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생물학적 시계와 계절 반응

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Biologie
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Biological Clocks and Seasonal Responses

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. 대부분 식물의 개화기는 . 계절 변화와 조율되어 식물이 . 최적 조건 하에서 발아하게 해준다 . 식물이 어떻게 시간과 계절 변화를 감지할까? . 생체 시계라는 내부 시간 기록자가 . 바뀌는 빛 수준 같은 환경 변화를 감지한다 . 생체 시계는 식물이 정기적으로 . 생체 리듬과 24시간 행동 주기를 따르도록 해준다 . 식물은 또한 생체 시계를 이용 . 계절 변화에 반응한다 . 식물이 변하는 계절에 반응하는 . 방법 중의 하나는 . 피토크롬 시스템이다 . 피토크롬은 빛에 민감한 수용기이다 . 식물의 주요 기능 중의 하나는 . 계절 변화를 감지하는 것이다 . 이것은 피토크롬이 낮의 길이, 즉 광주기를 . 측정해서 한다 . 피토크롬이 광주성, 즉 광주기에 대한 . 생물학적 반응을 규제하는 능력은 . 빛 자극으로 인하여 두 개의 호환성 형태인 . 불활성 Pr과 활성 Pfr 사이에 일어나는 . 전이에 달려 있다 . 피토크롬의 합성은 어둠 속에서 . 불활성 Pr 형태로 식물 세포질 안에서 일어난다 . 낮에는, Pr이 햇볕의 빨간색 빛을 흡수하고 . 재빨리 생물학적으로 활성인 Pfr 형태로 전환시킨다 . Pfr은 세포질 분자를 활성화시키거나 . 핵으로 이전해서 유전자 발현을 규제한다 . 밤에는, 식물 세포의 Pfr 수준이 . 떨어지는데, 그 이유는 느리게 어둠속에서 Pfr이 Pr로 바뀌거나 . 효소로 Pfr가 파괴되기 떄문이다 . 밤이 긴 겨울에는 . 세포의 Pfr 수준이 해뜰 때쯤 완전이 떨어진다 . 봄 같이 밤이 짧으면 . 해뜰 때쯤 많은 양의 Pfr이 남아 있을 수 있다 . 새벽의 Pr과 Pfr 비율로 . 식물은 낮과 밤 사이클의 길이를 알게 된다 . Pfr 수준이 계절에 따라 변하기 때문에 . Pfr 수준이 높을 때는 . 낮이 긴 시즌에 꽃을 피우는 식물을 활성화하고 . Pfr 수준이 낮으면 낮이 짧은 기간에 꽃을 피우는 . 식물을 활성화한다 . 피토크롬 시스템과 생체 시계 사이의 . 상호작응요로 식물은 . 일년 동안 낮과 밤의 상대적인 길이를 . 측정할 수 있고, 계절에 맞게 활동을조율할 수가 있다

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생물학적 시계와 계절 반응

생체 시계(circadian clock; biological clock)는 식물이 24시간 주기 중 생리적 활동을 조정할 수 있도록 하는 내재적 시간 기록 분자 기작입니다. 광주기성(photoperiodism)은 어두운 기간과 밝은 기간의 상대적인 길이의 변화에 대한 식물의 생물학적 반응을 통칭하는 용어입니다. 빛에 노출되는 기간을 광주기(photoperiod)라고 합니다.

광주기성의 대표적인 예는 계절 꽃입니다. 과학자들은 식물이 생체 시계를 광주기 변화에 대응 시켜 꽃을 피우게 된다고 간주합니다. 이때 식물은 빛에 민감한 광수용체(photoreceptor) 체계를 사용하여 이러한 변화를 감지합니다.

피토크롬(phytochrome)은 꽃 피는 과정과 다른 빛 매개 과정에 관여하는 광수용체들의 집합입니다. 피토크롬 체계는 식물이 며칠에 걸친 어두운 기간의 지속시간을 비교할 수 있게 해줍니다.

단일식물(short-day plant)은 긴 밤이 가장 적게 연일 지속했을 때 꽃을 피웁니다. 반면, 장일식물(long-day plant)은 짧은 밤이 가장 적게 연일 지속했을 때 꽃을 피우기 시작합니다.

피토크롬은 Pr과 Pfr로 된 두 가지 상호 변환 가능한 형태로 존재합니다. 낮에는 Pr이 Pfr로 변환되므로 낮에는 Pfr이 더 풍부합니다. 밤에는 Pfr이 Pr로 변환되기 때문에 밤에는 Pr이 더 많습니다. 따라서 식물은 새벽에 Pr/Pfr 비율을 측정하여 주야간 주기의 길이를 알아낼 수 있습니다. 겨울의 긴 밤은 새벽에 Pfr 수치를 감소시키는 반면, 봄의 짧은 밤은 해가 뜰 때 더 높은 Pfr 수치를 발생시킵니다.

Suggested Reading

Tóth, Réka, Éva Kevei, Anthony Hall, Andrew J. Millar, Ferenc Nagy, and László Kozma-Bognár. "Circadian Clock-Regulated Expression of Phytochrome and Cryptochrome Genes in Arabidopsis." Plant Physiology 127, no. 4 (January 2001): 1607–16. [Source]

Yeom, Miji, Hyunmin Kim, Junhyun Lim, Ah-Young Shin, Sunghyun Hong, Jeong-Il Kim, and Hong Gil Nam. "How Do Phytochromes Transmit the Light Quality Information to the Circadian Clock in Arabidopsis?" Molecular Plant 7, no. 11 (2014): 1701–4. [Source]