≪ 요 약 ≫

1. 식물의 생로병사를 쥐락펴락

식물호르몬은 특정 부위에서 만들어지고 체내의 다른 부분으로 이동하여 적은 양으로 생리적 작용을 일으키는 물질이다. 적은 양으로 큰 영향을 주는 물질은 많으나 보통 식물호르몬으로 인정되고 있는 것은 옥신(Auxin), 지베렐린(GA), 시토키닌 (Cytokinin), 에틸렌 (Ethylene), 앱시스산(ABA) 5가지를 의미한다.

식물계에서 가장 흔히 볼 수 있는 많은 현상을 일으키는 호르몬은 옥신(auxin)으로 성장과 관련된 세포의 분열을 촉진하는 역할을 한다. 일본에서 벼의 키다리병원균을 연구하다 발견한 지베렐린은 식물 생장을 촉진한다.

시토키닌은 생장조절기능을 가지고 있으며 세포분열을 촉진하는 모든 물질을 부르는 명칭이다. 앱시스산(Abscisic acid)은 식물의 휴면에 관여하고 불량 환경에 의한 스트레스를 감소시킬 때도 분비된다. 대체로 식물호르몬이 화학 구조상 간단하게 되어 있지만, 에틸렌은 그 중에서도 가장 간단하면서도 큰 영향을 미치는 호르몬으로 앱시스산과 함께 물리적 손상, 병원균 침입, 외부의 불량환경 등의 스트레스에 의해 활발히 생성되는 스트레스 호르몬이다.

2. 자나 깨나 에틸렌 조심

넬류보프의 발견 이전에도 사람들은 오랜 경험을 통해 얻은 지식을 이어 내려 오면서 생활 속에서 이용해 왔다. 넬류보프의 발견 이후 학자들은 계속적인 연구를 통해 에틸렌이 식물호르몬임을 입증해 왔다. 과일의 성숙에 관여하고 노화를 촉진한다는 것 이외에도 식물에 중요한 몇 가지 사실들이 추가로 발견하였다.

과실의 성숙에 관여하는 성질 때문에 알려진 에틸렌은 농업에서는 꽤 중요하면서도 성가신 취급을 당하게 되었다. 모든 농산물의 수명은 수확부터 시작하여 유통단계를 거쳐 판매가 되는 시점까지로 이 기간의 품질유지는 매우 중요하다. 원예 산물의 에틸렌 발생은 종류 및 품종에 따라 매우 다양하며, 작물의 에틸렌 발생량과 저장성에는 밀접한 관계가 있다.

에틸렌은 생성이 시작되면 사실상 인위적으로 생성 및 작용을 억제한다는 것이 불가능하므로 생성억제가 관건이다. 반면 에틸렌 가스의 작물의 성숙과 착색을 촉진시키는 등의 생리적 작용을 농업에 활용하는 방법은 이미 널리 쓰이고 있다. 현재 농산물 저장분야에서는 1-MCP라는 생장조절제를 활용하여 성가신 에틸렌을 효과적으로 제어하고 있다.

3. 시사점

수확 후 관리기술을 전략적 육성을 검토해야 한다. 그 동안 집중되어온 생산량 증대전략에 생산수율 확보 전략을 더한 식량안보 확보 및 수출농업 전략이 필요한 시점이다.

Ⅰ. 식물의 생로병사를 쥐락펴락

호르몬이란?

□ 호르몬이란 비타민이나 효소와 마찬가지로 극히 미량으로써 몸의 특정 부분(표적 기관)의 작용에 큰 영향을 미치는 물질(위키)

○ 호르몬(hormone)이란 말은 그리스어로 '자극하다', '흥분시키다', '각성시키다'라는 의미

- 생체 내에서 합성되어 생체 내에서 어떤 현상을 일으키거나 어떤 물질을 움직이게 한다는 뜻(두산백과)

- 가장 큰 특징은 적은 양으로 명확하고 뚜렷한 효과를 나타내며 너무 많거나 부족하면 이상 증상을 나타내게 됨

○ 모든 생물은 성장과 생식에 호르몬이 관여하고 있으며 종에 따라, 분비기관에 따라, 하는 역할에 따라 부르는 명칭은 다양

- 종에 따라서는 동물과 식물, 남성과 여성, 분비기관은 갑상선, 뇌하수체 등이 있고, 역할로는 성(性)과 성장호르몬이 대표적

* 척추동물의 호르몬은 동일한 기능을 하는 경우가 많은데 돼지의 인슐린을 사람의 당뇨병 치료에 사용하는 것이 가장 쉽게 볼 수 있는 사례

식물과 호르몬

□ 식물호르몬은 특정 부위에서 만들어지고 체내의 다른 부분으로 이동하여 적은 양으로 생리적 작용을 일으키는 물질(두산백과)

○ 식물호르몬의 이동은 확산에 의하며, 주로 표적 기관의 분화와 생장에 영향을 미쳐 영구적인 변화를 만들어냄 (위키피디아)

- 잎, 줄기, 뿌리, 꽃, 과실, 종자의 형성 등처럼 호르몬 공급이 중단되더라도 원래대로 돌아가지 않고 계속 생장(生長)

* 과학용어로 생장은 세포 수가 계속 증가하여 커지거나 다른 형태가 되는 것이고 성장은 형태변화 없이 단순히 커지는 것

○ 매우 낮은 농도만으로도 세포가 조직으로 변화하거나 기능을 하는데 큰 영향을 주며 종류에 따라 생성되는 장소가 다름

□ 적은 양으로 큰 영향을 주는 물질은 많으나 보통 식물호르몬으로 인정되고 있는 것은 5가지

○ 보통 식물호르몬이라 하면 옥신(Auxin), 지베렐린(GA), 시토키닌(Cytokinin), 에틸렌 (Ethylene), 앱시스산(ABA)의 5가지를 의미

어린 잎, 줄기 탄생에 관여하는 옥신

□ 식물계에서 가장 흔히 볼 수 있는 많은 현상을 일으키는 호르몬은 옥신(auxin)

○ 성장과 관련된 세포의 분열을 촉진하여 어린줄기, 신초(新梢)가 자라고 동시에 뿌리가 자라나는 것이 가장 큰 역할

- 세포벽을 신장시켜 길이 생장 촉진, 곁눈의 생장 억제, 열매의 생장과 발근 촉진, 낙엽과 낙과 방지

○ 빛 방향으로 기울어져 자라는 굴광성(屈光性)과 중력 방향으로 뿌리가 자라는 굴지성(屈地性)도 모두 옥신의 역할

- 옥신은 빛에 의해 파괴되므로 빛이 비추는 쪽은 농도가 낮아 성장이 더디고 반대쪽은 성장이 빨라져 빛 방향으로 구부러짐

○ 극미량으로 생물체에 영향을 미치기 때문에 적정 농도를 넘으면 오히려 생장이 억제되거나 죽는 경우가 있어 농업에서 이용

- 1940~50년대 많이 쓰인 제초제가 바로 합성 옥신인 2,4－D로 식물 제초제, 나무의 고엽(枯葉)제 등으로 많이 이용

* 베트남전에 사용되어 문제가 된 고엽제도 2,4-D이나, 진짜 원인은 혼합제로 섞인 디벤조-파라-다이옥신으로 환경호르몬으로 알려진 그 다이옥신

키다리 호르몬, 지베렐린

□ 일본에서 벼의 키다리병원균을 연구하다 발견한 지베렐린이 바로 두 번째 호르몬

○ 벼 키다리 병을 연구 하던 중 키다리 병균의 대사산물이 식물 생장을 촉진한다는 것을 발견(1920, Kurosawa 등)

- 키다리병 특징이 키만 훌쩍 자라 가늘고 연약하며 색도 연한 소위 도장(徒長) 즉, 웃자람 현상을 일으키는 것

○ 개화 현상에도 관여하는데 장일 식물은 일조 시간이 12시간 이상에서 꽃이 피지만, 지베렐린을 주면 단일 조건에서도 개화

- 꽃눈의 개화를 촉진할 뿐 아니라 휴면하고 있는 씨나 눈이 잠에서 깨어나 생장을 시작하게 하는 작용도 있음

- 수정 없이도 각종 과일.과채류 착과를 유도하는 효과가 강하여 예전 시설원예에서 널리 이용

* 사과, 복숭아 등에서 열매의 생장이 촉진되며 델라웨어 같은 포도는 씨가 없어지고, 배는 숙기가 빨라져 널리 사용되다 최근에는 친환경 기술로 대체

노화를 막는 시토키닌

□ 시토키닌은 생장조절기능을 가지고 있으며 세포분열을 촉진하는 모든 물질을 부르는 명칭

○ 1955년 고압멸균한 정어리 정자의 DNA에서 분리한 키네틴이란 물질이 담배의 세포분열을 촉진하는 것이 보고되면서 주목

- 식물에서 처음으로 분리한 것은 1963년으로 뉴질랜드의 레덤, 미국의 밀러가 미성숙 옥수수의 낟알에서 얻은 지아틴(zeatin)

○ 가장 중요한 작용으로는 식물세포의 분열을 촉진하고 노화를 지연시키며 잎과 곁눈의 생장을 촉진하는 것 등이 있음

- 앱시스산과 함께 잎 뒷면의 공기구멍(氣孔) 개폐에도 관여하며, 광합성 산물의 이동을 조절하는 기능도 있음

* 장미나 코스모스를 보면 개화 전까지는 함량이 증가하다가 만개 후 감소하고, 종자나 과일의 미성숙 상태에서는 함량이 높다가 성숙 후 감소

노화와 휴면(休眠)의 앱시스산

□ 앱시스산(Abscisic acid)은 식물의 휴면에 관여하고 불량환경에 의한 스트레스를 감소시킬 때도 분비

○ 식물종자가 발아에 불리한 환경에서 싹이 틔우지 않도록 억제하는 역할을 하는데 휴면하지 않는 종자에는 영향 받지 않음

○ 기공개폐(닫음)와 생장억제를 통해 염(鹽), 추위, 수분부족 등으로 부터 식물체를 지켜 식물 스트레스 호르몬이란 별명도 있음

오늘의 주인공, 에틸렌

□ 대체로 식물호르몬이 화학구조상 간단하게 되어 있지만, 에틸렌은 그 중에서도 가장 간단하면서도 큰 영향을 미치는 호르몬

○ 독특하게 기체 상태로 존재하기 때문에 다른 호르몬과 달리 이동이 쉽고 주로 확산에 의해 기공(氣孔)으로 배출

- 무색의 가스로 냄새가 나며 인화성이 있어 공기와의 혼합물은 폭발을 일으키고, 불을 붙이면 그을음이 많은 붉은 불꽃을 냄

○ 석유에서 인위적으로 만들어낼 수 있으며 다른 화합물과도 잘 어울리기 때문에 화학공업에서 매우 유용하고 기본적인 재료

- 석유에서 휘발유, 등유 등을 뽑아내고 남은 나프타(Naphtha)를 분해해서 얻는데 용도가 다양하여 석유화학의 쌀이라고도 불림

* 보통 한 나라의 석유화학 규모와 수준을 가늠하는 척도로 이용

- 수소 4개와 탄소 2개로 이루어진데다 2중 결합으로 연결되어 있어 다른 물질과 반응성이 높고 첨가반응을 일으키기 쉬움

- 예를 들면 산성조건인 에틸렌 가스에 물을 첨가하면 에탄올을 만들 수 있고 촉매를 쓰면 아세트알데히드 등 다른 소재로 변화

* 이런 식으로 만들어낸 제품은 주변에서 흔히 볼 수 있는데 농업용 비닐(PE필름)이나 작업용 끈, 음료수병(PET), 휴대전화 보호필름, 쇼핑백 등

식물이 스트레스를 받으면 안 되는 이유

□ 에틸렌은 앱시스산과 함께 물리적 손상, 병원균 침입, 외부의 불량 환경 등의 스트레스에 의해 활발히 생성되는 스트레스 호르몬

○ 러시아의 과학자 넬류보프(Dimitry Neljubow)에 의해 처음으로 발견(2016 사이언스타임즈, 케미스토리 등)

- 1800년대부터 가스등 주변의 나무가 일찍 낙엽이 지는 일이 보고되었으나 원인이 밝혀진 것은 1901년 넬류보프의 실험

○ 1934년에는 영국 과학자 게인(R.Gane)이 성숙 사과 과실에서 발생되는 기체가 에틸렌임을 화학적인 방법을 통하여 증명

- 외부물질이 원인이 아니라 식물이 자체적으로 생합성한다는 최초의 근거를 제시

○ 과일을 포장할 때 상처를 입지 않도록 조심하는 이유 중 하나로 단순히 상처만 나는 것이 아니라 에틸렌이 발생

- 에틸렌이 생성되면 식물체의 노화가 진행되는데 특히 과일, 꽃 등의 수명에 크게 영향

- 식물의 노화와 성숙을 촉진하는 호르몬으로 과일의 경우, 익지 않은 과일의 성숙, 꽃의 경우 만개 후 노화를 촉진

Ⅱ. 자나 깨나 에틸렌 조심!

정확하지는 않지만 짐작은 대충…

□ 넬류보프의 발견 이전에도 사람들은 오랜 경험을 통해 얻은 지식을 이어내려 오면서 생활 속에서 이용

○ 에틸렌이 뭔지도 모르면서 고대 이집트와 고대 중국 사람들은 불을 피우고 그 연기를 이용하여 식물체와 과일을 강제 숙성

- 고대 이집트인들은 무화과 나뭇잎을 태운 연기로, 중국인들은 밀폐된 방에 배(梨)를 넣고 향을 피웠다는 기록이 있음

□ 넬류보프의 발견 이후 학자들은 계속적인 연구를 통해 에틸렌이 식물 호르몬임을 입증

○ 1924년 대니(Danny)는 다양한 실험을 통해 성숙조절제로서 에틸렌의 활용 가능성을 제시

- 1932년에는 키드와 웨스트 등에 의해 성숙된 과실에서 발생된 기체가 인접한 사과의 성숙을 촉진한다는 연구결과가 보고

- 1935년에는 크록, 히치콕, 짐머만 등이 에틸렌이 과실의 성숙을 일으키는 식물생장을 조절하는 호르몬임을 밝힘

○ 1952년 매우 가벼운 분자량의 물질검정을 위한 gas chromatography 기술이 개발되면서 기체상 물질 분석에 전기를 마련

에틸렌에 대해 추가로 밝혀진 사실들

□ 과일의 성숙에 관여하고 노화를 촉진한다는 것 이외에도 식물에 중요한 몇 가지 사실들이 추가로 발견

○ 스트레스 상황에서 식물체의 생존을 위해 분비되는 호르몬이기 때문에 식물체내의 항스트레스 물질 합성에 관여

- 대표적인 항산화물질 안토시아닌과 카로티노이드 합성에 기여하며 다른 색소인 엽록소를 분해하는 과정에도 관여

* 또한, 최근 주목받는 항산화물질인 페놀화합물의 합성도 촉진하는 것으로 알려져 있는데 커피, 초콜릿, 녹차, 나무딸기(베리류)에 많은 물질

○ 식물의 성장을 촉진하는 옥신의 이동을 억제하고 불활성화하여 어리거나 연한 조직 생성을 억제하고 앱시스산 생성을 촉진

- 겨울을 나기 준비 후, 휴면호르몬 앱시스산 생성을 촉진하여 식물이 적응한 후 휴면에 들어갈 수 있도록 준비하는 역할

* 옥신, 사이토키닌, 지베렐린은 식물체내에서 세포분열, 새로운 조직 형성, 신초 형성 등 성장에 관련된 역할을 하므로 에틸렌, ABA과 역할이 반대

○ 에틸렌 자체는 기체이므로 식물체 내에서 이동은 전구물질 형태로 이루어지며 생성부위에서 작용부위로 이동

- 체내에서는 전구물질인 ACC(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid)형태로 이동

에틸렌 때문에 편이 갈린 과일과 채소들

□ 과실의 성숙에 관여하는 성질 때문에 알려진 에틸렌은 농업에서는 꽤 중요하면서도 성가신 취급을 당하게 됨

○ 과실의 성숙과정을 연구한 학자들에 의해 과일에는 호흡급등형, 호흡비급등형의 2가지 형이 있음이 알려지게 됨

- 비급등형(Non-climacteric)은 에틸렌에 의해 호흡이 증가하고 성숙이 촉진되지만 전체 에틸렌 발생량은 점차 감소됨

- 호흡급등형은 에틸렌에 반응하여 자체적으로도 에틸렌을 생성하기 때문에 호흡과 에틸렌 생성량이 급등하였다가 감소

* 호흡급등형 과실로는 패션프루트, 사포테, 사과, 복숭아, 살구, 자두, 참다래, 아보카도, 파파야, 서양배, 중국배, 바나나, 무화과, 망고, 토마토 등

○ 급등형 과실에서 호흡의 급격한 증가는 에틸렌 생성과 동시에 또는 그 후에 일어난다는 것이 중요

- 에틸렌이 유도하는 성숙과정은 만일 생성시기를 지연시키거나 초기에 발생된 에틸렌을 제거하면 어느 정도 억제가 가능

- 초기 생성된 에틸렌이 촉매가 되어 대량의 생합성을 유도하는 자가 촉매작용은 식물호르몬으로서 에틸렌만이 갖는 특징

상품수명에 영향을 미치는 에틸렌

□ 모든 농산물의 수명은 수확부터 시작하여 유통단계를 거쳐 판매가 되는 시점까지로 이 기간의 품질유지는 매우 중요

○ 모든 농산물의 수명에 영향을 끼치는 요인으로는 온도, 습도, 대기조성 등이 있으며 에틸렌도 영향을 주는 요인의 하나

- 에틸렌은 미숙과를 빠르고 균일하게 숙성시키는데 이용할 수 있으나 의도하지 않은 노출은 대부분의 채소, 과일에 부정적

- 온도는 저장 최적온도에서 10℃가 증가할 때마다 품질 저하는 두 세배씩 증가(농촌진흥청)

- 습도는 상품의 수분손실에 영향을 미치는데 상대습도가 낮을 수록 수분손실량은 많아지며 온도가 높아지면 더욱 심화

- 저장고 내 산소 감소와 이산화탄소의 증가도 품질저하를 가속화하고 저장기간이 짧아지는데 영향을 주는 것으로 보고

* 이러한 공기조성의 원리를 이용한 장기저장방법이 공기조성을 조절한 냉장 저장법으로 CA저장이라고도 함

○ 에틸렌 발생은 유통기한을 짧게 만들어 신선농산물 수출의 제한 요인이 되기 때문에 포장, 유통, 저장업의 중요한 화두가 됨

애증의 관계, 에틸렌과 원예작물

□ 원예 산물의 에틸렌 발생은 종류 및 품종에 따라 매우 다양하며, 작물의 에틸렌 발생량과 저장성에는 밀접한 관계가 있음

○ 식물 조직은 0.01ppm 정도의 낮은 농도에서도 반응이 이루어져 성숙이 촉진

○ 일반적으로 에틸렌 발생량이 높은 작물 또는 품종은 저장성이 낮은 경향이 있음

- 숙기에 따라 나누어보면 조생종 품종이 만생종 품종에 비하여 에틸렌 발생량이 비교적 많고 저장성도 낮음

- 비급등형 과실이라도 수확 후 밀폐된 공간에서 장기간 저장시 식물 조직 내 에틸렌 축적에 의해 피해발생 가능성이 있음

- 엽채류 등의 영양 조직은 생성량이 미미하고 조직 내 농도도 낮아 크게 영향 받지 않는 편(하단 에틸렌 생성이 적은 과실)

○ 대부분의 과실은 상처 또는 병해, 충해를 입거나 부적절한 환경적 조건으로 인해 스트레스를 받게 될 경우 에틸렌 발생이 증가

- 주위의 건전한 과실에 불리한 영향을 미칠 수 있으므로 저장시 상처받거나, 병충해 피해가 있거나, 과숙된 과일은 반드시 제거

싸움은 말리고, 에틸렌 제거

□ 에틸렌은 생성이 시작되면 사실상 인위적으로 생성 및 작용을 억제한다는 것이 불가능하므로 생성억제가 관건

○ 적절한 수확시기의 선택과 아울러 효과적인 저장수단을 통하여 생성 및 활성화를 억제하는 것이 효과적

- 신선 원예산물의 에틸렌 발생률은 저온 저장, 낮은 산소 농도(8% 이하), 높은 이산화탄소 농도(2%이상) 환경에서 감소

* 일반적으로 수확 시 성숙도, 물리적 손상, 병 발생, 30℃ 이상의 온도, 수분 스트레스에 의해 증가

- 사과와 배 같이 에틸렌 생성의 차이가 큰 과실은 혼합저장을 피하고 장기간 저장시에는 한 품목이라도 단일품종만 보존

○ 적극적인 방법으로는 에틸렌을 흡착하는 과망간산칼륨이나 작용을 억제하는 티오황화은(STS), AOA와 생성억제제를 활용하기도 함

흥정은 붙여라, 과일 후숙

□ 에틸렌 가스의 작물의 성숙과 착색을 촉진시키는 등의 생리적 작용을 농업에 활용하는 방법은 이미 널리 쓰이고 있음

○ 과실의 경우 성숙은 되었으나 숙성되지 않아 식미가치가 낮은 경우 출하 전 에틸렌 처리로 상품가치를 높이는데 이용

- 덜 익은 바나나, 토마토, 떫은 감, 참다래 등의 엽록소 분해, 착색증진, 연화(軟化) 등을 촉진시켜 상품가치를 향상

- 감귤류와 오렌지의 경우 적당한 온도와 고습 조건에서 에틸렌 가스에 노출시킴으로써 인위적인 노란 착색을 유도하기도 함

* 가공용 알포도 생산을 위한 탈립에도 이용

○ 기존에는 에틸렌 발생제인 에테폰(ethephon)을 이용해 왔으나 최근 숯을 이용한 친환경 에틸렌 발생제도 개발

에틸렌 너~어 임자 만났어!

□ 현재 농산물 저장분야에서는 1-MCP라는 생장조절제를 활용하여 성가신 에틸렌을 효과적으로 제어

○ 1-MCP(1-methylcyclopropene)은 美환경청(EPA)에 ‘92년 등록된 약제로 ’04년 美식의약청(FDA)에서 식품사용허가를 받은 물질

- 인체유해성 및 식물에 대한 자극이 없는 강력한 작용억제제로 현재까지는 안전성이 검증된 물질

○ 식물체 내에 있는 에틸렌 수용기에 에틸렌 대신 자신이 결합하여 에틸렌의 자가 촉매작용과 작용기작을 근본적으로 차단

- 식물체 내 에틸렌 수용체의 결합부위에 비가역적으로 결합하여 에틸렌의 작용을 불활성화하는 것으로 알려져 있음

○ 에틸렌 작용억제 효과로 식물의 호흡량, 에틸렌 발생량, 엽록소 함량, 색깔변화, 세포막 변화, 당도, 산도, 경도 등에 영향

- 사과에서는 저장 및 유통 중 경도와 산도 유지와 생리장해 감소, 노화지연에 따른 부패감소 효과가 보고

* 딸기의 경우 저장성이 낮아진다는 역효과도 보고된 바 있음

○ 극미량으로 6시간 정도 처리되었을 경우 바나나, 사과, 배, 토마토, 브로콜리 등의 과실, 채소에서 효과적으로 에틸렌 활성을 억제

- 알스트로메리아, 베고니아, 카네이션, 팔레놉시스, 심비디움, 장미, 프록스, 백합 등의 화훼류에서도 효과가 검증되면서 상용화

* 0.5ppb의 저농도에서 STS 보다 효과적이며 잔류량도 0.01ppm 이하라는 연구보고가 있음(ppb는 10억분의 1%로 ppm의 1/1000)

생활 속의 지혜

□ 냉장고에서 에틸렌 발생 많은 과일과 함께 보관하는 것은 피할 것!

Ⅲ. 시사점

수확 후 관리기술을 전략적 육성을 검토해야

□ 그 동안 집중되어온 생산량 증대전략에 생산수율 확보 전략을 더한 식량안보 확보 및 수출농업 전략이 필요한 시점

○ 식량안보와 수출농업을 위한 상품 확보를 위해서는 손실률 감소를 통한 수율 증가와 상품가치 향상 전략이 더해질 시기

- 우리나라 원예산물의 손실률은 10~35% 수준으로 개발도상국의 20~50%보다는 높지만 선진국의 10~25%보다 낮은 실정

○ 농촌의 고령화, 노동인구의 감소 등을 고려할 때 생산을 늘리는 전략보다는 적정생산-손실감소-가공이용 장려 정책이 합리적

* 수확 후 관리기술에 대한 투자는 품질도 높이지만 저장성이나 가공 효율을 높여 부가가치를 높이는 1석2조 효과가 기대