Potentiality of native Bacillus thuringiensis isolates against the destructive pest, Plutella xylostella (L.) (Lepidoptera: Plutellidae)

농업의 세계에서 배추좀나방만큼 끈질기고 해로운 해충은 드뭅니다. 이 작은 곤충은 유충 단계에서 양배추, 콜리플라워, 브로콜리와 같은 십자화과 채소를 먹고 자라며, 농부들에게 전 세계적인 골칫거리가 되었습니다. 이 나방은 거의 모든 화학적 살충제에 살아남는 능력으로 악명이 높습니다. 수십 년간의 집중적인 살충제 사용 결과, 이 나방은 유전적 갑옷을 진화시켜 세계에서 가장 흔한 많은 독성 물질들을 무용지물로 만들었습니다. 화학 물질이 실패할 때 농부들은 종종 생물학적 대안, 구체적으로는 토양에 서식하는 바실루스 투링기엔시스(Bacillus thuringiensis)라는 박테리아에 의존합니다. 이 박테리아는 많은 곤충 유충의 천연 포식자입니다. 이것은 마치 생물학적 열쇠처럼 작용하는 아주 작은 결정형 단백질을 생성하여 작동합니다. 배고픈 애벌레가 이 박테리아를 먹으면, 이 결정들이 장 내에서 녹아 해충의 소화관 벽에 구멍을 뚫는 독소를 방출하며, 이로 인해 애벌레는 먹이 섭취를 중단하고 결국 죽게 됩니다. 수년간 농부들은 이 박테리아의 특정 균주들에 의존해 왔지만, 나방도 이에 적응하고 있습니다. 나방이 화학 살충제에 저항하는 법을 배웠던 것처럼, 이제는 표준적인 박테리아 독소에도 저항하기 시작한 일련의 개체군들이 나타나고 있으며, 이는 더 다양하고 새로운 생물학적 무기에 대한 긴급한 필요성을 낳고 있습니다.

인도의 타밀나두 농업대학교 연구진은 이러한 새로운 무기를 찾기 위해 집 근처를 더 자세히 들여다보는 데 착수했습니다. 상업적 제품에 사용되는 몇몇 잘 알려진 박테리아 균주에 의존하는 대신, 그들은 토양 자체로 시선을 돌렸습니다. 그들은 표준 실험실 균주들이 잃어버렸을지도 모르는 비결을 이 토착 미생체들이 간직하고 있을 것이라는 희망을 품고, 현지 환경에서 58개의 서로 다른 토착 바실루스 투링기엔시스 균주를 수집했습니다. 연구팀은 이 58개의 샘플을 잠재적 해결책이 담긴 거대한 도서관처럼 취급하며, 어떤 샘로가 가장 효과적인 곤충 살상 단백질을 만드는 유전적 청사진을 가지고 있는지 스크리닝했습니다. 그들은 다양한 유형의 독소를 생성하는 유전자의 특정 조합을 찾고 있었는데, 이는 단일 유형의 공격 전략보다 다양한 공격 전략의 혼합이 나방이 저항하기 더 어려울 것이라고 믿었기 때문입니다.

조사는 실험실에서 박테리아를 시각적으로 검사하는 것으로 시작되었습니다. 연구진은 토착 균주들이 모두 동일하지 않다는 것을 관찰했는데, 이들은 서로 다른 모양과 질감을 가진 군락을 형성하며 표면 아래에 깊은 유전적 차이가 있음을 암시했습니다. 이 박테리아들이 지닌 실제 무기를 확인하기 위해, 팀은 강력한 현미경을 사용하여 가장 유망한 후보들이 생성하는 결정을 조사했습니다. 그들은 매우 흥고로운 형태의 다양성을 발견했습니다. 어떤 박테리아는 밑면이 맞닿은 두 개의 피라미드 모양의 결정을 생성하는 반면, 다른 것들은 입방체 구조나 둥근 구체를 만들었습니다. 이 박테리아들의 세계에서 형태는 기능에 대한 직접적인 단서입니다. 피라미드 모양의 결정은 일반적으로 한 종류의 독소를 운반하는 반면, 입방체 모양의 결정은 다른 종류를 운반합니다. 연구진은 많은 토착 균주가 단 하나의 형태에 국한되지 않고 혼합된 형태를 생성한다는 것을 발견했으며, 이는 이들이 동시에 여러 방식으로 해충을 공격할 수 있음을 시사했습니다.

현미경으로 본 것을 확인하기 위해 과학자들은 분자 생물학 기술을 활용했습니다. 그들은 박테리아에서 DNA를 추출하고 중합효소 연쇄 반응(PCR) 기법을 사용하여 곤충 살상 독소를 생성하는 것으로 알려진 특정 유전자를 탐색했습니다. 그들은 세 가지 주요 단백질인 Cry1, Cry2, Vip3A를 코딩하는 유전자를 찾고 있었습니다. 결과는 놀라웠습니다. 가장 유망한 12개의 분리 균주 모두가 가장 흔한 독소인 Cry1 유전자를 보유하고 있었습니다. 그러나 다양성은 훨씬 더 나아갔습니다. 이 토착 균주들 중 여러 개는 Cry2 유전자를 보유하고 있었고, 더 많은 수의 균주는 Vip3로 인하여 Vip3A 유전자를 보유하고 있었습니다. 이 마지막 유전자는 특히 중요한데, 왜냐하면 다른 독소들과는 다르게 작동하여 곤충을 공격하는 방식이 다르기 때문입니다. 결정적으로, 연구진은 일부 토착 균주가 세 가지 유형의 유전자를 한꺼번에 보유하고 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 유전적 다양성은 오늘날 농부들이 사용하는 표준 상업용 균주에서 발견되는 제한된 다양성과 극명한 대조를 이루었습니다.

그 후 팀은 실험대에서 살아있는 곤충으로 옮겨가 이러한 유전적 이점이 실제 세계의 힘으로 전환되는지 테스트했습니다. 그들은 가장 유망한 12개의 박테리아 균주를 통제된 환경에서 배추좀나로 애벌레에게 먹였습니다. 그들은 살상력을 측정하는 표준적인 방법인, 애벌레의 절반을 죽이는 데 필요한 박테리아 단백질의 양을 측정했습니다. 결과는 몇몇 토착 균주가 믿을 수 없을 정도로 강력하다는 것을 보여주었습니다. RM12, T20B, T32라는 코드로 식별된 세 가지 특정 균주는 상업 제품에 사용되는 황금 표준 참조 균주만큼이나 치명적이었습니다. 사실, 가장 효과적인 토착 균주는 최고의 알려진 상업용 박테리아와 동일한 치사 결과를 얻기 위해 물 1밀리리터당 단 1마이크로그램의 아주 적은 양의 단백질만을 필요로 했습니다. 다른 토것 균주들도 약간 덜 강력하긴 했지만 효과적이었으며, 모두 저항성을 가진 해충을 죽일 수 있는 명확한 능력을 보여주었습니다.

연구는 토양이 십자화과 작물을 구원할 수 있는 열쇠가 될 수 있는 방대한, 아직 발굴되지 않은 생물학적 다양성의 저장고를 보유하고 있다고 결론짓습니다. 연구진은 이 토착 박테리아들이 시장에 나와 있는 것들의 단순한 복사본이 아니라, 더 넓은 범위의 독소 유전자를 운반하고 더 다양한 결정 모양을 생성하는 유전적으로 고유한 존재임을 발견했습니다. 이러한 다양성은 가장 가치 있는 자산인데, 왜냐하면 이는 나방이 저항성을 진화시키기 훨씬 더 어렵게 만드는 복합적인 공격을 제공하기 때문입니다. 비록 이 연구가 실험실과 온실 환경에서 수행되었지만, 연구 결과는 이 토착 균주들이 새로운 생물 농약으로 개발될 수 있음을 시사합니다. 이 토착 박테리아들로부터 추출한 다양한 독소의 혼합물을 사용함으로써, 농부들은 나방의 저항성을 따돌릴 수 있으며, 이는 화학적 옵션이 점점 실패해 가는 세상에서 채소를 재배하기 위한 지속 가능한 길을 제시합니다. 이 연구는 현대 농업 위기의 해결책이 완전히 새로운 것을 발명하는 것이 아니라, 우리 발밑의 토양 속에 이미 존재하는 복잡하고 자연적인 다양성을 재발견하는 데 있을 수 있음을 강조합니다.