자가 수분
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1. 개요
자가 수분은 식물이 꽃가루 매개체의 도움 없이 스스로 수정하는 방식이다. 자가 수분은 땅콩, 대두, 난초, 해바라기 등 다양한 식물에서 나타나며, 꽃가루 매개체가 부족한 환경에서도 번식할 수 있다는 장점이 있다. 자가 수분은 유전적 다양성을 감소시키고 근친 교배 우울증을 유발할 수 있지만, 주어진 환경에 적합한 형질을 안정적으로 유지하고 꽃가루 낭비를 줄일 수 있다. 자가 수분 식물은 혼합 교배 시스템을 보이기도 하며, 난초, 붉은 냉이, 애기장대 등이 대표적인 예시이다. 자가 수분 식물에서 감수 분열이 유지되는 이유는 DNA 손상 복구를 효율적으로 수행하기 때문이다.
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2. 자가 수분의 유형
자가 수분은 다양한 방식으로 일어난다. 대부분의 현화 식물(80%)은 자웅동주(양성화)이며, 일부(5%)는 자웅동체이다. 민들레처럼 자가 수분과 타가 수분이 모두 가능한 식물도 있다.[1]
자가 수분은 자손의 다양성을 제한하고 근친 교배 억제로 인해 식물의 활력을 저하시킬 수 있다. 그러나 적합한 꽃가루 매개체의 범위를 넘어 식물이 퍼져나가거나, 꽃가루 매개체 개체수가 꽃가루 매개자 감소로 인해 크게 줄어들거나 자연적으로 변동이 심한 지역에서 자손을 생산할 수 있다는 점에서 유리하다.[1]
2. 1. 폐화 수분 (Cleistogamy)
몇몇 식물은 꽃가루 매개체(바람이나 곤충 등)의 도움 없이 자가 수분을 한다. 이러한 메커니즘은 콩과 식물의 일종인 땅콩에서 가장 흔하게 관찰된다.[1] 또 다른 콩과 식물인 대두에서는 낮 동안 꽃이 열려 곤충의 타가 수분을 받을 수 있다. 만약 타가 수분이 이루어지지 않으면 꽃이 닫히면서 자가 수분을 한다.[1] 자가 수분을 할 수 있는 다른 식물로는 다양한 종류의 난초, 완두, 해바라기 및 트리닥스 등이 있다.[1] 자가 수분 식물의 대부분은 작고 눈에 잘 띄지 않는 꽃을 가지고 있으며, 꽃봉오리가 열리기도 전에 꽃가루를 암술머리에 직접 뿌린다.[1] 자가 수분 식물은 꽃가루 매개체를 유인하는 물질 생산에 에너지를 덜 소비하며, 북극이나 높은 고도와 같이 곤충이나 다른 동물이 없거나 매우 드문 지역에서도 생존할 수 있다.[1]2. 2. 개화 수분 (Chasmogamy)
몇몇 식물은 꽃가루 매개체(바람이나 곤충 등)의 도움 없이 자가 수분을 한다. 이러한 메커니즘은 콩과 식물의 일종인 땅콩에서 가장 흔하게 관찰된다. 또 다른 콩과 식물인 대두에서는 낮 동안 꽃이 열려 곤충의 타가 수분을 받을 수 있다. 만약 타가 수분이 이루어지지 않으면 꽃이 닫히면서 자가 수분을 한다.[1] 자가 수분을 할 수 있는 다른 식물로는 다양한 종류의 난초, 완두, 해바라기 및 트리닥스 등이 있다.[1]3. 자가 수분의 장점
주어진 유전형이 환경에 잘 맞는 경우, 자가 수분은 이 형질을 종 내에서 안정적으로 유지하는 데 도움이 된다. 꽃가루 매개체에 의존하지 않기 때문에 벌이나 바람이 없는 곳에서도 자가 수분이 일어날 수 있다. 자가 수분 또는 타가 수분은 꽃의 수가 적거나 널리 떨어져 있을 때 유리하다.[1] 자가 수분 동안에는 꽃가루가 한 꽃에서 다른 꽃으로 전달되지 않으므로, 꽃가루 낭비가 덜하다. 또한 자가 수분 식물은 외부 운반체에 의존하지 않는다. 종의 형질에 변화를 줄 수 없으므로 순수하게 유지할 수 있다.
자가 수분은 동일한 꽃에서 배우자가 진화하기 때문에 부모의 특징을 보존하는 데 도움이 된다. 꽃가루 매개체를 유인하기 위해 꽃이 꿀, 향기를 생산하거나 화려할 필요가 없다.
4. 자가 수분의 단점
자가 수분은 자손의 다양성을 제한하고 근친 교배 억제로 인해 식물의 활력을 저하시킬 수 있다.[1]
자가 수분의 단점은 변화하는 환경이나 잠재적인 병원체 공격에 적응할 수 없는 다양성의 부족에서 비롯된다. 자가 수분은 유해한 열성 돌연변이의 발현으로 인해 근친 교배 우울증을 유발하거나,[2] 관련 개체의 교배로 인해 종의 건강을 감소시킬 수 있다. 이는 잠재적으로 자가 수분을 할 수 있는 많은 꽃들이 이를 피하거나 기껏해야 차선책으로 만드는 내장된 메커니즘을 가지고 있는 이유이다. 자가 수분 식물의 유전적 결함은 유전자 재조합에 의해 제거될 수 없으며, 자손은 생식 세포에서 발생하는 우연한 돌연변이를 통해서만 유해한 속성을 물려받는 것을 피할 수 있다.
5. 혼합 교배 (Mixed mating)
많은 식물(약 42%)은 자가 수분과 타가 수분을 혼합하여 사용한다.[3] 혼합 교배 시스템은 다양한 환경 변화에 적응하는 데 유리하다. 가장 흔한 혼합 교배 시스템에서 개별 식물은 단일 꽃 유형을 생성하며, 열매는 자가 수분, 타가 수분 또는 자손 유형의 혼합물을 포함할 수 있다. 또 다른 혼합 교배 시스템은 이형 폐쇄화라고 한다. 이형 폐쇄화 시스템에서 단일 식물은 개방형으로 잠재적으로 타가 수분되고 폐쇄형으로 의무적으로 자가 수분되는 폐쇄화 꽃을 모두 생산한다.[4]
6. 자가 수분 식물의 예시
콩과 식물인 땅콩은 꽃가루 매개체의 도움 없이 자가 수분을 하는 대표적인 식물이다. 대두는 낮 동안 꽃이 열려 곤충에 의한 타가 수분이 가능하지만, 타가 수분이 이루어지지 않으면 꽃이 닫히면서 자가 수분을 한다. 이 외에도 난초, 완두, 해바라기, 트리닥스 등이 자가 수분을 할 수 있다. 자가 수분 식물은 대부분 작고 눈에 잘 띄지 않는 꽃을 가지고 있으며, 꽃봉오리가 열리기도 전에 꽃가루를 암술머리에 직접 뿌린다.[1]
자가 수분은 꽃가루 매개체를 유인하는 물질 생산에 에너지를 덜 소비하게 하고, 곤충이나 다른 동물이 없거나 매우 드문 북극이나 높은 고도와 같은 지역에서도 생존할 수 있게 한다. 그러나 자가 수분은 자손의 다양성을 제한하고 근친 교배 억제를 유발하여 식물의 활력을 저하시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고 자가 수분은 적합한 꽃가루 매개체가 없는 지역으로 식물이 퍼져나가거나, 꽃가루 매개체 개체수가 꽃가루 매개자 감소로 인해 크게 줄어들거나 자연적으로 변동이 심한 지역에서 자손을 생산할 수 있다는 점에서 유리하다.[1]
개화 식물의 약 10~15%는 주로 자가 수분을 한다.[5]
6. 1. 난초
파피오페딜룸속 난초는 꽃밥이 고체에서 액체 상태로 변하여 어떠한 매개체의 도움 없이 암술머리 표면에 직접 접촉하면서 자가 수분이 발생한다.[6]나무에 사는 난초인 홀코글로섬 아메시아눔은 자웅동주 꽃이 중력에 거슬러 360° 회전하여 꽃가루를 자체 암술머리 구멍에 넣는 자가 수분 메커니즘을 가지고 있는데, 이는 어떠한 매개체의 도움 없이 이루어진다. 이러한 자가 수분 유형은 꽃이 피는 시기에 곤충이 드물고 바람이 없고 건조한 조건에 대한 적응으로 보인다.[7] 타가 수분을 위한 매개자가 없으면 번식 성공을 보장해야 하는 필요성이 근친 교배의 잠재적인 유해한 영향을 능가하는 것으로 보인다. 이러한 적응은 유사한 환경의 종들 사이에서 널리 퍼져 있을 수 있다.
마다가스카르 난초인 불보필룸 바이컬러레이텀의 자가 수분은 원위 중앙 암술머리 엽의 일부로서 암술머리 기능을 되찾았을 수 있는 로스텔룸에 의해 발생한다.[8]
6. 2. 기타 식물
중국 약초인 ''칼로카엠페리아 코에노비알리스''(Caulokaempferia coenobialis)는 꽃밥(꽃가루 주머니)에서 나온 꽃가루 막이 꽃의 암술대를 따라 옆으로 미끄러져 개체 자신의 암술머리로 들어가는 유성 유제에 의해 운반된다.[9] 암술대를 따라 꽃가루 막이 옆으로 흐르는 것은 중력이 아닌 유성 유제의 확산 특성 때문인 것으로 보인다. 이러한 전략은 ''C. coenobialis''의 극도로 그늘지고 습한 서식지에서 꽃가루 매개체의 부족에 대처하기 위해 진화했을 수 있다.''붉은 냉이''(Capsella rubella)는[10][11] 5만~10만 년 전에 자가수용성이 된 자가 수분 종으로, 자가 수분이 여러 세대에 걸쳐 지속될 수 있는 진화적 적응임을 나타낸다. 이 종의 타가 수분 조상은 ''큰꽃냉이''(Capsella grandiflora)로 확인되었다.
''애기장대''(Arabidopsis thaliana)는 야생에서 0.3% 미만의 타가 교배율을 보이는 자가 수분 식물이다.[12] 한 연구에 따르면 자가 수분은 약 100만 년 전 또는 그 이전에 진화했다.[13]
7. 감수 분열의 장기적 이점
자가 수분은 유전적 변이를 거의 생성하지 않는다. 이는 자가 수분 식물이 애기장대와 같이 대략 백만 년 이상 자손을 생산하는 과정에서, 덜 복잡하고 비용이 적게 드는 무성 생식인 비감수 분열 대신 감수 분열이 적응적으로 유지되는 이유에 대한 의문을 제기한다.[13] DNA 손상의 효율적인 재조합 복구는 자가 수분 식물에서 감수 분열이 장기간 유지되는 이유를 설명할 수 있는 적응적 이점이다.[14] 이 이점은 각 세대마다 (유전적 변이가 생성되지 않더라도) 실현될 수 있다.
참조
[1]
논문
Geographic range size is predicted by plant mating system
[2]
논문
The genetics of inbreeding depression
[3]
논문
The evolutionary enigma of mixed mating systems in plants: Occurrence, theoretical explanations, and empirical evidence
[4]
논문
The effect of pollen source vs. flower type on progeny performance and seed predation under contrasting light environments in a cleistogamous herb
[5]
논문
Evolutionary consequences of self-fertilization in plants
2013-06
[6]
논문
The anther steps onto the stigma for self-fertilization in a slipper orchid
[7]
논문
Pollination: self-fertilization strategy in an orchid
2006-06
[8]
논문
Histological and Micro-CT Evidence of Stigmatic Rostellum Receptivity Promoting Auto-Pollination in the Madagascan Orchid ''Bulbophyllum bicoloratum''
2013
[9]
논문
Botany: a new self-pollination mechanism
2004-09
[10]
논문
Genomic identification of founding haplotypes reveals the history of the selfing species Capsella rubella
[11]
논문
The Capsella rubella genome and the genomic consequences of rapid mating system evolution
2013-07
[12]
논문
Population genetic structure and outcrossing rate of ''Arabidopsis thaliana'' (L.) Heynh
[13]
논문
The evolution of selfing in ''Arabidopsis thaliana''
2007-08
[14]
서적
Molecular Genetics of Development
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