여름철 식물은 고온, 강한 빛, 가뭄(물 스트레스), 그리고 산화 스트레스와 같은 여러 가지 스트레스에 직면합니다. 베타인은 중요한 삼투압 조절제이자 보호용 용질로서 식물의 이러한 여름 스트레스 저항성에 중요한 역할을 합니다. 베타인의 주요 기능은 다음과 같습니다.

1. 투과 조절:
세포 팽압 유지:

고온과 가뭄은 식물의 수분 손실을 유발하여 세포질 삼투압을 증가시키고(세포의 밀도를 증가시킴), 이로 인해 주변 액포나 수분 흡수력이 강한 세포벽의 세포가 쉽게 탈수되고 시들게 됩니다. 베타인은 세포질에 다량 축적되어 세포질의 삼투압을 효과적으로 감소시키고, 세포가 높은 팽압을 유지하도록 도와 탈수에 저항하고 세포 구조와 기능을 온전하게 유지합니다.

균형된 액포 삼투압:

많은 양의 무기 이온(예: K⁺, Cl⁻ 등)이 액포에 축적되어 삼투압을 유지합니다. 베타인은 주로 세포질에 존재하며, 이의 축적은 세포질과 액포 사이의 삼투압 차이를 균형 있게 조절하여 과도한 탈수로 인한 세포질 손상을 방지합니다.

2. 생체 분자 보호:
안정된 단백질 구조:

고온은 단백질 변성과 불활성화를 쉽게 유발할 수 있습니다. 베타인 분자는 양전하와 음전하(쌍성이온)를 띠며, 수소 결합과 수화를 통해 단백질의 자연스러운 형태를 안정화시켜 고온에서 잘못된 접힘, 응집 또는 변성을 방지합니다. 이는 광합성의 핵심 단백질인 효소 활성을 유지하고 다른 대사 단백질의 기능을 유지하는 데 필수적입니다.

보호 필름 시스템:

고온과 활성 산소는 세포막(틸라코이드막 및 세포막 등)의 지질 이중층 구조를 손상시켜 비정상적인 막 유동성, 누출, 심지어는 세포막 분해를 유발할 수 있습니다. 베타인은 막 구조를 안정화하고, 정상적인 유동성과 선택적 투과성을 유지하며, 광합성 기관과 세포소기관의 온전성을 보호합니다.

3. 항산화 보호:
삼투압 균형을 유지하고 스트레스로 인한 2차 피해를 줄입니다.

항산화 효소(슈퍼옥사이드 디스뮤타아제, 카탈라아제, 아스코르브산 과산화효소 등)의 구조와 활성을 안정화시키고, 식물 자체의 항산화 방어 시스템의 효율성을 높이며, 간접적으로 활성 산소종을 제거하는 데 도움을 줍니다.
활성산소종의 간접 제거:

여름철 강한 햇빛과 고온은 식물에서 다량의 활성산소 생성을 유도하여 산화적 손상을 유발할 수 있습니다. 베타인 자체는 강력한 항산화제는 아니지만, 다음과 같은 방법을 통해 베타인을 얻을 수 있습니다.

4. 광합성 보호:
고온과 강한 빛 스트레스는 광합성의 핵심 메커니즘인 광계 II에 심각한 손상을 초래합니다. 베타인은 틸라코이드 막을 보호하고, 광계 II 복합체의 안정성을 유지하며, 전자 전달계의 원활한 작동을 보장하고, 광합성의 광저해를 완화합니다.

5. 메틸 공여체로서:

베타인은 생명체에서 중요한 메틸 공여체 중 하나로, 메티오닌 회로에 관여합니다. 스트레스 조건에서 베타인은 메틸기를 제공하여 일부 스트레스 반응성 물질의 합성이나 대사 조절에 관여할 수 있습니다.

요약하자면, 뜨거운 여름철에 베타인이 식물에 미치는 핵심 기능은 다음과 같습니다.

수분 유지 및 가뭄 저항성:삼투압 조절을 통해 탈수 현상을 방지합니다.
내열 보호:단백질, 효소, 세포막을 고온 손상으로부터 보호합니다.

산화 저항성:항산화 능력을 향상시키고 광산화로 인한 손상을 감소시킵니다.
광합성을 유지하세요:광합성 기관을 보호하고 기본적인 에너지 공급을 유지합니다.

따라서 식물은 고온이나 가뭄과 같은 스트레스 신호를 감지하면 베타인 합성 경로(주로 엽록체에서 콜린의 2단계 산화)를 활성화하고, 베타인을 활발하게 축적하여 스트레스 저항성을 높이고 혹독한 여름 환경에서 생존 능력을 향상시킵니다. 일부 가뭄 및 염분 저항성 작물(사탕무, 시금치, 밀, 보리 등)은 베타인을 축적하는 능력이 강합니다.

농업 생산에서 베타인의 외인성 살포는 작물(옥수수, 토마토, 칠리 등)의 여름철 고온 및 가뭄 스트레스에 대한 저항성을 강화하는 생물 자극제로도 사용됩니다.