Plant phenology and larval instar influence the efficacy of Bt maize against Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae)

옥수수 식물을 거대한 다층 고층 빌딩으로, 낙엽벌레(Spodoptera frugiperda)를 그 건물을 갉아먹으려는 작고 배고픈 건설 작업팀으로 상상해 보십시오. 수년 동안 농부들은 이 해충들을 물리치기 위해 눈에 보이지 않는 독성 단백질을 생성하여 보안 시스템 역할을 하는 특별한 종류의 '스마트' 옥수수(Bt 옥수수)에 의존해 왔습니다. 하지만 브라질의 한 새로운 연구는 이 보안 시스템이 항상 동일하게 작동하지 않으며, 건물 전체에서 혹은 모든 작업팀원에게 똑같이 적용되지 않는다는 점을 시사합니다.

식물이 성장하고, 벌레가 나이를 먹고, "보안" 기능이 약해질 때 어떤 일이 벌어지는지에 대한 이야기입니다.

"스마트" 빌딩 vs. 배고픈 작업팀

연구진은 **VTPRO4®**라고 불리는 특정 하이테크 옥수수 하이브리드를 테스트했습니다. 이 하이브리드는 낙엽벌레를 막기 위해 설계된 네 가지 종류의 보안 요원(Cry1A.105, Cry2Ab2, Vip3Aa20, Cry3Bb1이라는 이름의 단백질)을 갖춘 빌딩이라고 생각하면 됩니다. 연구진은 이를 보안 요원이 전혀 없는 일반 비(non)-Bt 옥수수 빌딩과 비교했습니다.

연구진은 두 그룹의 낙엽벌레를 대상으로 대규모 실험을 설정했습니다:

1. "실험실" 작업팀: 이 벌레들은 35세대 동안 안전하고 통제된 실험실에서 길러졌습니다. 이들은 보안 요원을 한 번도 본 적이 없는 "순진한" 작업팀과 같습니다.
2. "현장" 작업팀: 이들은 브라질 도우라도스(Dourados)의 옥수수 밭에서 직접 채집된 야생 벌레들입니다. 이들은 "베테랑"이며, 이전에 유사한 보안 시스템을 접해본 경험이 있을 가능성이 높습니다.

세 가지 큰 놀라움

1. "나이 든 벌레" 문제
연구 결과, 벌레의 연령이 매우 중요하다는 것이 밝혀졌습니다. 연구진이 1령 유충(갓 부화한 아주 작은 벌레, 마치 신입 사원과 같은 상태)을 Bt 옥수수에 먹였을 때는 보안 시스템이 꽤 잘 작동했습니다. 하지만 3령 유충(더 크고 강해진 성숙한 벌레, 마치 선임 작업팀원과 같은 상태)을 먹였을 때는 시스템의 효과가 현저히 떨어졌습니다.

• 비유: 이는 마치 어린아이를 막아 세우는 보안 게이트가 성인은 그냥 통과하게 내버려 두는 것과 같습니다. 나이가 든 벌레들은 형제들을 죽게 만든 독성을 견뎌낼 만큼 충분히 커졌고, 강력한 소화 기관을 발달시켰습니다. 이 시스템이 그들을 완전히 막지는 못했지만, 어린 벌레들에 비해 치사율은 훨씬 낮았습니다.

2. "스카이라인" 효과 (식물의 어느 부분인가?)
옥수수 식물은 균일하지 않습니다. 연구진은 상부(상층부), 중간, 하부(하층부)에서 잎을 채취했습니다.

• V3 단계 (어린 식물): 옥수수가 어렸을 때(V3 단계)는 상부 잎이 일반적으로 벌레들에게 가장 위험했으며, 하부 잎보다 높은 사망률을 보였습니다. 그러나 연구진은 상부 잎이 더 효과적이긴 했지만, 상부와 하부 잎 사이의 통계적 차이가 모든 테스트에서 확정적인 규칙으로 간주될 만큼 강력하지는 않다고 언급했습니다.
• V8 단계 (성숙한 식물): 식물이 자라면서(V8 단계), 보안 시스템은 모든 곳에서 힘을 잃는 것처럼 보였습니다. 상부, 중간, 하부 잎 사이의 차이는 사라졌고, 독성은 어느 구역에서도 벌레를 죽일 만큼 강하지 않았습니다.
• 비유: 건물이 새로 지어졌을 때는 상층부에 보안 요원이 집중되어 있는 상황을 상상해 보십시오. 건물이 오래됨에 따라 요원들은 지치고, 그들이 가진 독성도 약해져서 건물 전체가 취약해집니다.

3. "베테랑" 작업팀은 더 강하다
연구진이 실험실 작업팀을 테스트했을 때는 Bt 옥수수가 훨씬 더 잘 작동했습니다. 하지만 현장 작업팀(야생 벌레)을 테스트했을 때는 Bt 옥수수가 거의 효과가 없었습니다. 실제로 현장 작업팀의 사망률은 일반 비(non)-Bt 옥수수에서의 사망률과 비슷한 경우가 많았습니다.

• 비유: 실험실 작업팀은 보안 체크포인트를 우회하는 법을 모르는 관광객과 같았습니다. 반면 현장 작업팀은 어떤 문이 열려 있는지, 어떻게 요원들을 피해 지나갈지를 정확히 아는 현지인과 같았습니다. 연구는 이 야생 벌레들이 이미 독성에 저항하도록 진화했음을 시사합니다.

이것이 "보안 시스템"에 의미하는 바

이 논문은 Bt 옥수수의 효과가 고정되거나 변하지 않는 특징이 아님을 명시적으로 주장합니다. 이는 다음과 같은 요소에 따라 변하는 역동적인 '고양이와 쥐' 게임입니다:

• 식물의 나이: 식물이 성숙함에 따라 독성은 약해집니다.
• 벌레가 어디를 먹는가: 상부 잎이 일반적으로 하부 잎보다 독성이 강하지만, 이는 식물이 젊을 때만 해당하며, 그마 있어서도 통계적으로 엄청난 차이가 항상 나타나는 것은 아닙니다.
• 벌레의 나이: 아기 벌레는 죽지만, 큰 벌레는 훨씬 더 잘 살아남습니다.
• 벌레가 어디서 왔는가: 야생 벌레는 실험실에서 길러진 벌레보다 훨씬 죽이기 어렵습니다.

저자들은 이것이 "생존의 창(survival windows)"을 만든다고 제안합니다. 만약 벌레가 식물이 젊을 때 태어나 상부 잎을 먹는다면 죽을 수도 있습니다. 하지만 초기 단계를 살아남거나, 이미 더 크고 강한 벌로 태어났거나, 혹은 독성이 약한 오래된 식물을 먹고 있다면, 그 벌레는 살아남아 자라나 새끼를 낳을 수 있습니다. 이렇게 살아남은 벌레들은 "저항성" 유전자를 전달하며, 이는 다음 세대가 더욱 죽이기 힘들게 만듭니다.

결론

이 연구는 Bt 옥수수 하나에만 의존하는 것은 까다롭다는 결론을 내립니다. "보안 시스템"이 실패하는 이유는 기술이 고장 났기 때문이 아니라, 환경이 변하고 있기 때문입니다. 식물의 독성은 성숙함에 따라 감소하고, 벌레는 성장하면서 더 강해지며, 야생 벌레들은 이미 독성을 피하는 법을 배우고 있습니다.

연구진은 이것이 완전한 패배라고 주장하는 것이 아니라, 현재의 전략이 "퍼펙트 스톰(최악의 상황)"을 만들 수 있다고 경고합니다. 옥수수를 계속 안전하게 지키기 위해서는 단순히 어떤 씨앗을 심느냐가 아니라, 벌레가 언제 그리고 어디에서 먹고 있는지를 고려해야 한다고 제안합니다. 만약 우리가 이러한 "생존의 창"을 고려하지 않는다면, 해충들은 결국 보안 시스템을 완전히 앞지를 수도 있습니다.