물과 무기질 획득

식물 뿌리의 특수 조직은 물, 무기질, 그리고 토양으로부터 약간의 이온을 획득하기 위해 진화했습니다. 뿌리는 이러한 과정을 용이하게 하는 다양한 분기 패턴을 보입니다. 가장 바깥쪽의 뿌리 세포는 뿌리 표면을 증가시켜 토양 접촉을 증가시키는 뿌리털이라고 불리는 특별한 구조로 되어 있습니다. 토양에선 물의 농도가 뿌리 조직의 농도보다 높아서 물이 뿌리로 수동 확산할 수 있습니다. 반면 무기질은 능동수송을 통해 뿌리 세포로 운반됩니다.

토양은 음전하를 띠기 때문에, 양이온이 토양 입자에 붙어 있는 경향이 있습니다. 뿌리는 이것을 피하고자 이산화탄소를 토양으로 펌프질하고, 이산화탄소는 자연적으로 분해되어 양전하를 띤 양성자(H⁺)를 토양으로 방출합니다. 방출된 양성자들은 토양에 붙은 양이온들을 대체해서 양이온들이 뿌리 조직으로 펌프질될 수 있게 만들며, 이 과정을 양이온교환(cation exchange)이라고 부릅니다. 음전하를 띤 음이온은 H⁺ 이온이 농도 구배를 따라 뿌리세포(root cell)로 확산하려는 경향을 이용해 뿌리세포로 공수송(co-transport) 됩니다 (예: H⁺와 공수송 되는 Cl^–).

분자는 두 가지 경로를 통해 중심주(stele)라고 불리는 뿌리 조직의 핵심으로 이동할 수 있습니다. 전세포벽 수송(apoplastic transport)은 인접한 세포의 연속적인 세포벽과 그에 상응하는 세포막 사이에 만들어진 공간 내 분자의 이동입니다. 이와는 대조적으로, 전원형질 수송(ymplastic transport)은 식물 세포의 세포질을 통해 분자가 움직이는 것으로, 원형질연락사(plasmodesmata)라고 불리는 세포 접합을 이용하는데, 이것은 인접한 세포들 사이에서 분자가 자유롭게 세포질을 통과하게 합니다. 분자가 중심주에 들어가기 위해선 전원형질을 통해 이동해야하는데, 이는 뿌리의 내피(endodermis)에 위치한 카스파리띠(Casparian strip)가 전세포벽의 용질이 중심주로 들어가는 것을 방지하기 때문입니다. 전원형질엔 토양에서 독성 또는 원치않는 분자를 막는 반투막(semipermeable membrane)이 있고, 따라서 용질은 전원형질에 들어가기 위해 세포의 반투막을 통과해야 합니다.