잼민이도 읽을 수 있는 식물 면역학 이야기

식물 면역학

Plant Immunology

I. 식물이란 무엇인가?

1) 생물이란 무엇인가?

생물이란 무엇일까요? 생물이 무엇인지, 최초의 생명체는 무엇일지, 어디 까지가 생물이고 어디부터 무생물인지에 대한 인간의 호기심은 과거에서부터 오늘날까지도 이어지고 있습니다. 우선 과학자들이 정한 생물의 기본 특성을 보면서 이야기를 이어 나가겠습니다.

1. 물질대사를 한다.

2. 자극에 대한 반응을 한다.

3. 생식과 유전을 한다.

4. 발생과 성장을 한다.

5. 적응과 진화를 한다.

6. 항상성을 유지한다.

7. 세포 (cell)로 구성된다.

위의 7가지 특성을 가지면 생물이라고 규정하고 있습니다. 제 개인적인 생각으론 마지막 7번째 특성이 가장 중요하다고 생각 합니다. 세포는 생물을 구성하는 가장 작은 단위로 단세포 원핵생물이 가장 하등한 생물이라고 볼 수 있습니다. (여기서 하등하다는 것은 좋고 나쁨의 의미가 아님을 말씀드립니다.) 이런 의미에서 우리를 무려 3년이나 괴롭혔던 코로나 바이러스 (SARS-CoV-2)는 생명체가 아닙니다. (바이러스학을 전공하신 분들은 생물이라고 하지만…) 그저 핵산과 단백질로 구성된 병원성을 가지는 작은 물체 (pathogenic particle)라고 생각할 수 있습니다. 생각보다 생물의 조건이 까다롭죠?

2) 생물의 분류

현대 생물학에서는 한 종의 생물을 구분할 때 역>계>문>강>목>과>속>종으로 분류하며, 아(sub-), 상(super-), 하 (infra-) 등 더 세분화하여 나누기도 합니다. 우리는 가장 널리 알려지고 아직까지 많은 학자들에게 인정받는 3역 6계 체계를 살펴봅시다! (아직 이 분류체계에 대해선 학자들끼리 많이 싸웁니다! 특히 우리나라의 국립생물자원관에서는 3역 7계를 사용합니다.)

Figure. 1. 3역 6계

(출처: https://ib.bioninja.com.au/_Media/3-domains_med.jpeg)

3역 (3 domain)

• 진정세균역 (bacteria)
• 고세균역 (archaea)
• 진핵생물역 (eukarya)

6계 (6 kingdom)

• 진정세균계 (bacteria)
• 고세균계 (archaea)
• 원핵생물계 (protista)
• 식물계 (plantae)
• 동물계 (animalia)
• 균계 (fungi)

어우, 참 많죠? 일단 우리는 식물에 관심이 있으니 식물을 찾으러 가봅시다. 식물은 진핵생물역>식물계에 있네요! 그리고 figure.1을 보시면 버섯이 하나 있죠? 버섯은 균류로 진핵생물입니다. 식물과 비슷해보이기도 하고, 마트에 가면 채소와 함께 전시되어 있지만! 버섯은 식물보다는 동물에 가깝다는 사실! 이 부분은 추후 계통분류를 설명해주실 민수님이 나오신다면… 토스하겠습니다 흐흐흐 우선 식물의 생물학적 위치까지 알아보았습니다! 그렇다면 식물은 무엇일까요?

3) 식물 (plant)

우리 주변은 식물들로 가득 차있다고 말해도 무방합니다. 당장 밖으로 나가면 가로수가 있고, 부장님 책상 옆에는 난이 있자나요? 탕비실에는 죽어가는 이름 모를 풀들이 있습니다. 이처럼 우리는 수많은 식물 사이에서 살아가고, 매일 그들을 먹고, 그들의 인식하지도 않고 살아가고 있습니다. 이번 기회에 그들에 대해 자세히 알아보도록 합시다!

구글신에게 식물이 무엇이냐고 물어보면 식물은 식물계에 속하는 광합성을 하는 진핵생물이라고 나옵니다. 광!합!성! 우리 종종 밖에 나갈 때 광합성좀 하러 나가자고 하지 않습니까? 광합성은 무엇일까요? 아주 간단하게 말하자면 광합성은 아래의 사진과 같습니다.

Figure. 2. 광합성의 과정

(출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Photosynthesis)

광합성은 물과 이산화 탄소를 빛에너지를 이용해 산소와 당을 만드는 아주아주 신기한 과정입니다. 광합성 과정은 식물 대사에 있어 가장 중요한 대사과정 중 하나이며, 우리가 동물과 식물의 차이점을 이야기할 때 빼먹지 않고 하는 이야기입니다. 식물은 동물과는 달리 스스로 광합성을 하여 살아갈 에너지를 만드는 독립영양생물입니다. 사실 광합성은 식물 뿐만 아니라 다른 생물에서도 가능하고, 심지어 식물 중에서 광합성을 하지 않는 기생 식물도 존재합니다. 하지만 우리는 거기까지 가지 않고 흔히 줄기 잎 뿌리를 가지는 식물을 생각해 봅시다. (사실 식물을 형태적으로 구분하는 것도 수만가지지만.. 패스)

II. 면역이란?

여러분들 중에 홍삼 드시는 분들 계시나요? 흔히 홍삼으로 만든 식품을 면역력 강화제라고 말하고는 하죠. 면역은 무엇일까요? 면역은 생물의 특성의 여러 부분이 복합적으로 작동하는 것입니다. 자극에 대한 반응, 물질대사, 그리고 항상성 유지! 우리 몸은 항상성을 유지하려고 합니다. 항상성이란 우리의 몸을 일정한 상태로 유지하고자 하는 성질을 의미합니다. 즉, 병원균이 우리 몸을 친입 했을 때 우리 몸이 병원균이라는 자극에 반응하여 항상성을 유지하고자 움직이는 과정을 면역과정이라고 볼 수 있습니다. 동물인 인간은 두 종류의 면역체계를 가집니다. 선천 면역과 후천 면역입니다. 선천 면역은 말 그대로 우리가 태어났을 때부터 가지는 면역체계로 광범위한 병원체에 대해 열과 염증반응을 통해 반응합니다. 후천면역이라 특정 병원균에 대해서 항원-항체 반응을 통해 각종 면역세포가 연관되어 반응하는 면역 체계입니다. 우리가 맞는 독감 백신은 후천면역의 원리를 이용하였죠! 그렇다면 식물의 면역은 어떨까요?

III. 식물의 면역

많은 사람들이 어쩌면 신기하게 생각할지도 모르겠습니다. 식물이 면역 반응을?? 하면서 말이죠. 겉보기에 식물은 움직이지 않고 그저 한없이 연약하여 당하기만 할 것처럼 보이고는 하는데요. 사실 식물은 엄청나게 대단한 녀석입니다. 식물은 동물과는 다르게 후천 면역 반응이 없습니다. 대신 2 종류의 선천면역을 가집니다! 식물의 선천 면역은 각각 PTI, ETI라고 불립니다.

Figure. 3. PTI, ETI 

(출처: 10.1126/science.1236011)

위의 그림이 식물이 외부의 병원체에 대해 반응하는 모습을 간단한 그림으로 만든 것입니다! Figure. 3의 ①을 보시면 PAMP, MAMP라고 쓰여있는 것을 보실 수 있으십니다. PAMP는 pathogen (microbial)-associated molecular patterns라고 불리는 쉽게 말하면 식물이 병원체를 인식할 때 사용하는 병원체의 특정 부분입니다. 비유를 하자면 우리가 콧수염을 보면 침착맨님인줄 알고, 떠오르는 태양을 보면 주펄님인 것을 알 수 있는 것처럼 식물은 병원체의 이 PAMP를 보고 병원체임을 인식합니다. 그래서 이러한 식물의 면역 반응을 PAMPs-triggered immunity 즉 PTI라고 합니다. 하지만 병원체가 가만히 식물에게 당하고만 있을까요? 이때 병원체의 통쾌한 반란이 시작됩니다! 식물이 병원체를 인식하지 못하도록, 면역을 회피할 수 있게 하는 effector라는 물질을 만들어 분비합니다. 이 과정은 ②, ③번 과정으로 식물이 병원체를 인지하지 못하도록 하는 것이죠.

우리가 이 사진을 보면 당연히 이태원클라스의 김다미라고 생각하지 주펄님이라고는 생각하지 않자나요?이 사진속의 가발이 바로 effector입니다. 이처럼 식물을 속여서 면역을 회피하는 것을 effector-triggered susceptibility (ETS)라고 합니다. 그럼 식물은 어쩔 수 없이 또 당해야 겠네요? 절대 아니죠! 식물은 더 강하고, 더 빠르고, 더 극단적인 방법을 사용합니다. 바로 effector-triggered immunity, ETI입니다. ETI는 병원체의 effector를 인지하여 병원체의 친입을 인지 및 방어하는 기작입니다. ETI 면역 반응이 활성화되면 식물은 아주 특이한 반응을 유도합니다.

Figure. 4. Plant hypersensitive response

위의 사진과 같이 병원체에 감연된 조직부터 그 조직의 주변 부위의 세포를 모두 세포사 시킵니다. 이러한 반응을 과민반응이라고 하고 영어로는 hypersensitive response 줄여서 HR이라고 합니다. 이러한 HR을 유도하는 이유는 병원균이 식물의 다른 부위로 퍼지는 것을 방지하고자 감염 부위의 세포들을 세포자살하게 만들어 더 이상 병원체가 퍼지는 것을 막는 것입니다. 즉, 대를 위해 소가 희생한 케이스리고 볼 수 있죠… 사실 자연계에선 이런 ETI반응을 보기 쉽지 않습니다. 대부분 식물은 병원균이 친입 하더라도 식물에게 해를 가하지 않는다면 그냥 PTI로 살짝살짝 억제하는 정도의 면역을 유지하죠 ㅎㅎ 지금까지 보여드린 내용을 하나의 과학 모델로 나타내면 Zig-Zag model로 나타낼 수 있습니다.

Figure. 5. Zig-Zag model

(출처: https://doi.org/10.1038/nature05286)

아마 이 글을 읽어주신 침하하 유저분들이라면 저 그림이 한눈에 보일겁니다! PAMP를 인지했을 때는 PTI, effector를 인지했을 때는 ETI!!! 봐 벌써 여러분들은 생물학도가 입학해서 2-3학년때 배우는 내용을 모두 아시게 되었습니다!!! 기념으로 침하하 석사 학위를 드리도록 하겠습니다. Master degree of Chimhaha. 농담이고, 너무 겉할기 씩으로 대충 글을 적었나 싶기도 하네요… 뭐.. 궁금하신 내용이나 다음에 이런것도 궁금해요! 하시는 내용이 있다면 제가 할 수 있는 범위 내에서 글을 적어보도록 하겠습니다. 이상으로 끗.