식물학

3. 학문 분야

식물학은 다양한 하위 분야로 나뉜다. 연구 대상에 따라 식물의 형태, 발생, 생리, 지리, 생태 등을 연구한다. 특정 식물군에 따라 양치식물학, 이끼류학, 조류학, 수목학 등으로 나뉜다. 농학, 임학, 원예학, 초지학 등 응용 학문과도 밀접하게 관련되어 있다. 칼 폰 린네의 이명법 이후 분류학적 연구가 발전했고, 멘델의 법칙 이후에는 유전학에 기반한 육종학도 발전하였다.

3. 1. 하부 분야

4. 해부학·세포학·조직학

최초로 발견된 세포는 코르크 세포였으며, 식물 세포는 세포벽을 가지고 있어 관찰이 용이하다. 현미경 사용과 함께 세포가 발견되면서 조직학적 연구가 발전했다. 세포설은 식물 연구에서 먼저 제기되었으나, 이후 연구는 동물에 비해 더디게 진행되었다. 식물은 생체 해부가 어렵고, 세포 단위로 기능하며, 세포들이 서로 밀착되어 있어 연구에 어려움이 있다. 21세기 현재에도 이 분야의 연구가 진행 중이다.

5. 식물 생리학

과 중력을 향해 움직이는 것을 실험했고, "뿌리의 끝이… 마치 하등 동물의 뇌처럼 작용하여… 여러 가지 운동을 지시한다고 해도 과장이 아니다"라고 결론지었다. 거의 같은 시기에 네덜란드 과학자 프리츠 벤트에 의해 식물 성장 조절에서 옥신(그리스어 auxein|아욱세인|자라다^grc)의 역할이 처음으로 개략적으로 설명되었다. 세포 성장을 촉진하는 최초로 알려진 옥신인 인돌-3-아세트산(IAA)은 약 50년 후에야 식물에서 분리되었다. 이 화합물은 빛과 중력에 대한 줄기와 뿌리의 향성 반응을 매개한다. 1939년 IAA가 포함된 배양액에서 식물 캘러스를 유지할 수 있다는 발견과 1947년 성장 호르몬의 농도를 조절함으로써 뿌리와 줄기를 형성하도록 유도할 수 있다는 관찰은 식물 생명공학과 유전자 변형의 발전에 중요한 단계였다.

사이토키닌은 세포 분열(특히 세포질 분열)을 조절하는 역할을 하는 식물 호르몬의 한 종류이다. 천연 사이토키닌인 제아틴은 옥수수, ''옥수수''에서 발견되었으며 퓨린 아데닌의 유도체이다. 제아틴은 뿌리에서 생성되어 물관을 통해 줄기로 이동하여 세포 분열, 눈의 발달 및 엽록체의 녹화를 촉진한다. 지베렐린과 같은 지베렐린산은 아세틸 CoA로부터 메발론산 경로를 통해 합성되는 디테르펜이다. 이들은 종자의 발아 및 휴면 타파 촉진, 줄기 신장 조절을 통한 식물 키 조절, 개화 조절에 관여한다. 아브시스산(ABA)은 우산이끼를 제외한 모든 육상 식물에 존재하며, 엽록체 및 기타 색소체에서 카로티노이드로부터 합성된다. 이것은 세포 분열을 억제하고, 종자 성숙 및 휴면을 촉진하며, 기공 폐쇄를 촉진한다. 원래 낙엽을 조절한다고 생각했기 때문에 이런 이름이 붙여졌다. 에틸렌은 모든 고등 식물 조직에서 메티오닌으로부터 생성되는 기체 호르몬이다. 현재 과실 숙성과 낙엽을 자극하거나 조절하는 호르몬으로 알려져 있으며, 에틸렌을 생성하기 위해 신속하게 대사되는 합성 생장 조절제인 에테폰은 면화, 파인애플 및 기타 폐경기 작물의 숙성을 촉진하기 위해 산업 규모로 사용된다.

식물호르몬의 또 다른 종류는 자스몬산이며, ''자스민''의 기름에서 처음 분리되었다. 병원균 공격에 대한 전신획득저항성 반응에 필요한 유전자의 발현을 해제함으로써 식물의 상처 반응을 조절한다.

빛은 식물의 주요 에너지원일 뿐만 아니라 신호 장치 역할을 하여 식물에 매일 얼마나 많은 햇빛을 받는지와 같은 정보를 제공한다. 이는 광형태발생이라고 알려진 과정에서 적응적 변화를 초래할 수 있다. 피토크롬은 빛에 민감한 식물의 광수용체이다.

식물이 먹이를 섭취하지 않고도 생장하는 현상에 대해서는, 헬몬트(1648년)가 버드나무의 생장과 그 기간 동안의 토양 손실을 측정한 실험 등, 오래전부터 연구되어 왔다. 다양한 광합성 관련 조건과 그 영향이 나타남에 따라, 20세기 초에는 명반응과 암반응의 존재가 예상되었지만, 그 기작에 대한 구체적인 해명이 이루어진 것은 호흡 사슬의 해명 이후였다.

또한, 개체 수준의 생리학은, 생장 조절이나 굴성·주성의 연구에서 식물 호르몬의 발견 등이 예로 들 수 있다.

6. 식물 유전학

유전학은 멘델이 완두를 이용하여 법칙을 밝힌 것을 계기로 발전하기 시작했으며,^[5] 애기장대, 벼, 담배 등이 모델 식물로 사용되어 관련 연구가 활발하게 진행되었다. 이전부터 유전학 실험에는 식물이 자주 사용되었는데, 이는 인간이 사육·재배하는 생물 중 식물이 수명이 짧고 관리하기 쉬운 것이 많았기 때문이다.

그러나 초파리나 붉은빵곰팡이 등이 모델 생물로 사용되기 시작하면서 연구의 최전선에서 모델 식물의 이용은 감소했다. 바버라 매클린톡은 옥수수 연구를 통해 점핑 유전자를 발견했다.

7. 식물 지리학 및 생태학

식물지리학은 전 세계 다양한 지역에서 식물상의 분포를 연구하며, 이는 그 지역의 식생을 결정하는 중요한 요소이다. 따라서 지리학과 밀접하게 연관되며, 기후대 구분 등에 활용되었다. 또한 각 지역의 다양한 식물군집의 구성을 조사하는 연구는 식물사회학이라고 불리는 식물에 관한 군집생태학으로 발전하였다. 한편, 그러한 식물군집의 변화로부터 천이 이론이 발전하였다. 더 나아가 동물군집을 포함하여 생각함으로써 생태계 개념이 생겨났다. 이들은 생태학의 중요한 부분을 차지한다.

8. 식물학의 역사

"식물학"이라는 용어는 고대 그리스어 '''' (βοτάνη^grc)에서 유래했는데, 이는 "목초지", "허브", "풀" 또는 "사료"를 의미한다.^[2] ''''는 다시 "먹이다" 또는 "방목하다"를 의미하는 ''''(그리스어: βόσκειν^grc)에서 파생되었다. 전통적으로 식물학에는 균류학자들에 의한 균류와 조류학자들에 의한 조류 연구도 포함되었으며, 이 세 그룹의 유기체 연구는 국제식물학회의 관심 영역 안에 남아 있다.

영어의 Botany는 목초지, 풀, 허브를 의미하는 고대 그리스어 βοτάνη에서 유래했다.^[7] 한어의 "植物学"은 식물학자 존 린들리의 "Element of Botany"의 한역 『植物学』(선교사 알렉산더 윌리엄슨 역)이 일본에 전래되어, 표제가 번역어로 정착했다.

8. 1. 초기 식물학

그의 주요 저서인 ''식물에 관한 연구''와 ''식물의 원인에 관하여''는 중세 이후 거의 17세기 동안 식물학에 가장 중요한 기여를 했다.

페다니우스 디오스코리데스가 1세기 중반에 쓴 초기 약초 의학에 관한 5권짜리 백과사전인 데 마테리아 메디카(De materia medica)^la는 고대 그리스의 또 다른 저술로 식물학에 초기 영향을 미쳤으며, 1500년 이상 널리 읽혔다. 중세 이슬람 세계의 중요한 기여로는 이븐 와흐시야의 ''나바테아 농업'', 아부 하니파 디나와리(828~896)의 ''식물의 책'', 이븐 바살의 ''토양의 분류''가 있다. 13세기 초 아부 알-아바스 알-나바티와 이븐 알-바이타르(1248년 사망)는 체계적이고 과학적인 방식으로 식물학에 대해 저술했다.

8. 2. 르네상스 시대의 식물학 발전

16세기 중반, 여러 이탈리아 대학에 식물원이 설립되었다. 1545년의 파도바 식물원(Orto botanico di Padova)은 일반적으로 원래 위치에 있는 최초의 식물원으로 간주된다.^[7] 이 정원들은 수도원과 종종 관련된 초기 "약초원"의 실용적인 가치를 계승했는데, 이곳에서는 의심되는 약용으로 식물을 재배했다. 이들은 학문 분야로서의 식물학의 발전을 뒷받침했다. 정원에서 재배된 식물에 대한 강의가 행해졌다. 식물원은 북유럽에 훨씬 늦게 들어왔는데, 영국 최초의 식물원은 1621년의 옥스퍼드 대학교 식물원(University of Oxford Botanic Garden)이었다.^[7]

독일 의사 레온하르트 푸크스(Leonhart Fuchs)(1501–1566)는 신학자 오토 브룬펠스(Otto Brunfels)(1489–1534)와 의사 히에로니무스 보크(Hieronymus Bock)(1498–1554)(히에로니무스 트라구스(Hieronymus Tragus)라고도 함)와 함께 "식물학의 3대 독일 아버지" 중 한 명이었다.^[7] 푸크스와 브룬펠스는 이전 저술을 복사하는 전통을 깨고 독자적인 관찰을 했다. 보크는 자신의 식물 분류 체계를 만들었다.

의사 발레리우스 코르두스(Valerius Cordus)(1515–1544)는 1544년에 식물학적 및 약리학적으로 중요한 약초인 ''Historia Plantarum''과 1546년에 오랫동안 중요한 약전인 ''Dispensatorium''을 저술했다.^[7] 박물학자 콘라드 게스너(Conrad von Gesner)(1516–1565)와 약초학자 존 제라드(John Gerard)(1545–1611)는 식물의 추정 약용에 대한 약초를 출판했다. 박물학자 울리세 알드로반디(Ulisse Aldrovandi)(1522–1605)는 식물 연구를 포함한 ''자연사의 아버지''로 여겨졌다. 1665년, 초기 현미경을 사용하여 다방면의 재능을 가진 사람 로버트 후크(Robert Hooke)는 코르크에서, 그리고 얼마 후 살아있는 식물 조직에서 세포(그가 만든 용어)를 발견했다.^[7]

8. 3. 근대 초기 식물학

16세기 중반, 여러 이탈리아 대학에 식물원이 설립되었다. 1545년의 파도바 식물원(Orto botanico di Padova)은 일반적으로 원래 위치에 있는 최초의 식물원으로 간주된다. 이 정원들은 수도원과 종종 관련된 초기 "약초원"의 실용적인 가치를 계승했는데, 이곳에서는 의심되는 약용으로 식물을 재배했다. 이들은 학문 분야로서의 식물학의 발전을 뒷받침했다. 정원에서 재배된 식물에 대한 강의가 행해졌다. 식물원은 북유럽에 훨씬 늦게 들어왔는데, 영국 최초의 식물원은 1621년의 옥스퍼드 대학교 식물원(University of Oxford Botanic Garden)이었다.^[1]

독일 의사 레온하르트 푸크스(Leonhart Fuchs)(1501–1566)는 신학자 오토 브룬펠스(Otto Brunfels)(1489–1534)와 의사 히에로니무스 보크(Hieronymus Bock)(1498–1554)(히에로니무스 트라구스(Hieronymus Tragus)라고도 함)와 함께 "식물학의 3대 독일 아버지" 중 한 명이었다.^[2][3] 푸크스와 브룬펠스는 이전 저술을 복사하는 전통을 깨고 독자적인 관찰을 했다. 보크는 자신의 식물 분류 체계를 만들었다.

의사 발레리우스 코르두스(Valerius Cordus)(1515–1544)는 1544년에 식물학적 및 약리학적으로 중요한 약초인 ''Historia Plantarum''과 1546년에 오랫동안 중요한 약전인 ''Dispensatorium''을 저술했다.^[4] 박물학자 콘라드 게스너(Conrad von Gesner)(1516–1565)와 약초학자 존 제라드(John Gerard)(1545–1611년경)는 식물의 추정 약용에 대한 약초를 출판했다. 박물학자 울리세 알드로반디(Ulisse Aldrovandi)(1522–1605)는 식물 연구를 포함한 ''자연사의 아버지''로 여겨졌다. 1665년, 초기 현미경을 사용하여 다방면의 재능을 가진 사람 로버트 후크(Robert Hooke)는 코르크에서, 그리고 얼마 후 살아있는 식물 조직에서 세포(그가 만든 용어)를 발견했다.^[5]

8. 4. 근대 후기 식물학

마티아스 야코프 슐라이덴의 ''Grundzüge der Wissenschaftlichen Botanik^de''(1849, 영어: ''Principles of Scientific Botany'') 출판은 최초의 "현대" 교과서로, 식물학 발전에 큰 영향을 주었다. 1855년, 아돌프 픽은 생물 시스템에서 분자 확산 속도 계산을 가능하게 하는 픽의 확산 법칙을 공식화했다. 그레고어 멘델의 유전자-염색체 이론을 바탕으로 아우구스트 바이스만은 유전이 배우자를 통해서만 일어난다는 것을 증명했다. 캐서린 에사우의 식물 해부학 연구는 현대 식물학의 주요 기반이 되었다.^[5]

9. 식물 생태학

식물 생태학은 식물과 그 서식지 사이의 기능적 관계를 연구하는 과학이다. 식물 생태학자들은 지역 및 광역 식물상의 구성, 생물다양성, 유전적 다양성, 적응도, 환경에 대한 식물의 적응, 그리고 다른 종과의 경쟁적 또는 상리공생적 상호 작용을 연구한다.^[4] 이들은 민족식물학자들이 수집한 원주민들의 경험적 자료에 의존하기도 한다.^[4] 식물 생태학의 목표는 식물의 분포 패턴, 생산성, 환경 영향, 진화 및 환경 변화에 대한 반응의 원인을 이해하는 것이다.

식물은 토양 및 기후 요인에 의존하지만, 알베도 변화, 유출 차단 증가, 광물 토양 안정화, 유기물 함량 증가, 지역 온도에 영향을 주는 등 환경을 수정할 수도 있다. 식물은 자원을 놓고 생태계의 다른 유기체와 경쟁하며, 집단, 개체군, 군집에서 다양한 공간 규모로 상호 작용한다. 이러한 상호작용은 집합적으로 식생을 구성한다. 특징적인 홀드리지 생명대와 우점종, 유사한 비생물적 요소 및 생물적 요소, 기후, 지리를 가진 지역은 툰드라 또는 열대 우림과 같은 생물군계를 형성한다.

초식동물은 식물을 먹지만, 식물은 초식동물에 대한 식물 방어를 할 수 있으며, 일부 종은 기생 식물이거나 식충 식물이기도 하다. 다른 유기체는 식물과 상리공생 관계를 형성한다. 예를 들어, 균근 균류와 뿌리혹 박테리아는 식량과 교환으로 식물에 영양분을 제공하고, 개미는 개미 식물에 의해 보호를 위해 모집되며, 꿀벌, 박쥐 및 다른 동물은 꽃을 수분시키고, 인간과 다른 동물은 산포 매개체 역할을 하여 포자와 종자를 퍼뜨린다.

10. 20세기와 21세기 식물학

1960년대 중반 이후, 식물 생리학 과정의 물리학에 대한 이해가 발전했다. 통계 분석의 혁신은 식물학 연구에서 합리적인 실험 설계와 데이터 분석을 가능하게 했다.^[1] 옥신 식물 호르몬의 발견과 확인은 외부 화학 물질에 의한 식물 성장 조절을 가능하게 했다.^[2] 프레더릭 캠피온 스튜어드는 미세 증식과 식물 조직 배양 기술을 개척했다.^[3] 최초의 상업용 합성 제초제 중 하나는 합성 옥신 2,4-디클로로페녹시아세트산(2,4-D)였다.^[4]

20세기 식물 생화학의 발전은 유기 화학 분석의 현대적인 기술( 분광법, 크로마토그래피, 전기 영동 등)에 의해 주도되었다.^[5] 분자 생물학, 유전체학, 단백질체학, 대사체학 등 관련 분야의 발전으로 식물 게놈과 식물 생화학, 생리학, 형태, 행동 간의 관계 연구가 가능해졌다.^[6] 고틀리프 하버란트의 식물 세포 전능성 개념은 유전 공학을 가능하게 했다.^[7]

현대 형태학은 뿌리, 줄기, 잎, 털의 주요 형태 범주 사이의 연속체를 인식하고 구조적 역동성을 강조한다. 현대 분류학은 식물 사이의 계통 발생적 관계를 반영하고 발견하는 것을 목표로 한다. 현대 분자 계통학은 DNA 서열을 데이터로 사용한다. 1998년 피자 식물 계통 연구 그룹은 꽃 식물의 계통 발생을 발표하여 많은 질문에 답했다. 현재 DNA 바코딩에 의한 식물 종 식별 가능성이 활발히 연구되고 있다.

11. 식물학의 중요성 및 범위

식물은 지구상 거의 모든 동물 생명의 기반이므로 식물 연구는 매우 중요하다. 식물은 인류에게 식량, 산소, 생화학 물질, 제품을 제공하고 토양을 생성하고 보존한다.

기후 및 기타 환경 변화에 대한 식물의 반응은 이러한 변화가 생태계 기능과 생산성에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 식물의 개화시기는 고기후학에서 온도의 유용한 대용지표가 될 수 있으며, 기후변화의 영향 및 지구온난화를 나타내는 지표로 사용될 수 있다. 화분분석학은 수천 년 또는 수백만 년 전의 퇴적물에서 발견되는 화석 꽃가루를 분석하여 과거 기후를 재구성하는 데 사용된다. 고생대 이후 대기 중 이산화탄소(CO₂) 농도는 고대 육상식물의 기공 밀도, 잎의 모양 및 크기를 통해 추정할 수 있다. 오존층 파괴는 식물을 더 높은 수준의 자외선-B(UV-B)에 노출시켜 성장률을 낮출 수 있다. 또한, 군집생태학, 식물 계통분류학, 분류학 연구에서 얻은 정보는 식생 변화, 서식지 파괴, 종 멸종을 이해하는 데 필수적이다.

12. 식물과 인간의 관계

역사적으로 모든 생물은 동물 또는 식물로 분류되었으며, 식물학은 동물로 간주되지 않는 모든 유기체의 연구를 다루었다. 식물학자들은 식물 세포 소기관, 세포, 조직, 전체 식물, 식물 개체군, 식물 군집 내의 내부 기능과 과정을 조사한다. 식물학자는 식물의 분류, 계통 발생 및 진화, 구조, 기능을 연구한다. '식물'의 가장 엄격한 정의는 육상 식물 또는 유배식물만 포함한다. (종자 식물, 포자 형성 은화식물)

과거 식물학자들이 연구했던 다른 유기체 그룹은 다음과 같다.

고식물학자는 화석 기록에서 고대 식물을 연구하여 식물 진화 역사에 대한 정보를 제공한다. 시아노박테리아는 초기 진핵생물과 내공생 관계를 맺어 식물 세포의 엽록체가 된 것으로 생각된다.

21세기 중요한 식물학적 질문은 다음과 같다.

• 식물의 일차 생산자 역할
• 전 세계 환경 문제 해결에 대한 식물 관리의 기여

13. 인간 영양과 식물

거의 모든 주식은 식물에 의한 1차 생산에서 직접적으로, 또는 식물을 먹는 동물로부터 간접적으로 나온다. 식물과 다른 광합성 유기체는 태양 에너지와 토양 및 대기의 영양분을 이용하여 동물이 사용할 수 있는 형태로 전환하기 때문에 대부분의 먹이 사슬의 기초를 이룬다.

식물학자들은 식물이 어떻게 음식을 생산하는지, 그리고 예를 들어 식물 육종을 통해 수확량을 어떻게 늘릴 수 있는지 연구한다. 따라서 그들의 연구는 세계 인구를 먹여 살리고 미래 세대의 식량 안보를 제공하는 인류의 능력에 중요하다.

14. 식물 생화학

식물 생화학은 식물이 사용하는 화학적 과정을 연구하는 학문이다. 이러한 과정 중 일부는 광합성 캘빈 회로 및 CAM(Crassulacean acid metabolism)과 같은 일차 대사에 사용된다.^[1] 다른 과정들은 식물체를 구성하는 셀룰로오스와 리그닌과 같은 특수한 물질과 수지 및 향기 성분과 같은 이차 대사산물을 생성한다.

15. 의약품 및 재료와 식물

식물화학은 주로 이차 대사 작용 동안 식물이 생산하는 화학 물질을 다룬다. 미국 원주민들은 수천 년 동안 다양한 식물을 질병 치료에 사용했다.^[1] 식물은 안토시아닌, 잇꽃, 쪽, 인독실, 감보지, 로즈 매더와 같은 색깔 있는 염료와 색소를 합성할 수 있다.

설탕, 녹말, 목화, 아마, 삼, 일부 종류의 밧줄, 목재와 파티클보드, 파피루스와 종이, 식물성 기름, 표피 왁스, 천연 고무는 식물 조직 또는 그 부산물로 만들어진 상업적으로 중요한 재료의 예이다. 나무의 열분해로 만들어진 순수한 탄소 형태인 숯은 금속 제련 연료, 여과재, 흡착제 및 화가의 재료로서 오랜 역사를 가지고 있으며, 화약의 세 가지 성분 중 하나이다. 셀룰로오스는 에너지, 연료, 재료 및 화학적 원료로 전환될 수 있다. 사탕수수, 유채, 대두는 바이오디젤과 같은 화석 연료의 중요한 대안인 바이오연료의 원천으로 사용된다.^[2] 미국 원주민들은 모기와 같은 해충을 막기 위해 스위트그래스를 사용했는데,^[3] 이 스위트그래스의 해충 방지 특성은 나중에 미국화학회에 의해 피톨과 쿠마린 분자에서 발견되었다.^[3]

16. 식물 생태학

식물 생태학은 식물과 서식지, 즉 식물이 생물적 생활 주기를 완성하는 환경 사이의 기능적 관계를 연구하는 과학이다. 식물 생태학자들은 지역 및 광역 식물상의 구성, 생물다양성, 유전적 다양성 및 적응도, 환경에 대한 식물의 적응, 그리고 다른 종과의 경쟁적 또는 상리공생적 상호 작용을 연구한다.^[4] 일부 생태학자들은 민족식물학자들이 수집한 원주민들의 경험적 자료에 의존하기도 하는데, 이 정보는 수천 년 전 토지가 어떠했고 시간이 지남에 따라 어떻게 변화했는지에 대한 많은 정보를 전달할 수 있다. 식물 생태학의 목표는 식물의 분포 패턴, 생산성, 환경 영향, 진화 및 환경 변화에 대한 반응의 원인을 이해하는 것이다.

식물은 환경의 특정 토양 및 기후 요인에 의존하지만 이러한 요인을 수정할 수도 있다. 예를 들어, 환경의 알베도를 변화시키고, 유출 차단을 증가시키고, 광물 토양을 안정화시키고, 유기물 함량을 증가시키며, 지역 온도에 영향을 줄 수 있다. 식물은 자원을 놓고 생태계의 다른 유기체와 경쟁한다. 식물은 집단, 개체군 및 군집에서 다양한 공간 규모로 이웃과 상호 작용하며, 이러한 것들이 집합적으로 식생을 구성한다. 특징적인 홀드리지 생명대와 우점종, 그리고 유사한 비생물적 요소 및 생물적 요소, 기후 및 지리를 가진 지역은 툰드라 또는 열대 우림과 같은 생물군계를 형성한다.

초식동물은 식물을 먹지만, 식물은 초식동물에 대한 식물 방어를 할 수 있으며, 일부 종은 기생 식물이거나 심지어 식충 식물이기도 하다. 다른 유기체는 식물과 상리공생 관계를 형성한다. 예를 들어, 균근 균류와 뿌리혹 박테리아는 식량과 교환으로 식물에 영양분을 제공하고, 개미는 개미 식물에 의해 보호를 위해 모집되며, 꿀벌, 박쥐 및 다른 동물은 꽃을 수분시키고, 인간과 다른 동물은 산포 매개체 역할을 하여 포자와 종자를 퍼뜨린다.

17. 식물, 기후 및 환경 변화

기후 및 기타 환경 변화에 대한 식물의 반응은 이러한 변화가 생태계 기능과 생산성에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 데 도움을 준다. 예를 들어, 식물의 개화시기는 고기후학에서 온도의 유용한 대용지표가 될 수 있으며, 기후변화의 영향 및 지구온난화를 나타내는 지표로 사용될 수 있다. 화분분석학은 수천 년 또는 수백만 년 전의 퇴적물에서 발견되는 화석 꽃가루를 분석하여 과거 기후를 재구성하는 데 사용된다.^[1] 고생대 이후 대기 중 이산화탄소(CO₂) 농도는 고대 육상식물의 기공 밀도, 잎의 모양 및 크기를 통해 추정할 수 있다.^[2] 오존층 파괴는 식물을 더 높은 수준의 자외선-B(UV-B)에 노출시켜 성장률을 낮출 수 있다.^[3] 또한, 군집생태학, 식물 계통분류학, 분류학 연구에서 얻은 정보는 식생 변화, 서식지 파괴, 종 멸종을 이해하는 데 필수적이다.^[4]

18. 식물 유전학

식물은 다른 다세포 유기체와 마찬가지로 유전학의 기본 원칙을 따른다. 그레고어 멘델은 완두콩( ''Pisum sativum'')의 모양과 같은 유전 형질을 연구하여 유전의 법칙을 발견했다. 멘델이 식물 연구를 통해 알게 된 사실은 식물학 밖에서도 광범위한 이점을 가져왔다. 마찬가지로, 점핑 유전자는 바버라 매클린톡이 옥수수를 연구하는 동안 발견했다. 그럼에도 불구하고 식물과 다른 유기체 사이에는 몇 가지 독특한 유전적 차이가 있다.

식물의 종 경계는 동물보다 약할 수 있으며, 종간 잡종이 종종 가능합니다. 친숙한 예로 페퍼민트( ''Mentha'' × ''piperita'')는 물민트와 스피어민트 사이의 불임 잡종이다.^[1] 많은 재배 밀 품종은 야생종과 그 잡종 간의 다중 종간 및 종내 특이적 교배의 결과이다.^[2] 속씨식물 중 자웅동주 꽃을 가진 식물은 종종 자가 불화합성 메커니즘을 가지고 있어 꽃가루와 암술머리 사이에서 꽃가루가 암술머리에 도달하지 못하거나 발아하지 못하고 수컷 생식세포를 생성하지 못한다.^[3] 이것은 식물이 타가 수분을 촉진하기 위해 사용하는 여러 방법 중 하나이다.^[4] 많은 육상 식물에서 수컷과 암컷 생식세포는 서로 다른 개체에 의해 생성된다. 이러한 종은 혈관 식물 포자체를 언급할 때 자웅이주라고 하고, 선태류 배우체를 언급할 때 자웅이주라고 한다.^[6]

찰스 다윈은 1878년 저서인 '식물계에서의 교배와 자가 수분의 효과'^[5] 12장의 시작 부분에서 "이 책에서 제시된 관찰에서 도출할 수 있는 첫 번째이자 가장 중요한 결론은 일반적으로 교배가 유익하고 자가 수분은 적어도 내가 실험한 식물에서는 종종 해롭다는 것입니다."라고 언급했다. 타가 수분의 중요한 적응적 이점은 자손의 게놈에서 해로운 돌연변이를 가리는 것을 허용한다는 것이다. 이 유익한 효과는 잡종 강세 또는 이형성이라고도 한다. 일단 타가 수분이 확립되면, 이어서 근교 수분으로 전환하는 것은 이전에 가려졌던 해로운 열성 돌연변이의 발현을 허용하기 때문에 불리해지며, 이는 일반적으로 근교 쇠퇴라고 한다.

고등 동물에서는 단위생식이 드문 반면, 식물에서는 여러 가지 다른 메커니즘에 의해 무성 생식이 일어날 수 있다. 감자의 줄기 괴경 형성이 한 가지 예이다. 특히 꽃의 수정 기회가 동물에 의해 드문 북극 또는 고산 서식지에서는 식물체나 구근이 꽃 대신 발달하여 유성 생식을 무성 생식으로 대체하고 부모와 유전적으로 동일한 클론 개체군을 생성할 수 있다. 이것은 식물에서 발생하는 여러 유형의 무배유생식 중 하나이다. 무배유생식은 종자에서도 발생하여 부모와 유전적으로 동일한 배아를 포함하는 종자를 생성할 수 있다.^[7]

대부분의 유성 생식 유기체는 쌍을 이룬 염색체를 가진 이배체이지만, 세포질 분열의 오류로 인해 염색체 수가 두 배가 될 수 있다. 이것은 발생 초기에 발생하여 자동다배수체 또는 부분적으로 자동다배수체 유기체를 생성하거나, 세포 분화의 정상적인 과정에서 다배수체인 일부 세포 유형을 생성하거나, 또는 배우자 형성 중에 발생할 수 있다. 이배다배수체 식물은 두 종 사이의 잡종화 사건의 결과일 수 있다. 자동다배수체와 이배다배수체 식물 모두 정상적으로 번식할 수 있지만, 염색체 수가 일치하지 않기 때문에 모집단과 성공적으로 교배할 수 없을 수 있다. 모종과 생식적으로 격리되지만 동일한 지리적 지역에 서식하는 이러한 식물은 새로운 종을 형성할 만큼 성공적일 수 있다. 어떤 불임 식물 다배수체는 여전히 영양적으로 또는 종자 무배유생식에 의해 번식하여 동일한 개체의 클론 집단을 형성할 수 있다. 듀럼 밀은 다산성 사배체 이배다배수체인 반면, 빵 밀은 다산성 육배체이다. 시판되는 바나나는 불임성, 무종자 삼배체 잡종의 예이다. 민들레는 무배유생식 종자를 생성하는 삼배체이다.

다른 진핵생물과 마찬가지로 식물에서 내공생 세포기관인 미토콘드리아와 엽록체의 유전은 비멘델적입니다. 엽록체는 겉씨식물에서는 수컷 부모를 통해, 꽃피는 식물에서는 종종 암컷 부모를 통해 유전된다.

19. 분자 유전학

20. 후성유전학

후성유전학은 DNA 염기서열의 변화 없이 유전되는 유전자 기능의 변화를 연구하는 학문이다.^[1] 이러한 변화는 유전자의 발현 방식을 다르게 만들 수 있다.^[1]

후성유전적 변화의 예로는 DNA 메틸화를 통한 유전자 표시가 있는데, 이는 유전자의 발현 여부를 결정한다.^[1] 유전자 발현은 DNA의 사일렌서 영역에 억제 단백질이 부착되어 해당 DNA 영역의 발현을 막는 방식으로 조절될 수도 있다.^[1] 이러한 후성유전적 표지는 식물의 발달 단계에 따라 DNA에 추가되거나 제거될 수 있으며, 예를 들어 수술, 꽃잎, 일반 잎의 차이는 모두 동일한 유전 코드를 가짐에도 불구하고 이러한 표지에 의해 결정된다.^[1]

후성유전적 변화는 일시적일 수도 있지만, 세포 분열을 통해 계속 유지될 수도 있다.^[1] 일부 후성유전적 변화는 유전되기도 하지만,^[2] 생식 세포에서 재설정되는 경우도 있다.^[1]

진핵생물에서 후성유전적 변화는 세포 분화 과정을 조절한다.^[3] 형태 형성 과정에서 전능성 줄기 세포는 다양한 다능성 세포주가 되고, 이는 다시 완전히 분화된 세포가 된다.^[3] 수정란이라는 하나의 세포는 유조직, 물관 요소, 체관 체관, 공변 세포를 포함하는 표피 등 다양한 식물 세포 유형을 생성하며, 이 과정은 일부 유전자의 후성유전적 활성화와 다른 유전자의 억제를 통해 일어난다.^[3]

동물과 달리 많은 식물 세포, 특히 유조직 세포는 완전 분화되지 않고 전능성을 유지하여 새로운 식물 개체를 만들 수 있다.^[4] 그러나 후각조직, 물관, 체관과 같이 성숙 후 죽거나 핵이 없는 세포는 예외이다.^[4] 식물은 염색질 재구성 등 동물과 동일한 후성유전적 메커니즘을 사용하지만, 식물 세포는 환경과 주변 세포의 위치 정보를 기반으로 발달 운명을 결정한다는 가설도 있다.^[4]

후성유전적 변화는 멘델 유전 법칙을 따르지 않는 변이유전을 유발할 수 있다.^[5] 이러한 후성유전적 표지는 한 세대에서 다음 세대로 전달될 수 있으며, 한 대립 유전자가 다른 대립 유전자에 변화를 일으키기도 한다.^[5]

21. 식물 진화

22. 계통 식물학

계통 식물학은 생물의 다양성과 그들 간의 관계, 특히 진화 과정에서의 관계를 연구하는 학문이다. 이 분야는 생물 분류, 과학적 분류학, 그리고 계통 발생학을 포함한다. 식물학자들은 속이나 종과 같은 범주를 사용하여 유기체를 분류하는데, 이는 카를 폰 린네가 제시한 종의 분류 체계에 기반을 두고 있다. 찰스 다윈의 공통 조상 개념에 따라, 린네의 분류 체계는 외형적 특징보다는 조상에 따른 유기체 분류 방식으로 수정되었다. DNA 서열을 데이터로 활용하는 분자 계통 발생학은 진화적 관계에 대한 연구를 주도하고 있다.

식물 분류 체계는 린네 분류법으로 불리며, 계급과 이명법을 포함한다. 식물 명명법은 국제조류·균류·식물 명명규약(ICN)에 따르며, 국제식물학회에서 관리한다.

식물계는 영역 진핵생물에 속하며, 계, 문, 강, 목, 과, 속(복수 ''속''), 종 순으로 분류된다. 식물의 학명은 속과 종을 나타내며, 예를 들어 호랑이 백합은 ''Lilium columbianum''으로 표기한다. ''Lilium''은 속, ''columbianum''은 종소명을 의미한다. 학명 표기 시 속명의 첫 글자는 대문자로, 종소명은 소문자로 쓰며, 전체는 이탤릭체로 표기한다.

유기체 그룹의 진화적 관계와 유전적 특성은 계통이라 불린다. 계통 발생 연구는 공유된 특징을 통해 관계를 파악한다. 예를 들어, ''Pereskia'' 종과 ''Echinocactus''는 모두 아레올에서 생성된 가시를 가지고 있어, 두 속이 관련 있음을 보여준다.

23. 식물학 기호

식물학에서 현재 사용되는 기호는 다음과 같다.^[1]

다수의 기호는 더 이상 사용되지 않는다. 예를 들어, 린네는 2년생 식물에 ♂|화성 기호^영어를, 다년생 초본식물에 ♃|목성 기호^영어를, 목본 다년생 식물에 ♄|토성 기호^영어를 사용했다. 이는 각 행성의 공전 주기가 각각 2년, 12년, 30년이라는 점에 근거한다. Willd는 중성에 ♄|토성 기호^영어를, 자웅동체에 ☿|수성 기호^영어를 사용했다.^[1]

참조

_[1] 서적 botany (n.), sense 1.a https://doi.org/10.1[...] Oxford English Dictionary 2024-09-01
_[2] 웹사이트 βοτάνη - LSJ https://lsj.gr/wiki/[...] Internet Archive 2021-01-27
_[3] 웹사이트 The Victorian Gentlewoman Who Documented 900 Plant Species http://www.atlasobsc[...] 2015-04-22
_[4] Youtube Cultivation of peyote by Native Americans: Past, present and future https://www.youtube.[...] 2012-06-12
_[5] 서적 The effects of cross and self fertilisation in the vegetable kingdom darwin-online.org.uk John Murray 1878
_[6] 웹사이트 植物学とは https://kotobank.jp/[...] ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典,デジタル大辞泉,世界大百科事典 第２版,大辞林 第三版,日本大百科全書(ニッポニカ),精選版,日本国語大辞典 2020-10-08
_[7] 웹사이트 What is plant science? https://www.jic.ac.u[...] 2019-03-20