Plant nutrient status shapes predator and herbivore dynamics through plant-mediated pathways
이 연구는 영양분 농축이 단일 경로가 아니라 식물 형질과 먹이 가용성을 동시에 변화시킴으로써 포식자와 초식 동물의 역학을 형성하며, 이를 통해 서양꽃총채벌레와 잡식성 포식자인 *Orius insidiosus* 사이에 복잡하고 맥락 의존적인 상호작용을 만들어낸다는 것을 입증한다.
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정원의 숨겨진 세계에서, 모든 식물은 복잡한 생존의 드라마가 펼쳐지는 무대입니다. 이 무대의 바닥에는 식물들이 있으며, 이들은 단순히 수동적으로 앉아 있는 것이 아니라 토양으로부터 받는 영양분에 따라 자신의 화학 성분과 구조를 변화시킵니다. 그 위에는 식물의 잎과 꽃을 먹고 사는 작은 곤충인 초식동물들이 삽니다. 그리고 이 초식동물들은 다시 포식자들에게 사냥을 당합니다. 수십 년 동안 과학자들은 식물이 잘 먹으면 종종 그것을 먹고 사는 곤충들에게 더 좋은 보금자리가 되어, 해충의 개체 수를 증가시킨다는 사실을 이해해 왔습니다. 하지만 사냥꾼들을 도입하면 이야기는 훨씬 더 복잡해집니다. 이러한 사냥꾼들 중 다수는 엄격한 육식동물이 아니라 잡식성인데, 이는 그들이 해충뿐만 아니라 꽃가루나 꿀 같은 식물의 일부도 먹을 수 있음을 의미합니다. 이러한 이중적인 식단은 하나의 수수께를 만듭니다. 만약 농부가 작물을 잘 자라게 하기 위해 비료를 추가한다면, 그 추가된 영양분이 포식자가 해충을 잡아먹는 속도보다 해충이 더 빨리 번식하도록 도울까요, 아니면 포식자를 더 강하고 번성하게 만들어 해충을 억제하도록 도울까요? 답은 간단하지 않습니다. 왜냐하면 비료가 식물을 변화시키고, 그 식물이 해충의 먹이를 변화시키며, 그 결과 포식자의 먹이까지 동시에 변화시키기 때문입니다.
오하이오 주립 대학교의 연구팀은 식물의 영양 수준에 따라 흔한 정원 해충과 그 천적이 어떻게 반응하는지 관찰함으로써 이 얽힌 관계를 풀기로 했습니다. 그들은 많은 작물에 피해를 주는 작은 곤충인 서양꽃총채벌레와, 총채벌레를 잡아먹는 작은 잡식성 포식자인 귤리안가리쥐멸구(minute pirate bug)에 집중했습니다. 과학자들은 온실에서 할라피뇨 고추 식물을 세 가지 다른 급여 체계 하에 재배하며 통제된 실험을 설정했습니다. 한 그룹의 식물은 표준량의 비료를 받았고, 두 번째 그룹은 고농도의 비료를 받았으며, 세 번째 그룹은 비료 없이 오직 수돗물만을 마셨습니다. 식물이 꽃을 피우기 시작하자 연구원들은 곤충들을 투입했습니다. 어떤 케이지에는 총채벌레만 넣었습니다. 다른 케이지에는 귤리안가리쥐멸구만 넣었습니다. 마지막 그룹에는 두 종류를 함께 넣었습니다. 그들은 식물이 어떻게 자라는지, 총채벌레가 얼마나 나타나는지, 그리고 귤리안가리쥐멸구가 얼마나 잘 생존하고 번식하는지를 관찰했습니다. 식물의 직접적인 영향을 더 명확히 파악하기 위해, 그들은 서로 다른 이 식물들의 잎을 채취하여 실험실로 가져온 뒤, 살아있는 식물이라는 변수 없이 격리된 잎 위에서 곤충들이 어떻게 지내는지 테스트했습니다.
결과는 비료가 식물에 기대했던 대로 작용했음을 보여주었습니다. 잘 먹은 식물은 더 높이 자랐고, 더 넓은 캐노피를 형성했으며, 비료를 주지 않은 식물보다 눈에 띄게 많은 꽃과 잎을 생산했습니다. 영양분을 많이 받은 식물들이 가장 활기찼지만, 표준량의 비료를 받은 식물조차 굶주린 식물보다는 훨씬 더 건강했습니다. 이러한 식물 건강의 증가는 총채벌레에게 즉각적인 영향을 미쳤습니다. 비료를 준 식물은 더 많은 먹이와 더 많은 산란 장소를 제공했기 때문에 총채벌레의 개체 수가 폭발했습니다. 총채벌레만 있는 케이지에서, 비료를 준 식물은 비료를 주지 않은 식물보다 훨씬 더 많은 곤충을 부양했습니다. 영양분이 풍부한 환경은 해충 성장의 강력한 엔진 역할을 했으며, 이는 양질의 식물이 직접적으로 더 큰 해충 개체군으로 이어진다는 것을 입증했습니다.
하지만 포식자의 이야기는 더 미묘했습니다. 귤리안가리쥐멸구는 식물 음식만으로는 번성하지 못했습니다. 총채벌레를 잡아먹을 대상 없이 포식자만 있는 케이지에서는, 식물에 비료를 얼마나 주었는지와 상관없이 그 숫자가 낮게 유지되었습니다. 이는 이 벌레들이 식물 부분을 먹을 수는 있지만, 주요 먹이인 총채벌레 없이는 강한 개체군을 형성할 수 없음을 확인시켜 주었습니다. 그러나 총채벌레가 존재할 때, 비료는 게임의 판도를 바꿨습니다. 포식자들은 비료를 준 케이지에서 번성했는데, 이는 오직 그곳에 총채벌레가 있었기 때문입니다. 풍부한 먹이 덕분에 귤리안가리쥐멸구는 더 잘 생존하고 더 많은 알을 낳을 수 있었습니다. 비료를 주지 않은 케이지에서는 총채벌레가 있더라도 포식자 개체군이 성장하는 데 어려움을 겪었습니다. 이는 식물의 영양 상태가 포식자가 총채벌레라는 식사를 새로운 세대의 사냥꾼으로 전환하는 능력을 지원하거나 방해하는 배경 조건으로 작용함을 시사합니다.
실험실 테스트는 왜 이런 일이 일어나는지를 설명해 주었습니다. 연구원들이 서로 다른 식물에서 잘라낸 잎 위에 곤충들을 놓았을 때, 식물의 영양분이 포식자의 번식 성공에 구체적인 방식으로 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 암컷 귤리안가리쥐멸구가 낳은 알의 수는 잘 자란 식물의 잎 위에 있고 총채벌레에 접근할 수 있을 때 가장 높았습니다. 성충의 생존 또한 건강한 식물과 가용한 먹이의 조합에 달려 있었습니다. 흥로하게도, 알에서 깨어난 어린 벌레의 수는 두 가지 별개의 요인, 즉 먹이의 존재와 식물의 질에 의해 각각 독립적으로 결정되는 것으로 보였습니다. 데이터에 따르면 식물의 영양분이 포식자의 번식을 도왔지만, 개체군이 성장하기 위한 절대적인 요구 조건은 바로 총채벌레의 존재였습니다.
이러한 발견은 작물에 비료를 추가하는 것이 단순히 해충이나 포식자를 돕는 것이 아니라, 그들 사이의 전체적인 관계를 변화시킨다는 것을 보여줍니다. 추가된 영양분은 식물을 해충에게 더 유리하게 만들어 해충의 수를 급증시킵니다. 이 급증은 포식자에게 더 많은 먹이를 제공하여 그들의 숫자도 늘릴 수 있게 하지만, 이는 오직 식물이 그러한 성장을 뒷받침할 만큼 건강할 때만 가능합니다. 만약 식물이 빈약하다면, 포식자는 해충이 일부 존재하더라도 강한 개체군을 형성할 수 없습니다. 이 연구는 자연이 비료에 대해 단일한 경로로 반응하지 않는다는 것을 입증합니다. 대신, 영양분은 먹이사슬을 타고 올라가 해충을 먼저 증폭시킨 다음, 조건이 갖춰졌을 때 비로소 포식자가 따라잡을 수 있도록 합니다. 정원이나 농장을 관리하는 사람들에게 이는 비료 관리가 하나의 균형 잡기임을 의미합니다. 영양분을 추가하면 식물은 분명히 더 잘 자라겠지만, 해충 또한 더 강해질 가능성이 높습니다. 희망은 포식자가 해충을 조절할 수 있을 만큼 강력하게 반응하는 것이지만, 이는 전적으로 식물의 특정 조건과 먹이의 가용성에 달려 있습니다. 이 연구는 단 하나의 정답이 있는 것이 아니라, 식물의 건강이 사냥꾼과 사냥감 모두의 성공을 결정하는 섬세한 상호작용이 존재한다는 점을 시사합니다.
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