식물 내부 유동현상 연구를 위한 X선 영상 기법 개발

Abstract

Plants have developed efficient system for water and metal transport. Their vascular networks have self-recovery function from fatal embolism. However, specific process and principles are still unclear, partially due to the limitations in the imaging techniques to visualize hydrodynamic phenomena in living vascular plants. In this study, we developed various bio-imaging techniques based on synchrotron X-ray source to study the embolism refilling and metal transport in the tissues of living plants. Water-refilling processes in xylem vessels of Arabidopsis roots were visualized with spatial resolution up to 1μm/pixel and temporal resolution up to 24fps. Various flow patterns affected by the morphological structures of the xylem vessels, especially perforation plates, were analyzed. Radial refilling processes were observed and their influx rates were quantitatively estimated. Regulation of water flow via interconnected xylem vessel network in maize leaves were also investigated. Patterns of interdependent recovery from artificially induced embolism were analyzed to investigate the radial connectivity in xylem networks. The effect of gold nanoparticles to xylem network was verified for further practical applications, direct visualization of sap flows for example. Synchrotron X-ray fluorescence (XRF) spectroscopy enabled time-resolved, micro-scale mapping of the uptake of multiple heavy metals via maize root under in vivo condition. X-ray 2E imaging technique for visualization of metal distribution in living plant tissues was evaluated. The present study would be helpful for understanding the transport phenomena water and metals in vascular plants.

식물은 물과 금속 원소의 수송을 위한 효율적인 수송 시스템을 발전시켜 왔다. 식물 물관은 치명적인 색전으로부터 자가회복력을 갖춘 네트워크로 발달하였으나, 구체적인 회복과정과 작동 원리 등은 잘 알려져 있지 않다. 이것은 살아있는 식물 내부의 수력학적 현상을 가시화할 실험 기법의 부족 때문이기도 하다. 본 연구에서는 방사광가속기 X선에 기반을 둔 다양한 실험 기법들을 개발하여 살아있는 식물 내부의 색전 회복 과정과 금속 원소의 이동 현상 등을 연구하였다. 애기장대 뿌리 내부의 물관에서 일어나는 회복 과정을 1μm/pixel, 24fps조건으로 X선 영상을 취득하고, 물관의 내부 구조와 연동된 다양한 생체유동 현상을 분석하였다. Radial refilling을 관찰하였으며 그 influx rate를 추정하였다. 그리고 옥수수 잎의 물관 다발에서 일어나는 상호의존적 색전 회복과정을 관찰함으로서 물관 다발의 네트워크 구조와 유동 특성을 연구하였다. 이와 함께 수액 흐름을 직접 관찰하기 위한 추적입자로서 금 나노입자가 물관 내부 유동에 미치는 영향과 추적입자로서의 활용가능성을 검증하였다. 이 밖에 X선 형광기법(XRF)을 이용하여 살아있는 옥수수의 뿌리를 통해 흡수되는 중금속들의 공간 분포 변화를 시간 경과에 따라 가시화하였다. 마지막으로 X선 2E(two energy) 영상화기법을 이용하여 식물 조직 내부에 함유되어있는 금속 원소의 공간 분포에 대한 가시화 가능성을 검토하였다. 본 실험기법이 확립되면 식물 내부에서 일어나는 물과 금속원소의 수송현상을 보다 자세하게 이해하는데 도움이 될 것이다.