Influence of Biotic and Abiotic Factors on the Gut Microbiome of the Western Honey Bee

기술 요약: 서양꿀벌의 장내 미생물군집에 미치는 생물적 및 비생물적 요인의 영향

문제 제기
서양꿀벌(Apis mellifera)의 장내 미생물군집은 소화, 성장 및 면역에 매우 중요하다. 실험실 연구들은 노제마(Nosema)와 같은 병원균이나 환경적 스트레스 요인(예: 농업 집약화)이 장내 미생물군을 변화시킬 수 있음을 시사하지만, 자연 조건 하에서 이러한 요인들이 어떻게 동시에 상호작용하는지를 평가하는 현장 기반 연구는 크게 부족한 실정이다. 현재의 지식 공백은 효과적인 질병 관리 전략 및 꿀벌 보호 정책 개발을 저해하고 있다. 특히, 야생 상태에서 노제마의 유병률, 경작지 이용, 계절성 및 위도가 꿀벌의 장내 미생물군집 구성에 어떻게 집단적으로 영향을 미치는지에 대해서는 여전히 불분명하다.

연구 방법
본 연구는 시민 과학 네트워크(영국 국가 꿀 모니터링 체계)를 활용하여 2024년 잉글랜드와 스코틀랜드의 9개 지역, 79명의 양봉가로부터 도살된 일벌을 수집하였다. 샘플은 반경 2km 이내에 최소 10%의 경작지 피복을 포함하는 경관에서 선정되었다.

• 병원균 검출: 소화 조직을 추출하였으며, 특정 프라이머와 프로브를 사용하여 Nosema ceranae 및 Nosema apis를 검출하고 정량화하기 위해 qPCR을 통해 DNA를 분석하였다. 병원균의 풍부도를 추정하기 위해 유전자 복제 수를 계산하였다.
• 미생물군 특성 분석: Illumina MiSeq 플랫폼을 사용하여 16S rRNA 메타바코딩(515F/806R 프라이머)을 통해 박테리아 군집을 분석하였다. 데이터 처리는 ASV(Amplicon Sequence Variant) 추론을 위한 DADA2 파이프라인을 거쳤으며, 이후 비표적 서열(미토콘드리아/엽록체)을 제거하기 위한 필터링 과정을 수행하였다.
• 통계 분석:
  • 일반화 가법 모델(GAMs)을 사용하여 경작지 피복, 계절성 및 위도가 Nosema 강도와 Shannon 다양성에 미치는 영향을 평가하였다.
  • 베타 다양성은 Bray–Curtis 비유사도 행렬과 순열 다변량 분산 분석(PERMANOVA)을 사용하여 평가하였다.
  • 커뮤니티 구성을 결정하는 유의한 상관관계를 식별하기 위해 환경 적합성(envfit) 및 거리 기반 중복 분석(dbRDA)을 채택하였다.
  • 특정 분류군의 변화를 병원균 부하, 토지 이용 및 계절과 연관 짓기 위해 다변량 ANCOMBC를 통한 차등 풍부도 분석을 실시하였다.

주요 결과

• 병원균 유병률: Nosema ceranae는 37.5%의 벌통에서 검출된 반면, Nosema apis는 한 벌통에서 관련 증상이 보고되었음에도 불구하고 완전히 검출되지 않았다. 이는 영국 내에서 N. ceranae가 N. apis를 경쟁적으로 우점하고 있음을 시사한다.
• 병원균 부하의 환경적 동인: 벌통 주변의 경작지 피복량은 N. ceranae 유전자 복제 수와 유의한 음의 상관관계를 보였다. 본 연구는 이것이 경작지 경관에서의 낮은 군집 밀도로 인해 약탈 행동(robbing behaviors)을 통한 병원균 전파 기회가 줄어들었기 때문이라고 가정한다. 계절성과 위도는 N. ceranae의 풍부도와 유의미한 연관성을 보이지 않았다.
• 미생물군 다양성 및 구성:
  • Nosema ceranae 감염은 Shannon 다양성(알파 다양성)의 증가와 양의 상관관계를 보였다.
  • PERMANOVA 분석 결과, N. ceranae 복제 수준은 계절성과 더불어 장내 미생물 군집의 베타 다양성에 유의미한 영향(p < 0.005)을 미치는 것으로 나타났다. 그러나 *envfit 순열 검정 결과, 다른 요인인 계절적 변동과 비교했을 때 N. ceranae는 전체적인 장내 구성을 결정하는 유의미한 요인이 아니었다.*
  • 계절성이 장내 미생물군 구성의 가장 강력한 동인으로 나타났으며, 그 뒤를 위도가 이었다.
  • 경작지 이용은 전체적인 군집 구조(베타 다양성)를 유의미하게 변화시키지는 않았으나, 특정 분류군의 풍부도 변화와는 연관이 있었다.
• 분류학적 변화:
  • N. ceranae 복제 수는 오직 두 가지 ASV, 즉 Bombella sp.(양의 상관관계)와 Pantoea sp.(음의 상관관계)에만 유의미한 영향을 미쳤다.
  • 계절성은 가장 유의미한 변화를 일으켰는데, 시즌 후반기에 Gilliamella sp., Arsenophonus sp., Serratia fonticola의 풍부도가 증가한 반면, Pantoea sp.는 감소하였다.
  • 경작지 피복 증가량은 Apibacter, Apilactobacillus, Bombella, Commensalibacter, Pseudomonas와 음의 상관관려를 보였고, 특정 Gillemannella sp. ASV와는 양의 상관관계를 보였다.

의의 및 주장
저자들은 N. ceranae가 다양성 지수와 베타 다양성에 유의미한 변화를 유도함에도 불구하고, 전체적인 장내 미생물군 구성에 미치는 영향은 환경적 요인, 특히 계절성과 위도에 비해 상대적으로 미미하다고 주장한다. 본 연구는 다음을 강조한다:

1. 계절성과 식이: 계절/위도와 미생물군 구성 사이의 강한 상관관계는 식이 변화(꽃의 다양성 및 가용성)가 장내 미생물 구조의 주요 동인이라는 가설을 뒷받침한다.
2. 경작지 영향: 경작지 경관이 전체 군집을 재편하지는 않지만, 특정 분류학적 변화를 유도하며, 이는 아마도 낮은 꽃의 다양성과 증가된 농약 노출 때문일 것이다. 경작지에서 관찰된 Gillemannella의 증가는 특정 식이 제약 조건 하에서의 해독 또는 탄수화물 대사 역할을 반영할 수 있다.
3. 현장 vs 실험실: 본 연구의 결과는 Nosema가 전체 장내 미생물 다양성에 미치는 영향이 미미하다고 제안했던 기존의 실험실 기반 연구들과 대조된다. 이 현장 연구는 N. cerinae가 다양성 지수에는 유의미한 변화를 일으키지만, 자연 환경에서는 이러한 효과가 더 넓은 생태적 변수에 의해 가려질 수 있음을 보여준다.
4. 보전 함의: 이 데이터는 질병 관리와 더불어 환경적 스트레스 요인(예: 식이를 개선하기 위한 울타리 식생 및 경계지 조성)을 다루는 보전 정책의 필요성을 강조한다. 본 연구는 꿀벌의 감소와 군집 붕괴 문제를 해결하기 위해 이러한 다각적인 상호작용을 이해하는 것이 필수적임을 시사한다.

결론적으로, 향-연구는 자연 환경에서의 식이, 농약 사용, 기후 및 질병 간의 상호작용을 규명하기 위해 다각적인 분석을 채택해야 하며, 이를 통해 화분 매개자 보호 전략에 대한 더 나은 정보를 제공해야 한다.