덩굴식물 접착근의 구조적 형태 비교 및 응용 가능성

2.1. 실험 재료 및 시료 준비

본 연구에는 접착성 기근을 발달시키는 덩굴식물 3종, 아이비(Hedera helix), 백화등(Trachelospermum asiaticum) 그리고 스킨답서스(Epipremnum aureum)를 사용하였다. 모든 시료는 충남 서천 지역 농원에서 확보하여 분석하였다. 이들 식물은 생태적 배경이 상이하나, 줄기 또는 마디에서 접착성 기근을 형성한다는 특징을 공통점으로 가진다.

2.2. 현미경 분석

기초적인 형태 분석은 스마트 고해상도 실체현미경(Smartzoom 5, ZEISS)으로 수행하였다. 실체 현미경 분석에 사용된 시료는 접착성 기근이 포함된 가지를 절단하여 신선한 상태로 준비하였다. 관찰은 11×, 25×, 50×, 100× 배율에서 수행하였으며, 접착성 기근의 배열 형태, 길이, 털 분포, 부착 위치를 분석하기 위해 각 종당 10개 이상의 샘플을 분석하여 대표 이미지를 선정하였다.

접착성 기근의 미세구조와 표면 조직은 저진공주사전자현미경(LV-SEM)을 이용하여 관찰하였다. LV-SEM (JSM-IT300, JEOL Ltd.) 분석을 위한 시료는 접착성 기근 부분을 절단한 후 고정 및 탈수 과정을 포함한 전처리를 진행하였다. 먼저 시료를 고정액[2% GA (Glutaraldehyde) ＋2% PA (Paraformaldehyde) (in 0.05M cacodylate buffer pH 7.2) ]에 넣어 실온에서 4시간 고정하였다. 이후 고정액을 제거한 후, 0.05M cacodylate buffer로 30분 간격으로 3회 세척하였다. 1% OsO₄(in 0.05M cacodylate buffer pH 7.2)로 fume hood에서 1시간 2차 고정 후, 동일한 buffer로 30분 간격으로 3회 세척하였다. 그 후 30%, 50%, 70%, 90%, 95% ethyl alcohol로 30분 간격으로 탈수를 진행했고, 100% ethyl alcohol로 30분 간격으로 2회 탈수시켰다. 완전 탈수된 시료를 임계점 건조 후 Pt coating 과정 후 1~10 kv의 가속전압 조건하에서 LV-SEM으로 20×~2500× 배율로 관찰하였다. 특히 털의 배열, 표면 거칠기, 줄기와의 연결부 형태를 중점적으로 분석하였다.

2.3. 내부 밀도 분석

접착성 기근의 내부 조직과 밀도 분포는 micro-CT (Skyscan1273, Bruker)를 이용해 비파괴적으로 분석하였다. 모든 시료는 전처리없이 3~5개의 줄기에서 기근 부분을 절단하여 사용하였다. 촬영조건은 동일하게 전압은 70 kV, 전류는 114 uA, Camera pixel은 74.877 μm, rotation step은 0.300 °로 촬영하였다. 촬영한 이미지들은 DataViewer 1.7.0 (Bruker) 프로그램을 통해 밀도를 분석하였다(Gargiulo et al., 2024). 밀도 값은 접착성 기근의 중심 위치의 단면 이미지에서 측정하였다. 밀도는 단위 부피당 질량을 나타내는 값이지만 본 실험에서는 직선을 그어 직선에 대한 밀도값을 8-bit grey level(0~255)로 얻었다. 직선은 줄기와 접착성 기근이 맞붙는 부분부터 접착성 기근 끝부분까지 그어 측정하였다. 이를 바탕으로 각 시료의 평균 조직 밀도(± 표준편차)와 최대 밀도(max density)를 비교하여 구조적 강도와 부착력의 상관성을 평가하였다.

3.1. 외형적 형태 비교

세 덩굴식물의 접착성 기근은 외형적으로 뚜렷한 형태적 차이를 보였다. 아이비의 접착근은 줄기의 절간(inter-nodal region) 부위에서 관찰되었으며 접착근의 평균 길이는 3.9 ± 1.2 mm이고 최대 길이는 5.3 mm로 관찰됐다. 단독 또는 무리로 형성되며, 주로 다발 형태로 형성되어 주로 수직 방향으로 배열되는 경향을 보였다(Fig. 1a). 이러한 다발형 구조는 접착 시 표면과의 접촉 면적을 극대화하여 부착력을 향상시키는 데 기여하는 것으로 판단된다. 반면, 백화등 접착근의 길이는 평균 1.4 ± 1.2 mm이고 최대길이는 4 mm로 측정됐다. 접착근의 형태는 비교적 조밀한 형태로 형성되어, 줄기 표면에 평행하게 뻗는 경향을 보였다(Fig. 1a). 이는 나무껍질이나 암석 사이에 파고들어 접착하기에 유리한 구조로 해석되었다(Tay et al., 2022). 스킨답서스의 기근은 세 종 중 가장 길고 굵은 형태를 보였으며, 각 절(node)에서 단독으로 발생하였다(Fig. 1a). 기근의 최대 길이는 90 mm, 평균 길이는 39.2 ± 39.4 mm로 관찰되었으며 길이의 최댓값을 비교했을 때 스킨답서스의 기근 길이가 다른 두 종 길이의 약 10배 이상 길었다. 이러한 장신형 구조는 부착 기능 외에도 공중습도를 이용한 수분 흡수를 병행하기 위한 형태적 적응으로 해석된다(Rabbi et al., 2022). 스킨답서스의 기근은 표면 부착보다는 지지체를 따라 성장하면서 환경 수분을 효율적으로 획득하는 역할을 수행하는 것으로 보인다(Sheeran and Rasmussen, 2023).

Fig. 1.

Adhesive aerial roots of climbing plants.

이와 같은 외형적 차이는 각 식물의 서식지 특성과 밀접하게 연관된 것으로 판단되다. 아이비는 건조한 벽면이나 암석 표면에 부착하기 때문에 높은 접착 강도가 요구되며, 백화등은 중간 습도의 착생 환경에서의 틈새에 파고 들어 부착하는 전략을 발달시켰다. 스킨답서스는 높은 습도의 환경에 적응하여 부착력과 함께 수분 흡수 효율을 증대시키는 형태를 띄고 있다. 이는 접착성 기근이 각 종의 환경조건에 적합한 구조적 기능을 수행하고 있음을 확인할 수 있다.

3.2. 미세구조 및 표면 털 특성

스마트 고해상도 실체 현미경을 통해 접착성 기근의 초기 형태와 표면의 털(root hair)구조를 관찰하였다. 초기형태의 경우 아이비와 백화등, 스킨답서스 모두 뾰족한 돌기 형태로 관찰되었다(Fig. 2a). 아이비 접착근의 털은 불규칙하게 분포하며 인접한 접착근 간에 털이 상호 연결되는 특징이 관찰되었다(Fig. 2b). 백화등의 접착근에서 털 구조가 주로 줄기와 연결된 기저부에 집중되는 형태를 보였다. 스킨답서스의 기근은 털이 한쪽 면에만 집중되어 있으며, 미세하고 부드러운 솜털 형태로 관찰되었다.

Fig. 2.

Macroscopic morphology of adhesive aerial roots. (a) root hair structure of adhesive aerial roots, (b) early morphology of adhesive aerial roots. Scale bar: 1mm.

LV-SEM 분석에서는 접착성 기근의 털 구조를 전체적인 분포와 함께 세부 조직적 특성을 관찰하였다. 아이비의 접착근의 털 구조는 접착근의 둘레를 따라 원형 형태로 형성된 것을 관찰할 수 있었다(Fig. 3a). 백화등의 경우, 접착근의 털이 무리 형태로 모여 있고 바깥 방향으로 길게 뻗는 특징을 보였다. 스킨답서스의 기근에서는 스마트 고해상도 실체 현미경 결과와 같이 촘촘하게 박힌 털 구조를 관찰하였다. 조직적 측면에서 미세털 구조를 확대하여 관찰한 결과, 아이비의 접착근 털은 납작하게 눌린 형태로 불규칙하게 꼬이고 휘어 있는 형태였다(Fig. 3b). 백화등 접착근 털의 조직 형태는 바깥쪽 방향으로 길게 뻗은 형태를 띄며 약간 꼬인 형태로 접착근 바깥쪽으로 뻗은 형태로 관찰되었다. 스킨답서스의 털 구조를 500 배율로 확대한 결과, 상대적으로 규칙적인 형태를 보였으며 아이비와 백화등에 비해 약간의 뒤틀림과 꼬임만이 관찰되었다.

Fig. 3.

LV-SEM images showing external morphology of root hairs on adhesive aerial roots at (a) low and (b) high magnification. Scale bars from left to right: (a) 100 μm, 100 μm, 500 μm,; (b) 50 μm, 100 μm, 50 μm.

아이비에서 관찰된 상호 연결형 털 구조는 부착 시 접착근 간 결속력을 높이고 표면 접촉 면적을 넓히는 역할을 하는 것으로 판단된다. 털 구조의 미세한 불규칙성은 표면 거칠기를 증가시켜 접착력을 강화하는데 기여할 것으로 예상된다. 기저부 부분에 위치한 백화등 접착근의 미세털 구조는 약간의 꼬임과 뻗은 형태로, 나무껍질이나 암석 사이에 파고들었을 때 접착 면적을 높이고 바깥부분에서의 접착에 유리할 것으로 예상된다(Yim and Kim, 2002). 스킨답서스의 기근 털 구조는 수분 흡수의 기능에 유리한 표면 확장 기능을 수행하며, 높은 흡습성 특성과 함께 부드러운 표면에 파고들기 적합한 구조로 해석된다. 이러한 결과로, 접착성 기근의 털이 갖는 형태적 구조의 불규칙성이 클수록 접착력을 더 강화하는 것으로 보인다. 종합적으로 접착성 기근의 털은 그 형태적 구조, 배열 위치, 불규칙성에 따라 서식 환경에 최적화된 부착 기능을 수행하는 것으로 보인다.

3.3. 내부 조직 및 밀도 특성

LV-SEM 분석을 통해 접착성 기근의 미세구조를 관찰하였다. 동일한 조건(70 kV, 114 uA)에서 촬영한 micro-CT 분석을 통해 접착성 기근의 밀도를 grey level (8-bit, 0~255)로 측정하였다. 식물 3종의 접착성 기근은 밀도와 공극 구조에서 뚜렷한 차이를 보였다. 아이비 접착근의 평균 밀도는 178.0 ± 17.8이고 최대 밀도는 210으로 3종 중 가장 높은 값을 나타냈으며, 내부 조직은 균질하게 분포하였다(Fig. 4). 이는 접착근이 외부 충격에 대한 구조적 강도를 유지하면서도, 부착 시 외력 분산을 위한 견고한 지지 구조를 형성하고 있음을 의미한다. 백화등은 아이비에 비해 평균 99.1 ± 19.1로 낮은 밀도를 보였으나 내부 조직은 가장 치밀하고 미세한 공극을 포함하는 특성을 나타냈다. 스킨답서스는 평균 79.2 ± 2.5로 세 종 중 가장 낮은 밀도를 보였으며, 조직 내 다공성이 두드러지게 발달해 있었다. 이러한 구조는 수분 흡수를 위한 공간 확보와 동시에, 외부 자극에 따라 유연하게 변형될 수 있는 탄성 구조를 제공한다. 따라서 스킨답서스의 기근은 흡착과 부착 기능을 동시에 수행하는 데 적합한 형태로 판단된다.

Fig. 4.

LV-SEM image showing a cross-section of the junction between the stem and adhesive aerial root. Scale bars from left to right: 100 μm, 100 μm, 500 μm.

밀도 차이는 각 식물이 처한 부착 환경과 직접적으로 관련된 것으로 해석되며 밀도가 클수록 강도가 높아져 접착력에 유리할 것으로 보인다. Huang et al.(2022)에 따르면 가교결합 밀도가 증가할수록 재료의 강성과 강도가 증가하지만 유연성은 감소한다. 반면, 아이비 접착근의 접착력은 3.4 MPa, 최대 변형률은 34%로 높은 접착능력과 함께 높은 변형률을 가진 것으로 보고된 바 있다(Melzer et al., 2012). 아이비의 경우 밀도가 커서 강도가 높고 접착력이 증가하는 것으로 보인다. 백화등과 스킨답서스의 경우에는 접착근에 대한 연구 자체가 부족하여 밀도와 접착력과의 연관성에 대해 밀도와 LV-SEM 결과를 바탕으로 유추해볼 수 있다. 아이비와 백화등의 접착근은 높은 밀도로 건조한 환경에서 강력한 부착을 유지하는 데 유리한 구조이다. 스킨답서스의 기근은 습윤 환경에서 유연성을 확보하고 표면 적응성을 높이기 위해 낮은 밀도를 가진다. 이러한 구조적 차이는 환경 조건에 따른 물리적 최적화의 결과로 볼 수 있다.

또한, 아이비, 백화등, 스킨답서스에서 특이한 구조가 관찰되었다. 아이비와 백화등, 스킨답서스 접착성 기근의 내부 구조에서는 분비물로 추정되는 둥근 형태의 구조가 발견되었다(Fig. 5a). 외부적인 구조에서는 아이비의 다각형의 결이 확인되었으며, 백화등은 여러 겹의 결이, 스킨답서스에서는 뾰족한 바늘형 조직이 관찰되었다(Fig. 5b). 아이비와 백화등, 스킨답서스 기근의 내부에서 관찰된 동그란 구조는 세포에서 분비된 물질일 가능성이 있는 것으로 판단되었다(Park et al., 2007).

Fig. 5.

Distinctive structures in internal(a) and external(b) anatomy of adhesive aerial roots. Scale bars from left to right: (a) 5 μm, 10 μm, 10 μm,; (b) 10 μm, 10 μm, 10 μm.