Biotype-Specific and Stable Induced Responses of Sorghum to Greenbug (Schizaphis graminum) Herbivory

식물이 곤충에게 먹히기 시작할 때, 식물은 단순히 수동적인 희생자가 아닙니다. 대신, 많은 종이 자신을 덜 맛있게 만들거나 소화하기 어렵게 만들기 위해 화학적 성질과 생리적 구조를 변화시키는 역동적인 방어를 펼칩니다. '유도된 방어(induced defense)'라고 알려진 이 반응은 생존을 위한 강력한 도구가 될 수 있지만, 종종 일시적이기도 합니다. 어떤 체계에서는 식물의 저항력이 공격 직후에 급증했다가, 조직이 노화하거나 화학적 신호가 약해짐에 따라 사라져서, 두 번째 파상 공세를 펼치는 해충에 대해 식물을 취약한 상태로 남겨두기도 합니다. 이러한 방어가 일시적인지 아니면 안정적인지를 이해하는 것은 농업에서 매우 중요한데, 농부들은 작물이 재배 기간 내내 지속적으로 해충에 저항하기를 기대하기 때문입니다. 문제는 해충 자체가 단일하고 균일한 적이 아닐 때 더욱 복잡해집니다. 많은 곤충 종은 식물의 방어를 극복하기 위해 서로 다른 전략을 진화시킨 뚜렷한 집단, 즉 생물형(biotype)으로 존재합니다. 만약 식물이 한 종류의 곤충에는 효과적으로 싸운다면, 다른 종류의 곤충에게는 무력해질 수도 있으며, 이전의 전투가 미래의 전투에 대한 식물의 반응을 변화시키는지 여부는 여전히 불분명합니다.

연구자들은 곡물과 연료를 위해 재배되는 가뭄에 강한 풀인 수수와, 식물의 즙을 빨아먹는 작은 진딧물인 그린벅(greenbug) 사이의 이러한 역동성을 조사하기 위해 연구를 수행했습니다. 그린벅은 식물이 영양분을 운반하는 능력을 방해하는 독소를 주입하여 붉은 반점, 황화 현상, 조직 괴사를 일으켜 심각한 피해를 줄 수 있는 중요한 농업 해충입니다. 이 진딧물은 빠르게 번식하며, 특정 수수 품종의 자연적인 저항성을 우회할 수 있는 다양한 생물형으로 진화했습니다. 과학자들은 'Tx2로 알려진 특정 수수 품종인 'Tx2783'과 E와 K라는 이름이 붙은 두 가지 뚜렷한 그린벅 계통에 초점을 맞추었습니다. 그들은 이 곤충에 대한 식물의 반응이 고정된 형질인지, 아니면 이전에 공격을 받았는지에 따라 변하는지를 알고 싶었습니다. 구체적으로, 그들은 이전의 한 계통에 의한 침입이 이후 동일한 계통이나 다른 계통에 대한 공격에 대해 식물을 더 저항력 있게 만드는지, 아니면 더 취약하게 만드는지를 질문했습니다.

답을 찾기 위해 연구팀은 통제된 환경에서 일련의 세심한 실험을 수행했습니다. 그들은 수수를 재배하고 잎의 특정 부분을 격리하기 위해 작은 투명 케이지를 잎 위에 설치했습니다. 한 세트의 실험에서는 초기 공격자 역할을 할 작은 진딧물 그룹을 잎의 한 부분에 도입했습니다. 이틀 후, 그들은 동일한 잎의 인접한 구역에 두 번째 진딧물 그룹을 도입했습니다. 이 설정은 첫 번째 그룹에 대한 식물의 반응이 두 번째 그룹에 영향을 미치는지 확인하기 위함이었습니다. 그들은 네 가지 시나리오를 테스트했습니다: 첫 번째 그룹과 두 번째 그룹이 모두 계통 E인 경우, 둘 다 계통 K인 경우, 첫 번째가 E이고 두 번째가 K인 경우, 또는 첫 번째가 K이고 두 번째가 E인 경우였습니다. 또한, 초기 공격이 한 잎에서 발생하고 두 번째 공격이 같은 식물의 더 높은 곳에 있는 완전히 다른 잎에서 발생하는 실험도 진행하여, 식물의 방어 신호가 체계를 통해 전달되는지 확인했습니다. 과정 전반에 걸쳐 연구자들은 새로운 진딧물이 얼마나 태어났는지, 성숙하는 데 시간이 얼마나 걸리는지, 그리고 잎의 사진을 찍고 녹색 조직 대 손상되고 변색된 조직의 양을 분석함으로써 잎이 입은 피해가 얼마나 되는지를 측정했습니다.

결과는 이 수수 품종이 이러한 해충과 어떻게 상호작작용하는지에 대한 명확하고 안정적인 그림을 보여주었습니다. 이 식물은 계통 E에 대해 일관되게 저항하며, 진딧물이 잘 번식하지 못하게 하고 대체로 건강한 상태를 유지했습니다. 반면, 식물은 계통 K에 대해 매우 취약하여, 이들은 번성하며 상당한 피해를 입혔습니다. 결정적으로, 연구는 식물의 반응이 과거의 이력에 따라 변하지 않는다는 것을 발견했습니다. 만약 어떤 잎이 이틀 전에 계통 E에 의해 공격받았다면, 그것은 새로운 계통 E나 계통 K의 공격에 대해 더 저항력이 생기거나 더 취약해지지 않았습니다. 계통 K에 대해서도 마찬가지였습니다. 이전의 공격은 후속 공격에 대한 식물의 성능을 변화시키지 않았습니다. 연구자들은 식물의 초기 방어 신호가 시간이 지남에 따라 약해져서 더 취약해진다는 증거를 발견하지 못했으며, 이전의 공격이 다른 계통에 작용하는 방어를 유발한다는 사실도 발견하지 못했습니다. 식물의 반응은 시간이나 이전의 노출에 따라 변하는 유연한 반응이라기보다, 진딧물의 정체에 특화된 고정된 유전적 형질인 것으로 나타났습니다.

이러한 발견은 이 수수 품종의 경우, 그린벅과의 싸움이 유동적이고 변화하는 방어가 아니라 엄격하고 생물형 특이적인 맞대결에 의해 정의된다는 것을 시사합니다. 식물은 이전의 만남으로부터 학습하거나 공격의 시기에 따라 전략을 조정하는 것처럼 보이지 않습니다. 대신, 식물은 이전의 사건과 상관없이 계통 E에 대해서는 일정한 저항 상태를, 계통 K에 대해서는 일정한 취약 상태를 유지합니다. 이러한 안정성은 방어가 조수처럼 밀려왔다 밀려갔다 하는 다른 식물 체계와 대조를 이루며, 작물이 해충 압력을 관리하는 방식에 대한 다른 관점을 제공합니다. 육종가와 농부들에게 이는 이러한 해충을 관리하는 열쇠가 현장의 진딧물 개체군의 구체적인 정체를 이해하는 데 있음을 의미하는데, 왜냐하면 식물의 내재된 저항성은 침입의 이력에 의해 증폭되거나 감소되지 않기 때문입니다. 이 연구는 이 특정 상호작 작용에서, 식물의 방어는 공격의 시기가 아니라 전적으로 곤충의 유전적 정체에 의해 형성되며, 한 적에게는 변하지 않는 견고한 벽이고 다른 적에게는 열린 문이라는 점을 명확히 합니다.