▲ 출처 = 픽사베이

식물의 뿌리가 성장하는 원리는 과학자들에게 아직 미제로 남아있다. 하지만 과학자들은 이제 염료 분자의 화학적 특성을 통해 식물의 뿌리가 성장하는 것에 대한 궁금증을 해결할 수 있게 됐다.

또한 이를 통해 농민들이 가뭄과 같은 자연 재해를 극복하고 식물을 잘 키울 수 있는 수단을 제공할 수 있게 될 전망이다.

찰스 다윈은 130년 전, 식물에 성장 촉진 물질이 존재할 것이라고 추측했다. 기술력의 부족으로 찰스 다윈은 그의 추측을 증명하지 못했지만, 오늘날 이 물질은 옥신(ouxin) 호르몬이라고 밝혀졌고 현대의 최첨단 과학 기술은 식물 구조와 성장에 대해 깊이 탐구할 수 있게 해준다.

식물학자 울프강 부시는 수십 년 동안 옥신 호르몬의 역할에 대한 연구를 진행했다.

1970년대에 전문가들은 이 호르몬이 식물의 성장에 어떻게 도움을 주는지에 대한 이론을 제시했다.

생물학적으로 식물은 칼슘으로 이루어진 골격을 가지고 있지 않다. 하지만 식물은 엄청난 높이로 자랄 수 있다. 이를 가능하게 하는 것은 식물 세포 주변의 단단하고 견고한 장벽인 세포벽이다.

한편 세포벽은 식물이 자라기에 충분한 공간을 남기지 않고, 이에 과학자들은 옥신이 작용하는 것이라고 결론지었다. 옥신 호르몬이 pH의 저하를 유발하여 궁극적으로 세포벽을 느슨하게 한다는 이론이다.

1970년대 이래로 식물학자들은 이러한 이론이 식물의 줄기, 잎, 새싹 등에 관련되어 있다는 증거를 축적해왔다. 하지만 그와는 달리 식물 뿌리의 성장은 더욱 복잡한 것으로 알려졌다.

일부 연구에서는 옥신이 식물 세포벽의 pH를 낮추는 것으로 나타났지만, 그와 상반되는 연구 결과도 있었다. 이러한 모순된 결과로 인해 식물 뿌리의 성장에 대한 옥신의 연관성은 과학적 논쟁이 됐다.

식물학자들은 식물 뿌리의 개별 세포 수준에서 pH를 관찰할 방법이 필요했고, 화학자들의 도움으로 pH 변화에 따라 색이 변하는 페놀프탈레인과 같은 염료와 단백질을 발견했다.

이후 수 년에 걸쳐, 식물학자들은 pH 지표의 여러 가지 조합을 연구했고, 부시는 마침내 식물

뿌리의 성장을 관찰할 수 있는 색소인 하이드록시파이린 삼중설폰산 나트륨염(HPTS)를 발견했다.

이 염료는 독성, 형광성, pH 민감성, 물 용해성을 검출하고 개별 식물 뿌리 세포의 올바른 영역에 도달하도록 설계됐다.

이후 부시의 연구팀은 비엔나의 그레고르 멘델 연구소 연구원인 엘크 바베즈 박사와 함께 한 양배추와 비슷한 잡초에 대한 연구를 진행했다. 연구 결과 식물 뿌리 세포의 pH를 낮추면 뿌리의 성장이 발생했다.

식물 뿌리에서의 pH를 측정하기 위해 연구원들은 HPTS 염료를 사용했으며, 별도의 광자 추적기를 사용하여 옥신을 관찰했다. 이 설정을 통해 기존에는 관찰할 수 없었던 식물 뿌리의 특정 부분에서 옥신이 얼마나 많이 작용하고 얼마 만큼의 성장이 이루어지고 있는지에 대해 알 수 있게 됐다.