식물 호흡 작용 요인

식물에서 호흡 작용에 영향을 미치는 요인은 크게 내적 요인과 환경 요인으로 나누어 생각할 수 있다. 환경 요인 중에서 가장 중요한 것은 산소/온도/수분 등이다.

호흡 작용은 산소가 있어야 일어나므로 식물 주변에 산소가 충분히 있어야 한다. 식물 주변의 공기가 20% 이하이면 호흡 작용은 저하되고, 5% 이하이면 유기 호흡은 현저하게 감소한다. 발아하는 종자는 산소 농도가 낮을 때 유기 호흡보다 무기 호흡을 더 많이 하나 산소 농도가 10% 이상이면 유기호흡을 한다.

자연 상태에 있어서는 대기 중의 산소 함량의 변화가 별로 크지 않으므로 식물의 지상부 호흡작용은 큰 영향을 받지 않지만, 뿌리, 괴경, 그리고 기타 식물의 지하부와 특수 배수가 안 되어 토양 공기의 산소가 부족하면 산소가 제한 요인이 될 수 있다. 그리고 물속에서는 산소의 용해도가 낮기 때문에 무기호흡이 일어난다.

식물의 호흡작용은 효소에 의하여 일어나기 때문에 그 반응속도는 온도의 영향을 받는다. 0도에 가까운 저온에서는 식물의 호흡이 크게 저하되고 온도가 상승함에 따라 점차 증대되어 30~40도에서는 최대에 달한다. 그러나 이보다 온도가 더 높아지면 오히려 다시 감소하는데, 이는 고온에 의하여 체내의 효소계가 파괴되기 때문이라고 생각된다. 그러나 호흡의 최적온도는 효소계가 파괴되기 시작하는 온도보다 훨씬 낮다. 어린 완두의 최적온도는 30도이지만, 종에 따라 최적온도는 상당히 다르다. 예기할 수 있는 바와 같이 열대식물은 일반적으로 온대식물보다 더 높은 최적온도를 갖고 있다.

 

호흡작용에서도 광합성에서와 마찬가지로 온도의 영향에는 시간 요인이 관여한다. 최적온도까지 호흡속도는 온도가 상승함에 따라 증가하고 오랫동안 유지된다. 40~45도와 같이 최적온도보다 높은 온도에서는 호흡속도가 처음에는 빠르나 급격히 감소한다. 효소를 파괴하는 50~55도의 온도에서는 처음의 호흡속도마저 최적온도보다 훨씬 낮고 감소 속도도 매우 빠르다.

호흡작용의 최저온도에서 최적온도에 이를 때까지의 사이에는 온도가 10도 상승할 때마다 호흡률은 약 2배가 된다. 어떤 온도에서의 반응속도가 이보다 10도 높은 온도에서 몇 배로 되는가를 나타내는 값을 온도계수라고 한다. 논벼에서 호흡작용의 온도계수는 일반적으로 1.6~2.0이다.

보통 공기 중에 있는 이산화탄소 농도보다 더 높은 농도에서는 호흡작용이 상당히 감소하는데, 이는 주로 기공이 닫혀 산소량이 감소하기 때문이다. 발아 중인 겨자 종자에서 이산화탄소 농도를 0%에서 80%까지 증가시키면 호흡 작용은 현저하게 억제되었다.

따라서, 이산화탄소 농도가 높아지는 것을 호흡을 저하하는 동시에 호흡의 과정에도 영향을 끼친다는 것을 알 수 있다. 그러나 높은 이산화탄소 농도의 영향은 작물의 종류나 기관에 따라 다른데, 이산화탄소가 20% 이상 되면 양딸기/아스파라거스 등은 호흡이 저하되지만, 당근에서는 영향이 적고 감자의 괴경, 튤립/양파 등의 인경에서는 오히려 호흡이 왕성해진다.

이와 같은 차이가 어떤 기구에 의하여 생기는지 충분히 알려지지 않았으나 고구마의 괴근은 5기압의 순수한 산소 안에 두면 완전히 죽고, 맹아 중 씨감자는 보통 공기의 산소분압(20%)에서도 약간 피해를 받는데 산소분압이 줄면 오히려 싹이 잘 튼다. 

앞에서 말한 바와 같이 약간의 예외는 있지만 보통 이산화탄소 농가 높아지면 호흡작용은 저하되는데, 이와 같은 영향은 온도가 낮고 산소가 부족할 때 특히 현저하다. 이산화탄소에 의한 호흡억제는 과실이나 채소의 저장에 이용된다.

호흡률이 매우 낮은 성숙한 건조 종자나 포자에 있어서 수분은 호흡의 제한요인이 된다. 건조 종자가 수분을 흡수할 때 호흡률은 어느 정도의 수분함량까지는 서서히 증가하지만, 수분함량이 약간 더 증가함에 따라 급격히 증가한다. 이와 같은 수분함량의 범위에서 세포가 충분히 가소화되어 호흡작용이 왕성하게 일어난다.

수분은 또한 위조된 식물에서 제한 요인이 되며, 이와 같은 것은 위조에 의하여 기공이 닫혀 산소부족을 일으키나 주로 세포의 수화 도가 불충분하기 때문으로 생각된다.

어떤 종류의 화학 약제는 식물체의 호흡을 저하한다고 알려져 있다. 사이안화물, 아지드 화물, 플루오린화물 등이 이에 속하며, 이들 약제는 제각기 체내의 특정 호흡효소의 작용을 저해하므로 호흡작용의 기구에 대한 연구에 이용되고 있다. 한편 에틸렌 등은 과실이나 채소의 착색과 성숙을 앞당기는 데 이용되고 있는데, 이러한 약제는 호흡을 촉진한다.

원형질 안의 호흡효소의 양이나 그 활성, 체내 호흡 원의 종류와 양, 그 밖의 체내 조건의 여하튼 호흡작용과 직접적인 관련이 있다. 앞에서 언급한 여러 가지 조건이나 그 밖의 외계 조건은 모두 체내 조건에 주는 영향을 거쳐서 호흡 작용에 영향을 미친다.

원형질이 많은 유세포는 호흡이 왕성하며, 세포벽 질의 양과 원형질의 성상도 호흡 정도를 지배한다. 원형질의 수화도 등은 이 점에서 중요하다. 작물의 종자가 물을 흡수하면 호흡이 왕성해지고, 또 극도의 건조상태에 있는 건생 식물이 물을 흡수해서 조직의 함수량이 어떤 함수량 이상으로 되면 호흡률의 상승이 급격해진다.

 

이것으로 미루어 볼 때 원형질의 수화 도가 원형질의 구성 요소를 이루고 있고, 호흡 원의 공급에 관여하는 가수분해효소나 직접 호흡 과정을 지배하고 있는 호흡효소의 활력에 영향을 준다는 것을 쉽게 이해할 수 있다.

관련 문헌: 변종용ㆍ윤성중ㆍ이인중ㆍ김도순, 삼고 작물 생리학(서울: 향 문사, 2014), 159-162p