는 더 넓고 길쭉한 세포입니다. 물관요소는 물관액이 흐를 수 있는 공간을 가진 특수한 세포 끝 구조 천공판(perforation plate)으로 연결되어 있습니다. 천공판이 더 큰 지름과 더 효율적인 구조를 가지면, 이는 물관요소로 구성된 물관이 훨씬 더 많은 양의 물관액을 수송할 수 있다는 것을 의미합니다. 대부분의 속씨식물(angiosperm) 또는 현화식물(flowering plant)은 헛물관과 물관요소를 모두 가지고 있습니다.

무기질의 능동수송은 뿌리에서 잎으로 향하는 수압 구배를 만듭니다.

물이 투과 가능한 뿌리 세포를 통해 식물로 수동 확산하는 동안 무기질은 능동수송(active transport)을 통해 물관부 안으로 수송됩니다. 그 결과 뿌리 내 용질의 높은 농도는 물관부 안에 수분퍼텐셜(water potential; 수분포텐셜) 구배를 만드는데, 이때 뿌리 쪽은 높은 수분퍼텐셜을, 용질 농도가 낮은 식물의 위쪽은 낮은 수분퍼텐셜을 형성합니다. 그런 다음 물은 낮은 수분퍼텐셜 영역으로 이동하지만, 이런 구배는 물관부를 통과하는 물관액의 이동에 약간의 기여만 합니다.

물 분자에 대한 물리적 힘은 물관부 내에 유체를 유지합니다

물관액의 수송은 부분적으로 물 자체의 물리적 특성에 의해 가능합니다. 물관부를 통한 물관액 수송에 대한 응집력-장력 가설은 1890년대에 처음 제안되었습니다. 물 분자 간의 응집력은 물 분자의 세 원자 모두 다른 물 분자와 수소결합에 참여할 수 있어서 상대적으로 강합니다. 이것은 잎의 증산작용으로 인한 당김이 물관부에 있는 물 분자에 사슬의 연결 고리처럼 뿌리까지 영향을 줄 수 있다는 것을 의미합니다.

또 다른 힘인 부착력(adhesion)은 물 분자가 잎에 있는 엽육세포(mesophyll cell)의 세포벽과 같은 식물 내부의 표면에 달라 붙을 수 있게 합니다. 이는 수증기가 잎에서 증산할 때 물의 표면장력을 이용해 잎맥에서 물관액을 끌어낼 수 있게 합니다. 또한, 물관의 벽에 물 분자가 부착하는 것은 기공(stomata)이 닫히고 증산에 의해 생성된 장력이 멈출 때 물관액이 뿌리를 통해 아래로 빠져나가는 것을 막아줍니다.