식물 영양에서 박테리아와 곰팡이의 역할

식물은 광합성을 통해 자신의 식량을 만드는 능력을 갖추고 있습니다. 그러나 식물은 종종 적절한 기능을 수행하는 데 필요한 영양분을 얻기 위해 토양의 유기체의 도움이 필요합니다. 박테리아와 곰팡이는 모두 식물과의 공생관계를 진화 시켜 식물이 다양한 환경에서 번성하도록 돕고 있습니다.

식물 뿌리와 주변에 서식하는 집단 박테리아를 통틀어 근권(rhizosphere)이라고 부릅니다. 토양에 서식하는 박테리아는 놀라울 정도로 다양합니다. 일부는 병원성일 수도 있지만, 대부분은 식물 건강을 증진시키는 역할을 합니다. 한편, 박테리아는 식물로부터 탄수화물, 아미노산, 핵산의 형태로 영양을 공급받습니다.

근권세균(rhizobacteria)이라고 불리는 박테리아는 항생제를 생산하거나 토양에서 독성 금속을 흡수함으로써 식물을 보호할 수 있습니다. 또한, 박테리아는 식물이 접근할 수 없는 토양 속 영양소 저장고에 접근함으로써 식물을 돕습니다. 예를 들어, 식물들은 대기에서 직접 질소를 이용할 수 있는 분자 체계가 부족합니다. 대신, 식물은 흙에 사는 박테리아가 생성하는 암모늄(NH4+)과 질산염(NO3-)의 형태로 질소를 흡수합니다.

질소 고정이라고 불리는 과정에서, 토양에 사는 박테리아는 대기 질소를 암모니아로 변환합니다. 질소 고정은 ATP가 많이 필요하며, 박테리아는 탄수화물에서 파생된 ATP를 식물에서 제공받습니다. 다른 박테리아는 질화작용(nitrification)이라 불리는 2단계 과정을 통해 암모니아를 질산염으로 변환합니다. 이 과정들은 식물에게 단백질과 핵산을 합성하는데 사용할 수 있는 질소를 제공합니다.

곰팡이도 식물과의 공생관계에 참여합니다. 과학자들은 식물과 균근 곰팡이(mycorrhizae fungi) 사이의 상리공생관계가 초기 식물이 토양으로부터 필수 요소를 얻도록 도와 군체형성이 성공하는 데 핵심 역할을 한 적응(adaptation)이었다고 여깁니다. 현대의 균근은 물 획득, 성장 요인 신호, 식물 보호 같은 기능을 합니다. 외생균근(ectomycorrhizae)은 뿌리를 덮고 물과 무기질의 흡수를 돕습니다. 이와 동시에 수지상체 균근(arbuscular mycorrhizae)이 뿌리 세포에 박혀 있어 식물 세포와 곰팡이의 균사(hyphae) 간 접촉을 증가시킵니다.