온도·광량 변화가 식물 내 호르몬 신호전달 경로에 미치는 조합 효과

기후 변화와 환경 신호의 복합 작용

기후 변화는 단순히 기온의 상승이나 일조 시간의 변화를 의미하지 않는다. 실제 농업 현장에서 관찰되는 주요 특징은 온도와 광량의 급격한 변동이 동시에 발생한다는 점이다. 온도와 광량은 식물의 생장과 발달을 조절하는 핵심 환경 인자이며, 각각의 변화만으로도 작물의 대사 활동에 큰 영향을 미친다. 그러나 두 요인이 조합되어 나타날 때는 단순한 합산 효과를 넘어서는 복합적 생리 반응이 일어난다. 이 과정에서 식물 호르몬 신호전달 경로가 민감하게 반응하며, 생장·광합성·방어 전략 전반에 걸친 조율이 발생한다. 따라서 온도와 광량의 동시 변화가 호르몬 네트워크에 어떤 영향을 주는지 이해하는 것은 기후 변화 시대 농업의 핵심 과제가 된다.

 

 

온도 변화와 호르몬 신호 조절

온도는 식물 호르몬 신호전달 경로에 직접적인 변화를 일으킨다. 고온 조건에서는 에틸렌(ET)과 자스모네이트(JA)의 발현이 증가하여 열 스트레스 방어와 단백질 보호 반응이 강화된다. 동시에 아브시스산(ABA) 농도가 상승하여 기공이 닫히고 수분 손실을 줄이는 반응이 촉발된다. 반면 저온 조건에서는 살리실산(SA)과 시토키닌(CK)의 경로가 상대적으로 활성화되어 세포막 안정성과 항산화 반응이 증대된다. 이러한 온도 기반 호르몬 반응은 작물의 생존에 유리한 방향으로 작동하지만, 극단적인 온도 변화가 지속되면 호르몬 불균형이 발생해 생장 억제와 수량 감소로 이어질 수 있다.

 

 

광량 변화와 호르몬 네트워크 반응

광량은 식물의 생체시계와 발달 신호를 조절하는 데 중요한 역할을 한다. 고광 조건에서는 옥신(IAA)이 줄기 신장에 기여하고, 자스모네이트(JA)와 에틸렌 경로가 광 과잉으로 인한 광산화 스트레스 대응에 관여한다. 반면 저광 또는 차광 조건에서는 지베렐린(GA)의 활성이 증가하여 잎의 신장과 개화 유도를 촉진한다. 또한, 광량 부족은 광합성 효율 저하를 초래해 탄소 동화산물이 감소하고, 이에 따라 ABA 경로가 간접적으로 활성화되어 기공 조절 및 생장 억제 반응이 나타난다. 즉, 광량 변화는 단순히 광합성 속도를 바꾸는 것이 아니라, 호르몬 신호전달 네트워크 전반에 파급효과를 미친다.

 

 

온도·광량 조합 효과와 호르몬 신호의 교차 조절

기후 변화는 단일한 요인이 아니라 온도와 광량 같은 환경 인자들이 동시에 변동하는 형태로 나타나며, 식물의 생리 반응을 복합적으로 교란한다. 온도와 광량은 각각 독립적으로 작용할 때도 작물 생장에 큰 영향을 미치지만, 두 요인이 결합할 경우 식물 내 호르몬 신호전달 네트워크는 단순한 덧셈 이상의 변화를 경험한다. 이때 나타나는 현상이 바로 교차 조절(cross-talk)이다. 이는 특정 호르몬 경로가 다른 호르몬의 활성 수준을 증폭하거나 억제하는 방식으로 상호작용하는 것으로, 온도·광량의 조합 효과를 설명하는 핵심 메커니즘이 된다.

 

예를 들어, 고온과 고광이 동시에 작용하는 조건에서는 ABA(아브시스산)와 JA(자스모네이트) 신호가 강하게 활성화된다. 이 경우 ABA는 기공을 닫아 수분 손실을 막고, JA는 ROS 제거 및 단백질 보호 반응을 강화하는 역할을 수행한다. 하지만 두 호르몬이 동시에 활성화되면 광합성 억제와 성장 억제가 병행되므로, 생존에는 유리하지만 생산성 측면에서는 불리하게 작용할 수 있다. 반대로 저온과 저광 조건에서는 CK(시토키닌)과 SA(살리실산) 신호가 동시에 활성화되어 광합성 기계의 안정성과 항산화 시스템을 강화한다. 이때는 생장의 속도는 늦지만, 장기적으로는 엽록소 보존과 병원체 저항성이 향상되는 효과가 나타난다.

 

이러한 교차 조절은 호르몬 간의 네트워크 적 성격 때문에 복잡하게 나타난다. ABA는 보통 가뭄·고온 스트레스에서 주요한 방어 신호로 작동하지만, 저광 조건에서는 GA(지베렐린)의 신호를 억제해 잎과 줄기의 성장을 제한한다. 이는 같은 호르몬이 기후 조건의 조합에 따라 상반된 기능을 수행할 수 있음을 보여준다. 또한 JA와 SA는 종종 서로 길항 관계에 있는데, 고온·고광 조건에서는 JA가 ROS 방어를 주도하지만, 저온·저광 환경에서는 SA가 병원체 방어를 강화하며 JA 신호를 억제한다. 결국 온도와 광량 변화는 단순히 특정 호르몬의 농도를 바꾸는 수준이 아니라, 호르몬 간 네트워크의 균형을 재편하는 효과를 낳는다.

 

또한 이러한 조합 효과는 전사인자(transcription factors) 수준에서도 관찰된다. HSFA(Heat Shock Factor A)는 고온 조건에서 HSP 유전자 발현을 촉진하는데, 고광 조건이 병행될 경우 ROS 신호와 상호작용하며 더욱 강한 항산화 유전자 발현을 유도한다. 반면 저온·저광 환경에서는 CBF 계열 전사인자가 활성화되어 냉해 저항성을 높이는 동시에, CK 신호와 연계되어 세포 분열과 엽록체 보호를 강화한다. 이처럼 환경 인자가 조합되면 전사인자 네트워크도 다중 조율을 거쳐 특정 호르몬 경로를 우선 활성화하거나 억제하는 패턴을 보인다.

결국 온도와 광량의 조합은 작물이 기후 변화 속에서 에너지와 자원을 어떻게 배분할 것인지를 결정짓는 관문 역할을 한다. 생존에 필요한 최소한의 방어 반응을 유지하면서도 생산성을 보존하는 균형이 중요하며, 이 균형의 핵심 조절자가 바로 호르몬 교차 신호다. 따라서 기후 적응형 농업에서는 단일 호르몬 반응을 보는 것에서 벗어나, 온도·광량 조합 조건에서의 호르몬 네트워크 전체를 분석하고, 이를 바탕으로 내성 품종 개발과 스마트팜 환경 제어 전략을 설계해야 한다.

 

이러한 다양한 반응을 종합하면, 온도와 광량의 조합 조건별로 활성화되는 주요 호르몬과 생리적 결과를 다음과 같이 정리할 수 있다.

환경 조건 주요 활성 호르몬 주요 생리 반응 및 효과

고온 + 고광	ABA ↑, JA ↑	기공 폐쇄로 수분 손실 억제, ROS 방어 강화, 성장 억제
고온 + 저광	ABA ↑, GA ↑	수분 절약 반응, 줄기 신장 촉진, 광합성 효율 저하
저온 + 고광	SA ↑, JA ↑	광과잉 방어, 항산화 반응 강화, ROS 축적 억제
저온 + 저광	CK ↑, SA ↑	엽록소 안정화, 병원체 방어 강화, 성장 속도 둔화
변동 큰 환경 (일교차·간헐적 차광)	ABA ↔ GA, JA ↔ SA 균형	스트레스 대응과 생장 반응 사이의 균형 확보

 

 

기후 변화 대응을 위한 농업적 시사점

온도와 광량 변화가 호르몬 신호전달 경로에 미치는 조합 효과는 단순한 생리학적 사실을 넘어, 기후 변화 시대의 농업 전략 수립과 직결되는 중요한 의미를 지닌다. 기후 변화는 농작물의 생장, 수량, 품질을 동시에 위협하는 복합적 환경 요인을 발생시키기 때문에, 온도와 광량에 따른 호르몬 네트워크 반응을 이해하는 것은 품종 개량과 재배 기술 개발의 핵심 기반이 된다. 예를 들어, 고온·고광 조건에서도 ABA와 JA의 균형 조절이 잘 이루어지는 품종은 수분 손실을 억제하면서도 광합성 억제를 최소화해 안정적인 생산성을 유지할 수 있다. 반대로 저온·저광 조건에서 GA와 CK 신호를 효율적으로 활용하는 품종은 광 부족 상황에서도 엽록소와 에너지 대사를 안정화해 상대적으로 생장 저하가 적게 나타난다.

 

또한 기후 변화 속에서는 단순한 품종 개발을 넘어, 스마트팜 기반 환경 제어와 연결하는 것이 필요하다. 온도와 광량 센서를 활용해 실시간 데이터를 수집하고, AI 기반 모델을 통해 작물의 호르몬 반응 패턴을 예측한다면, 복합 스트레스 발생 전에 선제적으로 관수·차광·온도 조절 같은 맞춤형 대응이 가능하다. 나아가 호르몬 신호를 지표로 삼아 작물 생리 상태를 평가하는 시스템을 도입한다면, 기후 변화로 인한 불확실성 속에서도 안정적인 농업 운영이 가능해질 것이다. 결국 온도·광량 조합에 따른 호르몬 신호 조절 연구는 기후 위기 속 지속 가능한 농업 전략 수립에 필수적이며, 이는 향후 농업 생산성 보전과 식량 안보 확보의 중요한 열쇠가 된다.