기후 위기 속 참깨와 땅콩의 가뭄 내성 생리 변화 사례 비교

 

기후 위기와 이상기후의 심화로 인해 농작물의 재배 환경이 불안정해지면서, 토양 수분의 지속적인 결핍, 즉 가뭄 스트레스는 주요 작물 생산성을 위협하는 중심적인 요인으로 작용하고 있다. 특히 참깨(Sesamum indicum)와 땅콩(Arachis hypogaea)은 각각 전통적인 유지작물로서 높은 경제적 가치와 재배 안정성을 지니고 있으나, 그 생리적 특성과 뿌리 구조, 스트레스 대응 작용은 상이하다.

두 작물은 모두 반건조 혹은 건조 지역에 적응해 온 유전적 배경을 갖고 있으며, 실제 필드 환경에서의 가뭄 대응 양상은 공통점과 차이점을 동시에 보여준다. 예를 들어, 참깨는 가뭄 회피 전략을 중심으로 한 조기 생육 완결형 특성을 가지지만, 땅콩은 비교적 지속적 생육과 회복 능력에 기반한 내성형 전략을 구사한다. 이러한 작물 간의 차이는 생리적 변화, 대사 경로 조절, 호르몬 반응, 수분 보존 전략, 광합성 및 수송계 조절에서 뚜렷하게 구분된다.

 

참깨와 땅콩의 가뭄 반응에 대한 생리적 메커니즘을 비교 분석함으로써, 유지작물의 스트레스 내성 강화에 필요한 이론적 기초와 실천 전략을 제시하고자 한다. 또한 작물 간 생리 특성 차이를 기반으로, 품종 선발과 재배 환경 조절을 위한 과학적 접근 방향을 모색한다.

 

 

기후별 뿌리 구조와 수분 흡수 전략의 차이

참깨(Sesamum indicum)와 땅콩(Arachis hypogaea)은 모두 건조 및 반건조 지역에 적응해 온 작물이지만, 두 작물의 수분 확보 전략과 뿌리 구조적 특성은 매우 다르게 진화해 왔다. 이러한 차이는 단순한 형태학적 구분을 넘어서, 가뭄 환경에서의 생존 전략과 수량 안정성 확보에 직접적으로 관여하는 생리적 핵심 요소로 작용한다.

 

먼저 참깨는 전형적인 심근성(deep-rooted) 뿌리 발달 특성을 보인다. 초기 생장 단계부터 주근(tap root)이 빠르게 발달하며, 상대적으로 지표면보다 더 깊은 토양층에서 수분을 흡수할 수 있는 구조를 갖추고 있다. 이러한 심근 발달은 토양 표층의 수분이 고갈되는 상황에서도 비교적 지속적인 수분 공급을 가능하게 해준다. 특히 15~30cm 이상의 토양층까지 뿌리를 침투시키는 능력은 강우가 드물고 증발산이 높은 지역에서 참깨가 안정적으로 생장을 유지할 수 있는 생태학적 기반이 된다. 또한 참깨는 뿌리의 세근 흡수 면적은 제한적이지만, 수직 확장성이 뛰어나 지하 수분을 효율적으로 활용하는 특화된 전략을 구사한다.

 

참깨의 뿌리 발달은 유전적으로도 특정 유전자군의 조절에 의해 강화된다. 특히 AUX/IAA, LBD(Lateral Organ Boundaries Domain) 유전자 등의 발현은 주근 중심의 발달에 중요한 역할을 하며, 이러한 유전자 조절 네트워크는 수분 결핍 조건에서도 심근의 생장과 지속적인 물리적 침투를 유도한다. 또한 참깨는 수분 부족 상황에서 수분 스트레스에 특화된 아쿠아포린(aquaporin) 단백질을 통해 세포 간 수분 이동을 조절하고, 삼투압 변화에 대한 민감도를 조절하여 뿌리압(root pressure)을 일정 수준 유지한다.

반면 땅콩은 구조적으로 참깨와 상반되는 천근성(shallow-rooted) 및 수평 확산형 뿌리 구조를 발달시켜 왔다. 땅콩의 뿌리는 주근 외에도 다수의 측근(lateral roots)이 방사형으로 확산하며, 주로 표토 10~20cm 이내의 범위에서 왕성한 뿌리 활동이 이루어진다. 이는 집중 호우 후 급격한 수분 흡수에는 유리하지만, 장기적인 건조 조건에서는 수분 공급이 제한되는 단점으로 작용할 수 있다. 하지만 이러한 단점을 상쇄하기 위해, 땅콩은 다양한 방식으로 뿌리 생장 방향성과 밀도를 조절하며, 다소 극한의 조건에서도 뿌리 활성을 유지하는 능력을 보인다.

 

특히 땅콩은 뿌리 표면적 단위당 세근의 비율이 높고, 근모(root hair)의 밀도가 높으며, 뿌리 끝부분의 세포 분열 능력이 장기간 유지된다는 특성이 있다. 이는 표토층에 잔존하는 한정된 수분을 빠르게 흡수하고, 미세한 수분 경로를 탐지하여 이용하는 데에 유리한 조건을 제공한다. 또한 땅콩은 가뭄 상황에서 뿌리 생장 속도보다 뿌리의 수분 획득 능력을 우선으로 조절하며, 필요시 특정 방향으로만 생장을 집중시켜 에너지 손실을 줄이는 '생장 리모델링(growth remodeling)' 현상을 보인다.

 

가뭄 환경에서 두 작물의 수분 흡수 효율 차이는 수분 이용 효율(WUE: Water Use Efficiency)이라는 생리적 지표를 통해 명확히 드러난다. 참깨는 수분 이용 효율이 높은 작물로 평가되며, 상대적으로 적은 수분으로도 단기 생장을 마무리할 수 있는 고효율 완결형 전략을 구사한다. 이는 참깨가 건조 지역에서의 선택적 생장 기간 단축 전략과 함께 수분 회피 능력을 동시에 지닌 작물임을 의미한다.

반면 땅콩은 WUE가 참깨보다는 다소 낮지만, 지속적인 수분 탐색과 회복 능력을 바탕으로 한 '가뭄 내성형 전략'을 택하고 있다. 특히 땅콩은 수분 회복 후 뿌리의 재성장이 빠르게 재개되며, 뿌리-땅콩꼬투리 연결 구조의 수분 이동 효율이 높은 구조적 특성을 갖고 있다. 이러한 구조는 지하에서 결실이 이루어지는 땅콩 특유의 생장 방식에 최적화된 형태로, 뿌리 구조가 직접적인 수량 형성에까지 영향을 미친다는 점에서 중요하게 작용한다.

 

또한 뿌리계의 차이는 두 작물의 마이코리자균(mycorrhizal fungi)과의 상호작용 방식에도 영향을 준다. 참깨는 상대적으로 심근 중심의 구조로 인해 근권 미생물과의 상호작용이 한정적이지만, 땅콩은 풍부한 측근과 높은 뿌리 표면적 덕분에 근권 생물 다양성 유지 및 유익균과의 활발한 상호작용이 가능하다. 이는 가뭄 조건에서 영양분 흡수력 향상과 스트레스 신호 전달 과정에 긍정적인 영향을 줄 수 있다.

이처럼 참깨와 땅콩은 동일한 가뭄 스트레스 환경에 직면했을 때, 뿌리 구조와 생리 반응 메커니즘에서 전혀 다른 적응 전략을 통해 수분을 확보하고자 한다. 참깨는 깊이 있는 수분을 빠르게 활용하여 생육을 조기 완료하는 쪽이 가깝고, 땅콩은 뿌리의 표면 확장성과 회복 탄력성을 바탕으로 일정한 생장을 유지하려는 방향으로 진화했다. 이는 단순한 형태 차이를 넘어서, 작물의 수량 안정성, 재배 기간, 품종 선발 전략 등에 있어 중요한 판단 기준이 되며, 향후 기후변화 대응형 재배 시스템 구축을 위한 핵심적 비교 요소로 활용될 수 있다.

 

 

광합성 효율 및 기공 조절 반응의 차별성

광합성은 수분 스트레스에 매우 민감한 생리적 과정이며, 참깨와 땅콩은 광합성 효율 조절 방식에서 뚜렷한 차이를 보인다. 가뭄 조건에서 참깨는 조기 기공 폐쇄 전략을 선택하며, 이에 따라 증산 손실을 최소화하는 한편, 광합성 속도의 일시적 저하를 감수한다. 실제로 참깨는 가뭄 초기 기공 전도도(gs)를 급격히 낮추며, 이를 통해 체내 수분을 보존하고, 건조 스트레스로부터 조직을 보호하려는 반응을 나타낸다.

 

반면 땅콩은 일정 수준의 수분 부족에도 불구하고 기공을 완전히 폐쇄하지 않는 전략을 구사한다. 이는 광합성을 최대한 유지하려는 생리적 전략으로, 땅콩은 기공의 절반만 폐쇄하거나, 기공 개폐 주기를 조절하여 부분적 광합성 유지와 수분 보존 간의 균형을 시도한다. 이러한 특성은 땅콩이 상대적으로 지속적인 생장과 회복 기반의 생리 시스템을 갖고 있다는 점을 보여준다.

또한 광합성과 연계된 엽록소 안정성 면에서도 차이가 있다. 참깨는 고온·건조 복합 스트레스 상황에서 엽록소 손실이 빠르게 진행되며, 이는 광계 손상과 함께 수확량 저하로 이어진다. 반면 땅콩은 엽록소 a/b 비율을 일정 수준 이상 유지하며, 스트레스 회복 이후에도 광합성 효율을 부분적으로 복구할 수 있는 능력을 보인다.

 

 

식물호르몬 반응 및 시그널링 경로의 차이

식물 내 호르몬 반응은 스트레스 인지와 생리적 전환 과정에서 핵심적인 조절 메커니즘이다. 참깨는 가뭄 스트레스 하에서 ABA(아브시스산) 농도가 빠르게 증가하며, 이는 기공 폐쇄 유도, ROS 생성 억제, 세포막 안정화 등에 관여한다. ABA 생합성과 관련된 NCED 유전자 발현량은 참깨에서 스트레스 초기에 급증하며, 이에 따라 기공은 빠르게 닫히고, 세포 내 이온 균형이 유지된다.

 

반면 땅콩은 ABA 반응뿐 아니라, 사이토키닌 및 자스모네이트(JA) 반응도 동시에 활성화되며, 보다 복합적인 내성 시그널링을 구사한다. 땅콩은 가뭄 중기부터 JA-ABA 공동작용 경로를 통해 방어 유전자의 전사 활성화, 세포 내 항산화 시스템의 강화, 스트레스 반응 단백질(HSP)의 발현 촉진 등을 유도한다. 또한 사이토키닌 농도는 일정 수준 유지되어, 세포분열과 분화가 완전히 멈추지 않도록 하는 부분 생장 유지 전략이 가능해진다.

 

에틸렌 반응에서도 두 작물은 차이를 보인다. 참깨는 가뭄 시 에틸렌 농도가 증가하면서 조기 노화 및 잎 낙엽화가 빠르게 진행되며, 에너지 보존 중심 전략을 취한다. 반면 땅콩은 에틸렌 생합성이 상대적으로 늦게 유도되며, 지상부 유지와 광합성 지속을 위한 시간 확보에 유리한 방향으로 반응한다.

 

 

삼투 조절 및 항산화 시스템의 활성 차이

가뭄 스트레스는 세포 수분 함량을 감소시키며, 이에 따라 식물은 삼투 조절 능력으로 세포 팽압 유지와 손상 방지를 시도한다. 참깨는 삼투압 조절 물질로 프롤린(proline)과 수용성 당류(soluble sugars)의 축적을 선택적으로 증가시키며, 특히 프롤린의 농도는 단기 가뭄 하에서 빠르게 증가하는 경향을 보인다. 프롤린은 세포 내 수분 보유와 단백질 구조 보호, ROS 제거 기능까지 수행함으로써, 단기 회피형 전략에 적합한 역할을 한다.

 

반면 땅콩은 프롤린 외에도 글루탐산(glutamate), 글루타티온(GSH), 당알코올류(mannitol, sorbitol) 등의 다양한 삼투 조절 물질을 동원하며, 장기 스트레스 유지 기반의 세포 안정화 전략을 구사한다. 이와 동시에 땅콩은 SOD(초산화물 디스뮤타아제), CAT(카탈라아제), APX(아스코르베이트 퍼옥시다아제) 등의 항산화 효소 활성도 증가시키며, 스트레스로 유도된 ROS 축적을 효과적으로 해소하는 능력을 보인다.

 

참깨의 경우 항산화 시스템의 급격한 활성화는 관찰되지만, 지속 기간이 짧고, 장기 스트레스 상황에서는 효소 활성 유지가 어려움을 겪는다. 반대로 땅콩은 상대적으로 낮은 수준의 항산화 효소 활성으로 시작하되, 지속성과 회복력을 기반으로 한 방어체계 유지에 강점을 가진다.

 

 

생장 반응과 생식 생장기 변화의 생리적 차이

참깨는 전체 생육 주기가 80~90일 내외로 짧고, 고온·건조 환경에 맞춰진 조기 생식 전환형 전략을 가지는 대표적인 작물이다. 이는 가뭄 발생 시 빠른 꽃 형성과 결실을 통해 생산 완료 전략(fast completion strategy)을 구사하며, 자원 배분을 지상부에서 종자 생산으로 전환한다. 그러나 가뭄 시기가 개화 이전에 발생하면 치명적인 수량 감소가 불가피하다.

 

반면 땅콩은 지하 과실을 형성하는 특성상, 생식생장기가 상대적으로 길고, 가뭄 발생 이후에도 일정 수준의 회복 기회가 존재한다. 땅콩은 복생장 구조를 통해 생식기관 발달을 유연하게 조절할 수 있으며, 가뭄 이후 강우가 회복되면 새로운 꼬투리 형성과 종자 비대가 가능하다. 이러한 전략은 회복 기반의 생리 조절 능력이 높다는 것을 의미하며, 땅콩이 참깨에 비해 가뭄에 강한 작물로 평가받는 이유 중 하나이다.

또한 생장기 전반에서의 잎 면적 유지, 잎의 두께 변화, 줄기 내 수분 함량 변화 등도 두 작물 간 뚜렷한 차이를 보인다. 참깨는 수분 부족 시 빠르게 잎 면적을 줄여 증산을 제한하지만, 광합성 효율 저하로 이어지고, 땅콩은 상대적으로 잎의 기능을 끝까지 유지하려는 전략을 보인다.