이산화탄소 증가-진딧물

이산화탄소 증가-진딧물

 

 

 

 

지구상 모든 동물의 주 에너지원은 식물이다. 식물은 초식동물의 먹이가 되고, 초식동물은 다시 육식동물의 먹이가 된다. 식물이 광합성을 통해 생산한 에너지가 먹이사슬을 통해 생태계 전체에 에너지를 공급하는 것이다. 그렇다면 만약 동물이 광합성을 하게 된다면 어떻게 될까. 약육강식의 경쟁 없이 식량과 에너지를 구할 수 있어 평화로운 삶이 가능하지 않을까.
상상이 현실로 바뀔지도 모를 일이다. 식물이 아닌 동물도 광합성을 한다는 연구 결과가 처음으로 나왔다. 프랑스 소피아 농업생명연구소는 식물의 잎에서 흔히 볼 수 있는 해충인 진딧물이 광합성을 한다는 점을 보여주는 실험 결과를 저명한 과학저널 '네이처' 최신호에 발표했다.

 

미국 하버드대학교 생물연구소의 Lesley Hughes와 Fakhri A. Bazzaz는 이산화탄소 증가할 때 5종의 체관부섭식진딧물(완두수염진딧물 Acyrthosiphon pisum - Vicia fabe, 박주가리진딧물 Aphis nerii - Asclepias syriaca, 진딧물 일종 Aphis oenotherae - Oenothera biennis, 수염진딧물 일종 Aulacorthum solani - Nicotiana sylvestris, 복숭아혹진딧물 Myzus persicae - Solanum dulcamara)과 그 기주식물간의 상호작용을 조사했다. 일반적으로 증가된 이산화탄소 환경에서 재배된 기주식물은 대기 중의 이산화탄소 수준에서 재배된 것들 보다 생물량, 잎면적, 탄소질소비율(C:N ratio)이 더 컸다. 한편 진딧물이 있는 식물은 진딧물이 없는 식물보다 생물량과 잎면적이 더 작았다.

 

이산화탄소 증가에 대한 진딧물 개체군의 반응은 종에 따라 달랐다. 한 종은 증가(복숭아혹진딧물), 한 종은 감소(완두수염진딧물), 다른 3종은 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 이산화탄소 처리는 생산된 유시형 개체의 비율에 영향을 미치지 않았다. 일반적으로 진딧물 밀도는 잎의 질소 농도와 유의한 관련성이 없었다.

 

연구팀은 진딧물의 존재나 밀도가 이산화탄소 증가에 대한 기주식물의 반응을 변화시키는지를 시험하기 위해 분리된 분석을 수행했다. 진딧물의 존재에 대해서는 가능한 15개의 상호작용(5종의 진딧물 X 3가지 식물특성)가운데 3개만이 유의하였다. 수염진딧물 일종 A. solani는 이산화탄소 증가에 대하여 식물생물량 반응을 변화시켰으며 복숭아혹진딧물은 잎면적 반응에 영향을 미쳤다. 진딧물 밀도에 대해서는 가능한 15개의 상호작용 가운데 2개만이 유의하였는데, 박주가리진딧물 A. nerii는 총 잎면적에서 이산화탄소에 대한 식물의 반응을 변화시켰다.

 

연구팀은 잎저작자(leaf chewer)와 같은 다른 곤충그룹과 달리 대부분의 체관부섭식자 개체군들은 앞으로의 이산화탄소 농도 증가에 의해 부정적인 영향을 받을 것 같지는 않다고 결론내렸다. 이와 같은 차이의 이유는 진딧물이 섭식행동을 바꾸거나 아미노산을 합성함으로써 기주식물품질의 변화에도 이를 보상할 수 있는 가능성이 있기 때문이다. 뿐만 아니라 진딧물의 초식성이 높은 수준에서도 이산화탄소 증가에 대한 식물의 반응이 상당히 변할 것이라는 증거가 거의 없기 때문이다.

 

 

2000년 미국 윈스컨신주에서 처음으로 확인된 콩 진딧물 (Aphis glycines Matsumura)은 한국을 포함하는 동아시아가 원산인 해충으로, 2005년에는 미국 대부분의 주와 캐나다의 3개 주로 확산되었다 (Ann. Entomol. Soc. Am. 97:219-226). 비교적 짧은 기간에 미국 전역으로 퍼진 콩 진딧물은 막대한 콩 생산량 감소와 살충제 살포에 의한 경제적 손실 및 환경 오염문제를 초래하였다. 2001년 미네소타에서는 50% (http://www.soybeans.umn.edu/crop/insects/aphid), 미시간에서는 40% (MSU Extension Bulletin E-2748), 2003년 아이오와에서는 32% (http://www.extension.iastate.edu/Publications/SP247X2007.pdf)의 수량감소가 보고되었다. 중국에서는 58%의 수량감소가 보고되었으며 (Soybean Sci. 15:243-247), 콩 진딧물에 의해 88%의 수량감소도 가능하다는 연구결과가 보고되었다 (Beckendorf EA, 2005. South Dakota State Univ.). 콩 진딧물의 의한 간접적인 수량 감소는 SMV, AMV, PMV등과 같은 바이러스 병의 전염 (Plant Dis. 86:1219-1222)과 곰팡이병(sooty mold) 발생의 증가로 나타날 수 있다. 살충제 살포만이 콩 진딧물을 방제할 수 있는 유일한 방법이나, 최소 2-3회 이상 전 포장에 살포해야 하고, 살포의 최적 시기도 정확하지 않기 때문에, 살충제 살포에 의한 콩 진딧물의 방제는 상당한 비용뿐만 아니라 익충의 감소 및 환경 오염문제도 초래하였다 (Ann. Entomol. Soc. Am. 97:209-218).

콩 진딧물 저항성 유전자 Rag1은 Dowling (Mol. Breeding. 19:25-34), Rag2는 PI200538 (Crop Sci. 49:1193-1200)과 PI243540 (Theor. Appl. Genet. 117:955-962), Rag3는 PI567597C 에서 확인되었고, 각 유전자의 위치는 콩 염색체 7, 13, 16에서 각각 확인되었다. Rag1은 콩 진딧물형 1에만 저항성을 보이고, 콩 진딧물형 2와 3에는 감수성을 보였다. Rag2는 콩 진딧물형 1과 2에 저항성을 보이는 반면, 콩 진딧물형 3에는 감수성을 보였다. Rag3 또한 콩 진딧물형 1과 2에 저항성을 보이나, 콩 진딧물형 3에 대한 반응은 보고되지 않았다 (Crop Sci. 48:923-928; J. Econ. Entomol. 103:509-515). 모든 콩 진딧물형에 저항성을 가진 유전자와 새로운 저항성 유전자 및 이미 확인된 저항성 유전자 모두를 가지는 품종개발을 위한 연구가 여러 대학교들뿐만 아니라 Monsanto, Pioneer, Syngenta등과 같은 미국 종자회사에서도 진행 중에 있다.

지구 온난화 현상과 대기 중의 이산화탄소 및 오존 함량의 증가는 콩 진딧물을 포함한 해충과 병 발생을 증가시킨다는 결과가 보고되었다. 대기 중 이산화탄소 농도의 증가는 콩 수량을 증가시켰으나, 오존 함량과 병충해 발생의 증가는 콩 수량에 부정적인 영향을 끼쳤다 (Plant Physiology. 140: 779-790). 이러한 환경 변화에 내성을 가진 콩 품종의 개발과 병충해 저항성 품종 개발에 대한 연구는 미국에서 이미 큰 진전을 보이고 있으나, 국내에서는 그 연구가 시작단계이거나, 아직 시작도 되지 않은 실정이다. 콩 진딧물도 국내에서 1970년대에 이미 확인이 되었으나, 기후적 영향 (장마)과 콩의 소규모 재배로 인해 콩 진딧물 저항성 품종 육종에 대한 연구는 거의 수행되지 않고 있다. 우리나라는 콩 원산지와 가까운 지리적 여건 때문에 다양한 야생종과 재래종이 존재할 뿐만 아니라 미국의 콩 유전자원센터가 보유하지 못한 많은 야생종들도 수집[예를 들면, 동해와 남해의 무인도지역에서 수집]되어 있기 때문에, 이 유전자원들은 미국 콩에서 발견되지 않은 콩 진딧물 저항성 유전자를 비롯한 많은 종류의 유용 유전자들을 함유하고 있을 것이다. 이러한 유전자원들을 이용한 앞으로의 환경변화 및 병해충에 저항성을 가지는 콩 품종 육성은 국내뿐만 아니라 세계 각국에서 콩 육종의 목표가 될 것이다.

(주 출처: Fine Mapping of the Soybean Aphid Resistance Gene Rag2 in soybean PI 200538. Theor. Appl. Genet. (2010) 121: 599-610; Discovery of Soybean Aphid Biotypes. Crop Sci. (2008) 48:923928)