Endophytic entomopathogenic fungi remodel phyllosphere microbiome and metabolome to suppress Spodoptera frugiperda and enhance parasitoid biocontrol

농업의 광활한 들판에서 식물은 단순히 배고픈 곤충의 수동적인 희생자가 아닙니다. 그들은 복잡한 화학적 전쟁의 능동적인 참여자입니다. 식물은 공격을 받으면 방어 화합물을 생성하거나 내부 화학 구조를 변화시켜 자신을 덜 맛있게 만들거나 침입자에게 더 독성이 있게 만듦으로써 대응하곤 합니다. 하지만 식물은 이 전투를 혼자 치르지 않습니다. 식물은 잎과 조직 내부에 미생물 군집이라 불리는 미세한 생명체들을 품고 있습니다. 이 작은 거주자들은 식물의 건강에 영향을 미칠 수 있으며, 때로는 성장을 촉진하거나 질병에 대한 저항력을 높여주기도 합니다. 과학자들은 우리가 강력한 화학 살포에 의존하지 않고도 이러한 자연적 동맹을 활용하여 작물을 보호할 수 있을지 오랫동안 궁금해해 왔습니다. 유망한 경로 중 하나는 식물 내부에서 해를 끼치지 않고 살아가는 유익한 균류인 내생균류(endophytes)를 사용하는 것입니다. 이 균류들은 보이지 않는 경호원 역할을 하며, 식물의 내부 환경을 변화시켜 해충을 혼란에 빠뜨리거나 약화시킬 수 있습니다.

중국 귀주 대학교 연구진의 최근 연구는 두 가지 특정 균류 균주가 전 세계적으로 중요한 작물인 옥수수를 혹명나방(fall armyworm)으로부터 어떻게 보호할 수 있는지 탐구합니다. 이 해충은 전 세계적으로 빠르게 확산되어 옥수수 밭에 막대한 피해를 주는 탐욕스러운 식객입니다. 연구진은 이 균류가 단순히 벌레를 막을 수 있는지뿐만 아니라, 어떤 방식으로 그러한 효과를 내는지 알고 싶었습니다. 그들은 옥수수의 성장, 잎에 사는 미세한 박테리아와 균류, 식물이 생성하는 화학 화합물, 그리고 이러한 변화가 해충과 해충의 천적인 (벌레 몸속에 알을 낳는) 작은 말벌 모두에게 어떤 영향을 미치는지 등 전체 시스템을 조사했습니다. 목표는 이 균류가 식물을 더 견고한 요새이자 말벌에게는 더 나은 동맹으로 만들어, 침입을 통제하기 위한 삼각 파트너십을 형성할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

연구진은 먼저 GL-5와 H8이라는 이름의 두 가지 서로 다른 균류 균주를 어린 옥수수 묘목에 도입했습니다. 이들은 균류의 포자가 포함된 액체를 뿌리 주변 토양에 부어 식물 내부에서 균류가 자라도록 하는 방식으로 진행되었습니다. 묘목이 자람에 따라 연구팀은 크기와 건강 상태를 측정했습니다. 두 균류 균주 모두 처리를 하지 않은 식물에 비해 식물을 더 크게 자라게 하고 뿌리와 잎을 더 길게 발달시켰습니다. 균류로 처리된 식물들은 눈에 띄게 활기찼으며, 이는 이 미세한 손님들이 그저 그곳에 머무는 것이 아니라 숙주가 번창하도록 적극적으로 돕고 있음을 시사했습니다. 이러한 초기 성장 촉진은 실험의 다음 단계인 혹명나방 유충 투입을 위한 발판이 되었습니다.

혹명나방이 균류 처리된 식물의 잎을 먹었을 때, 그들의 발달은 혼란에 빠졌습니다. GL-5 균주가 처리된 식물을 먹은 벌레들은 초기 단계를 거치는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸고, 많은 수가 성체가 되기 전에 죽었습니다. H8 처리를 받은 식물을 먹은 벌레들 역시 특히 후기 유충 단계와 번데기 단계에서 어려움을 겪었습니다. 살아남은 벌레들의 물리적 크기는 더 작았고, 처리되지 않은 잎을 먹은 벌레들에 비해 체중이 현저히 적었습니다. 성체가 되는 데 성공한 벌레들의 경우에도 번식 능력이 심각하게 저해되었습니다. GL-5 처리된 식물을 먹은 성체는 알을 훨씬 적게 낳았고, 알을 낳기 시작할 때까지 걸리는 시간도 훨씬 길었습니다. 본질적으로, 균류는 옥수수 식물을 벌레의 성장을 늦추고, 성장을 저해하며, 자손을 줄이는 까다로운 식단으로 변화시킨 것입니다.

연구진은 이러한 결과의 원인을 설명하기 위해 식물 내부와 해충 내부에서 어떤 일이 일어나고 있는지 살펴보았습니다. 연구진은 균류가 옥수수 잎의 화학적 구성을 변화시킨다는 것을 발견했습니다. GL-5 균주는 식물이 곤충을 퇴치하는 것으로 알려진 특정 방어 화학 물질, 즉 플라보노이드와 페놀산을 더 높은 수준으로 축적하게 했습니다. 동시에, 이 균주는 잎 표면에 사는 박테리아 군집을 변화시켰습니다. GL-5 균주는 이러한 방어 화학 물질의 생성과 연관된 엔테로박터(Enterobacter)라는 특정 유형의 박테리아 성장을 촉진했습니다. 반면, H8 균주는 크리세오박테리움(Chryseobacterium)이라는 다른 박테리아를 촉진하고 식물의 당 대사를 변화시켰습니다. 식물의 화학 구조와 미생물 이웃들의 이러한 변화는 벌레 자신의 내부 시스템을 교란했습니다. 처리된 식물을 먹은 벌레들은 해독 효소가 과부하되거나 억제되어 독소를 처리하는 데 어려움을 겪었으며, 이로 인해 취약해지고 제대로 발달하지 못하게 되었습니다.

가장 놀라운 발견은 이러한 변화가 혹명나방의 천적인 기생 말벌인 마이크로플리티스 마닐라(Microplitis manilae)에 어떤 영향을 미쳤는가 하는 점이었습니다. 이 말벌은 벌레 몸속에 알을 낳아 결국 숙주를 죽임으로써 사냥합니다. 연구진은 균류 처리된 식물이 이 유익한 말벌들에게 도움이 될지 혹은 해가 될지를 알고 싶었습니다. 연구진은 GL-5 균주가 실제로 말벌을 더 효과적으로 만든다는 것을 발견했습니다. 말벌이 GL-5 처리된 식물을 먹고 자란 벌레를 사냥하도록 했을 때, 말벌은 더 많은 벌레를 기생시키는 데 성공했으며, 말벌이 만든 고치 또한 더 무겁고 튼튼했습니다. 이는 식물의 변화가 벌레를 약화시키거나 벌레가 보내는 신호를 변화시킴으로써, 말벌이 벌레를 더 쉬운 표적으로 만들었음을 시사합니다. 그러나 H8 균주는 말벌에게 동일한 혜택을 주지 못했으며, 이는 서로 다른 균류 균주가 전체 생태계에 매우 구체적이고 뚜렷한 영향을 미칠 수 있음을 강조합니다.

본 연구는 내생균류가 해충을 관리하는 강력한 도구이지만, 사용된 균주에 따라 서로 다른 방식으로 작용한다고 결론짓습니다. GL-5 균주는 해충을 직접적으로 약화시킬 뿐만 아니라 이를 제어하는 자연 포식자의 성능까지 높여주기 때문에 결합된 전략을 위한 더 우수한 선택지로 보입니다. 식물의 내부 화학 구조와 잎 위의 미생물 군집을 재편함으로써, 이 균류들은 해충은 생존과 번식에 어려움을 겪고 자연의 적들은 번창하는 환경을 조성합니다. 이 연구는 농부들이 강력한 화학적 개입 없이도 건강한 들판을 유지하기 위해 식물, 균류, 곤충, 그리고 박테리아 사이의 복잡한 관계에 의존하여 작물을 보호할 수 있는 미래를 보여줍니다. 이 연구 결과는 이러한 상호작용이 작동하는 명확한 메커니즘을 제공하며, 농업에서 가장 파괴적인 해충 중 하나와 싸우기 위한 더욱 지속 가능하고 효과적인 방법을 제시합니다.