부문

(생명과학2)

3학년 심화주제탐구 발표 개요

주제: 식물들은 어떻게 자화수분을 피할 수 있을까?

학 번

31002

이 름

김규원

주제 선정 동기(이유)

우리가 관찰하고 탐구한 결과 으름이나 호박꽃처럼 암술과 수술이 서로 다른 꽃에 따로 떨어져 있는 것도 있지만, 대부분의 꽃이 한 꽃 안에 암술과 수술을 같이 가지고 있다. 그렇다면 어떻게 양성화 식물의 경우는 암술과 수술이 매우 가까이 있는데도 어떻게 자화수분을 피할 수 있을까? ‘나비나 벌이 들어오고 나갈 때도 공간이 비좁아 몸에 묻은 제 꽃가루를 암술머리에 묻힐 가능성도 클 텐데’하는 의문점을 가지고 양성화의 경우 어떻게 자화수분을 피할 수 있는지 꽃의 구조적 특징이나 특성과 연관 지어 알아보고자 한다.

발표 내용 요약

1. 꽃의 구조와 기능

가. 꽃의 구조

1) 꽃받침 : 꽃의 가장 바깥쪽 둘레에 있다. 서로 붙어 있는 것과 서로 떨어져 있는 것이 있

으며, 기본적으로 외부 환경의 변화로부터 암술과 수술을 보호한다

2) 꽃잎 : 밝고 아름다운 색깔과 형태로 사람들의 시선을 끈다. 어린 암술과 수술을 보호하

며 꽃잎과 꽃받침이 구분되지 않는 것도 있다. 보통 수분이 이루어지면 꽃잎은 시들어떨어진다.

3) 암술대 : 암술머리와 암술의 씨방을 연결하는 부분

4) 암술머리 : 암술머리에 있는 꽃가루를 받는 부분으로 익으면 표면이 촉촉해지고 갈라져서 암술머리의 면적을 넓힌다.

5) 씨방 : 암술대 밑에 붙은 통통한 주머니 모양의 부분으로, 속에 있는 밑씨가 수정 후 자라서 씨가 된다.

6) 수술 : 꽃가루를 만드는 꽃밥과 긴 수술대로 구성되어 있다.

나. 꽃의 기능

꽃은 원래 잎이 변해서 된 것으로 종자식물에만 있는 특별한 기관이다. 일반적으로 꽃이 핀 뒤에 씨가 생기고 씨가 자라서 다시 식물이 되는 것이다. 따라서 꽃은 자손을 남기기 위해 씨를 만드는 중요한 생식(번식)기관이고, 씨를 만들기 위하여 꽃가루받이를 한다.

2. 수분에 대하여

가. 수분

꽃이 피는 식물은 씨앗으로 번식하는데, 꽃이 열매를 맺기 위해서는 수분과 수정이 이루어져야한다. 수분이란 수꽃 혹은 수술의 꽃가루가 암꽃 혹은 암술의 머리에 묻는 것을 말한다. 개화해서 수분이 일어나는 개화수분과, 꽃이 지고 난 후 수분이 일어나는 폐화수분이 있다. 개화수분은 화분이 암술머리 위에 운반되어 일어나는데, 곤충의 도움에 의한 충매화와 바람에 실려 오는 풍매화가 있다. 폐화수분을 하는 것에는 제비꽃 등이 있다. 암술머리의 겉은 유두조직으로 싸여 있으며 암술이 성숙하면 이 곳에서 점액물질을 분비하여 화분이 쉽게 붙게 한다. 암술머리에 붙은 화분은 곧 발아하여 화분관이 자라면서 씨방에 이르러 수정하게 된다.

나. 자가수분과 타가수분

1) 자가수분: 자화수분이라고도 하며, 한 꽃의 수술로부터 같은 꽃의 암술로 꽃가루가 옮겨져서 수분이 이루어지는 것을 말하는데, 강낭콩 ·벼 등에서는 자가수분이 이루어진다. 폐화수분하는 모든 꽃은 자가수분을 하게 된다.

2) 타가수분: 타화수분이라고도 하며, 다른 꽃의 꽃가루를 받는 경우를 말한다. 단성화에서는 타가수분을 할 수밖에 없다.

다. 수분 매개체에 따른 꽃의 분류

1) 풍매화

- 꽃가루가 바람에 날려서 운반되어 수분이 이루어지는 것을 풍매화라고 한다. 풍매화에 속하는 꽃들은 대개 꿀이나 향기가 없고 빛깔도 화려하지 않다.

- 꽃가루는 가볍고 표면이 매끄러워 멀리까지 날려 가는데, 그 양도 매우 풍부하다.

- 보통 수꽃과 암꽃으로 나뉘어 있으며 수술과 암술은 바람을 잘 받을 수 있도록 밖으로 튀어나와 있으며 바람에 날려 오는 꽃가루가 붙기 쉽도록 암술머리는 솔이나 깃털과 같은 모양을하고 있다.

- 풍매화로는 버들과·포아풀과·골풀과·방동사니과에 속한 것들과 소나무, 은행나무, 오리나무, 자작나무, 졸참나무, 포풀러, 옥수수, 벼, 뽕나무 등이 있으며, 겉씨식물은 모두 풍매화이다.

2) 수매화: 물을 통해 꽃가루를 운반하여 수분이 된다. 붕어마름, 거머리말 등이 있다.

3) 충매화: 벌이나 나비 따위의 곤충의 몸에 수술의 꽃가루가 묻어 옮겨져 암술머리에 묻게 되는꽃을 충매화라고 한다.

- 충매화는 아름다운 빛깔의 꽃잎이나 꿀 및 달콤한 향기로 곤충을 끌어들이는데, 무궁화꽃, 개나리꽃, 나팔꽃, 복숭아꽃, 호박꽃, 달맞이꽃 등이 여기에 속한다.

4) 조매화 : 꽃가루가 새 무리에 의해서 옮겨져 수분이 이루어지는 꽃을 조매화라 한다. 조매화의꽃은 새가 눈으로 보고 이끌리기 쉽도록 대개가 크고 두드러져 보이는 빛깔을 띠고 있다. 무궁화, 바나나, 파인애플, 선인장, 유칼립투스 등이 있으며, 꽃을 찾아드는 새에는 제주직박구리, 벌새, 태양조 등 여러 가지가 있다.

- 우리나라에서 겨울에 피는 동백꽃의 꽃가루는 동박새 같은 작은 새가 옮긴다.

3. 자가수분과 타가수분 식물의 비교

구분	자가수분 식물	타가수분 식물
식물명	벼, 완두콩, 고추, 보리, 밀, 대두, 상추, 토마토	도라지, 질경이, 유채, 무우, 배추. 메밀꽃, 물봉 선, 난 종류, 채소류
차이점	1. 폐쇄화이거나 암술과 수술이 밀착되어 있음 2. 주로 재배 작물이 많음	1. 암술이 먼저 성숙하거나 수술이 먼저 성숙하 여 한 꽃 안에 있지만 만나지 못함 2. 주로 자연 번식하는 식물이 많음
정리 및 단점	장점 : 수분이 쉽게 일어나고 형질보존에유리함 단점 : 나쁜 유전자가 짝지어 열등한 후손을 남길 확률이 큼	장점 : 유전적으로 다양한 형질의 씨앗을 얻을 수 있음 단점 : 타가수분의 확률을 높이기 위해 많은 양 의 꽃가루를 생산해야함

4. 탐구방법 및 내용

1. 탐구계획수립의 유의점

구분	내용
필요한 정보 구하는 방법	인터넷으로 자료검색
	도서관에서 관련서적 조사
	선생님에게 질문하기
정보	각종 논문자료 참고
결과발표 방법	파워포인트를 활용한 프레젠테이션

2. 탐구방법 및 내용

사람들도 서로 만나기 위해선 만나는 시간과 장소(공간)가 서로 같아야 하고, 이 중 하나의 조건이라도 충족되지 않으면 만남이 이루어지지 않듯이 꽃가루받이도 수술의 꽃가루가 암술머리에 붙지 않으려면 시간과 공간의 불일치가 있을 것이라고 추리하여

첫째, 양성화의 경우에 암술과 수술이 한 꽃안에 있지만 ‘암술과 수술의 꽃가루가 성숙하는 시기가 서로 다르면 자화수분를 피할 수 있을 것’이라는 생각으로 꽃들을 관찰한다. 이때 암술과 수술의 성숙 여부를 식별하는데, 암술의 머리에 액체가 생겨 윤기가 있거나 암술머리가 갈라졌을 경우와 수술의 머리에 가루가 생겼을 경우에 성숙했다고 판단하였다. 둘째, 암술과 수술이 한 꽃 안에 있지만 ‘암술과 수술이 공간적인 거리를 둘 것이다’라고 생각하여 암술과 수술이 위치하는 형태를 관찰하여

가. 암술이 수술과 같이 있으나 상하로 위치하는 꽃(공간적인 차이-상하)

나. 수술을 암술 주위로부터 방사형으로 배치시키는 꽃(공간적인 차이-방사형)

다. 암술이의 길이가 수술보다 현저히 긴 꽃

라. 수술이 꽃잎 벽에 붙어 있어 꽃잎이 벌어짐에 따라 암술과 거리가 생기는 꽃

마. 암술과 수술이 자라는 방향이 다른 꽃으로 분류하고 각각 경우에 암술과 수술이 동일선상에 함께 밀접하게 위치하는 것보다 자화수분을 피할 수 있음을 탐구하였다.

3. 자가 불화합성

식물체에서 수정이 이뤄지기 위해서는 꽃가루(혹은 화분)가 날아와서 암술에 닿아야 한다. 암술 입장에서는 자신에게 날라온 꽃가루가 같은 꽃에 있는 수술에서 온 것인지 아니면 다른 꽃에서 온 수술인지 구별하는 것은 불가능해 보인다. 그러나 신비롭게도 상당히 많은 식물체의 암술은 꽃가루의 유래가 어디인지 구분하는 능력을 갖고 있다. 다른 꽃에서 온 꽃가루가 같은 꽃에 들어있는 수술에서 온 꽃가루보다 유전적인 차이를 더 갖고 있기 때문에 다른 꽃에서 온 꽃가루를 받아들여서 수정을 하게 되면 만들어진 자손이 유전적 다양성이 증가하는 결과를 낳게 된다. 식물체는 이렇게 같은 꽃의 수술에서 온 꽃가루를 수정하는데 사용하지 않는 것을 자가불화합성이라고 한다.

4. 자가 불화합성의 종류

가) 포자체 자가불화합성

꽃가루와 암술이 갖고 있는 S 좌위의 이배체 유전체 에 의해 불화합성이 결정된다. 즉 꽃가루가 갖고 있는 두 개의 S 좌위 중 하나라도 암술이 갖고 있는 두 개의 S 좌위 중 하나와 동일한 것이 있으면 그 꽃가루는 자신으로 인식되고 결국 배척된다. 배척되는 꽃가루는 암술 머리에 앉아도 꽃가루 관을 형성하지 못한다.

그림 1을 통해서 포자체 자가불화합성의 사례를 알아보자. 만약 꽃가루가 S1S2라는 S 좌위를 갖고 있다고 가정하자. 이 꽃가루가 S1S3 S 좌위를 가진 암술에 앉게 되면 이 꽃가루는 배척당하게 된다. 그 이유는 꽃가루가 갖고 있는 S1S2 S 좌위 중 S1이 암술이 갖고 있는 S1S3 S 좌위 중 S1과 동일하기 때문이다. 따라서 S1S2를 갖은 꽃가루는 S1S3 을 가진 암술에 앉게 되면 자신으로 인식되고 배척된다.

만약 이 꽃가루가 S3S4 S 좌위를 가진 암술에 앉았다고 가정해보자. 꽃가루는 S1S2를 갖고 있고 암술은 S3S4를 갖고 있다. 꽃가루와 암술 사이에는 동일한 S 좌위가 없다. 이 경우 꽃가루는 자신이라고 인식되지 않고 배척당하지 않는다. 꽃가루 관을 자라게 하여 정상적인 수정을 하게 된다.

나) 배우체 자가불화합성

꽃가루가 갖고 있는 S 좌위의 단수체 유전체 (haploid genome)에 의해 불화합성이 결정된다. 즉 꽃가루가 갖고 있는 S 좌위가 암술이 갖고 있는 두 개의 S 좌위 중 하나와 동일한 것이 있으면 그 꽃가루는 자신으로 인식되고 결국 배척된다.

그림 2를 통해서 배우체 자가불화합성의 사례를 알아보자. 만약 S1이라는 S 좌위를 갖고 있는 꽃가루와 S2라는 S 좌위를 갖고 있는 꽃가루가 S2S3 S 좌위를 가진 암술에 앉았다고 가정하자. S1을 가진 꽃가루는 암술이 갖고 있는 S 좌위와 동일한 것이 없기 때문에 정상적으로 꽃가루관을 자라게하고 수정이 일어난다. 그러나 S2를 가진 꽃가루는 암술이 갖고 있는 S2S3 S 좌위와 S2가 동일하기 때문에 배척당하고 꽃가루 관 성장이 억제된다. 만약 S2이라는 S 좌위를 갖고 있는 꽃가루와 S3라는 S 좌위를 갖고 있는 꽃가루가 S2S3 S 좌위를 가진 암술에 앉았다고 가정하자. 이 두 꽃가루는 모두 배척되고 꽃가루관 성장이 억제된다. 결국 수정이 일어나지 못한다.

5.결과

1. 암술과 수술의 성숙 시기가 다른 꽃(시간적인 차이)

꽃잎이 필 때 암술과 수술의 성숙에 시간적 차이를 두는 꽃들이 있는데, 홀아비바람꽃이나 가락지나물꽃은 수술이 먼저 익고, 명자꽃이나 찔레꽃, 조팝나무꽃, 산딸기, 도라지 등은 암술이 먼저 익는 꽃이다.

2. 자가불화합성

6. 결론

1. 양성화에서 가족끼리 결혼하는 것(자화수분)을 피하는 방법으로는

첫째, 암술과 수술의 성숙 시기를 달리하여 자화수분이 일어나지 못하도록 하는 방법과

둘째, 암술과 수술의 공간적인 거리를 두어 자화수분의 확률을 줄이는 방법이 있다.

(암술과 수술이 상하로 위치하거나, 수술을 암술 주위에 사방으로 배치시거나, 암술이 튀어나와 수술보다 훨씬 길게 하거나, 수술이 꽃잎 벽에 붙어 꽃이 피면서 암술에서 멀어지도록하거나, 암술과 수술이 방향을 다르게 하는 등)

2. 식물의 경우도 동물과 마찬가지로 근친교배가 일어나면 나쁜 열성유전자의 형질이 발현될 확률이 높아지기 때문에 다양한 방법으로 딴꽃가루받이(타가수분)이 일어난다.

3. 자가불화합성으로 자화수분을 피하는 방법

기대효과

꽃의 구조에 대해서 정확하게 알 수 있으며, 꽃의 ‘성’인 양성화와 단성화 식물의 차이를 알 수 있다. 식물의 자화수분이라는 개념에 대하여 정확하게 알 수 있고 자화수분이라는 것을 피하기 위해서 암술과 수술의 성숙시기에 대해서 직접 생각해볼 수 있다. 또한 암술과 수술의 위치적인 부분에 있어서 고려해보는 사고를 할 수 있다. 자가불화합성이라는 개념에 대해 알 수 있고 이의 종류와 특징에 대해서 정확하게 알 수 있다.

참고문헌

1.

https://blog.naver.com/silverbaum/222388779340

2.

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1137961&cid=40942&categoryId=32314

3.

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1643380&cid=49003&categoryId=49003

4.

https://blog.naver.com/leeilwon210/222297464939

5.

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9E%90%EA%B0%80_%EC%88%98%EB%B6%84

6.

https://blog.naver.com/nie_korea/221049556406

7.

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=959085&cid=47312&categoryId=47312

8.

https://blog.naver.com/green_2020/221935854661

9.