캘리포니아 대학(University of California, Riverside)의 연구진은 나노세리아(nanoceria)를 첨가함으로써 식물의 광합성을 60% 이상 향상시키는데 성공했다. 이 연구는 작물 수확량을 향상시키는데 적용될 수 있을 것이다.
식물에 무생물적 스트레스를 가하면 식물 성장을 매우 억제하는 활성 산소종(ROS)이 축적되고 이것은 전 세계 작물 수확량의 절반 정도를 감소시킨다. 왜냐하면 ROS 축적은 식물 엽록체의 광합성 활동을 감소시키기 때문이다.
이번 연구에서 음으로 대전된 산화세륨 나노입자(nanoceria)가 고온, 과도한 빛, 추운 환경과 같은 무생물적 스트레스를 견딜 수 있는 식물 내성을 증가시킬 수 있는 것을 발견했다. 이번 연구진은 엽록체에 11 nm보다 더 작은 음으로 대전된 구형(求刑) 세리아(ceria) 나노입자를 첨가함으로써 ROS 제거를 촉진해서 광합성 활성을 향상시켰다. 세리아 나노입자는 몇 나노미터에서 수백 나노미터 크기를 가진 세륨 산화물 나노입자의 일종이고, 생물 의학 분야에서 항산화제로 널로 조사되고 있다.
이번 연구는 광합성에 관여하는 빛과 탄소의 핵심 매개변수를 모니터링하는 휴대용 광합성 가스 분석기를 사용해서 환경 변화에 따른 광합성 활동의 영향을 조사했고, 식물에서 나노입자가 어떻게 움직이는지를 영상화했다.
나노세리아가 침투된 애기 장대(Arabidopsis)는 나노입자가 없는 대조군보다 과도한 빛에 잘 견뎠다. 하루 동안의 노출 후에 대조군보다 높은 엽록소 활동 수치를 보였다.
이 연구는 작물 잎에 나노세리아를 첨가함으로써 비생물적 스트레스에서 보호될 수 있다는 것을 보여준다. 따라서 이 방법은 식물 생산성에 영향을 미치는 비생물적 스트레스의 부작용을 줄일 수 있게 할 것이다. 그래서 2050년에 지구상에 예상되는 93억 인구의 식량 수요를 충족시키는데 큰 기여를 할 것이다.
이 연구결과는 저널 ACS Nano에 “Anionic Cerium Oxide Nanoparticles Protect Plant Photosynthesis from Abiotic Stress by Scavenging Reactive Oxygen Species” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/acsnano.7b05723).
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