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꽃매미(Lycorma delicatula)는 2000년대 중반 이후 한국의 중부지방을 중심으로 집단 발생한 침입 해충으로 식물의 수액을 과다하게 흡수하고 감로를 배출하여 기주식물의 광합성을 저해하거나 심할 경우 고사시키는 것으로 알려져 있다(Park et al., 2009). 특히, 꽃매미는 포도나무에 심각한 피해를 일으켜 최근까지 국내에서 생태와 방제 관련하여 많은 연구가 보고되었다(Han et al., 2008; Park et al., 2009; Lee et al., 2011). 꽃매미는 중국 및 동남아시아 등의 비교적 기온이 높은 지역에서 서식하는 아열대성 곤충으로, 그 유래에 대해서는 아직 밝혀진 것이 없으나, 원산지로 보고된 중국으로부터 유입되었을 것으로 추정되고 있다 (Han et al., 2008 ; Kim et al., in press). 

 꽃매미는 가죽나무(Ailanthus altissima)를 주로 선호하나 참죽나무(Toona sinensis), 소태나무(Picrasma quassioides), 미국담쟁이덩굴(Parthenocissus quinquefolia), 머루(Vitis amurensis), 포도(Vitis vinifera) 등 목본 38종과 초본 3종 등 41종이 기주식물로 알려져 있다(Park et al., 2009). 월동에 관련된 연구로 영하 12도의 겨울을 지난 꽃매미 알이 실험실에서 부화하는 것을 확인하여 꽃매미가 우리나라 전역에서 출현 가능할 것으로 추정하였다(Lee et al., 2011). 결국 꽃매미는 한반도 기후온난화로 최근 번질 수 있던 종이기 보다는 생물학적으로 한반도 전역에서 서식 가능한 외래종임을 시사하였다(Lee et al., 2011). 근래에는 겨울철 기온이 낮았던 중부권에서 그 밀도가 낮아졌으나 호남과 영남지역에 아직도 많은 수가 발생하여 피해를 주고 있다.

 꽃매미는 한국의 중부지방과 경도 상 위치가 비슷한 중국의 Shanxi, Shandong, Hebei 지방에 분포기록이 있고 중국 내에서도 이들이 남부지방보다는 북부지방에서 더 흔하다는 기록이 있다(Liu, 1939). 또한 2008년 8월경 일본의 Kaga지방 남부에서 가죽나무에 꽃매미가 5천 개체 이상 대량으로 발견된 것이 확인된 이후, 본 연구에서 일본 현지 조사를 통해 Ishikawa의 Hakusan에서 다수의 개체를 발견하여 이들을 채집하였다.

 최근, 동아시아 지역에 주로 분포되어 있는 꽃매미의 유전적 관계를 비교하기 위해 미토콘드리아 유전자인 ND2(NADH dehydrogenase subunit 2), ND6(NADH dehydrogenase subunit 6) 염기서열을 사용하여 한국, 중국, 일본 18개 집단을 선정하여 계통학적 방법으로 비교 분석한 결과 중국 양쯔강(Yangtze River) 이남 보다는 이북 지역인 Beijing, Qingdao, Shanghai 꽃매미 개체가 한국 및 일본의 개체와 서열상의 차이가 없는 동일유전자형(haplotype)으로 판명되었다(Kim et al., in press). 이를 통해서 꽃매미 개체는 최소한 중국 양쯔강 이북 지역으로부터 국내로 전파되지 않았을까 추정되고 있다(Kim et al., in press). 최근에는 꽃매미 집단에 특이적인 초위성체(microsatellite)를 개발하여 보다 면밀한 원산지 추정 연구를 진행 중에 있다(Kim et al., 2011).

 꽃매미는 남방계 곤충으로 꽃매미과(Fulgoridae)에 속하였으며 날개의 형태적 특징이 확연한 곤충이다. 꽃매미는 같은 과(family)의 희조꽃매미(Limois emelianovi Oshanin)와 달리 앞날개의 무늬가 확연한데 날개 기부에서 약 2/3되는 지점에는 원형 또는 타원형에 가까운 검은 점무늬가 뚜렷하고, 나머지 2/3 지점에서 날개 말부까지 날개맥 사이로 분포하는 끊어진 점무늬가 확연하다(Fig. 1). 또한, 꽃매미의 날개맥은 비교적 단순한 편으로, 이러한 날개맥의 구조가 이러한 점무늬와 함께 개체별 또는 집단별 변이에 의한 차이가 있을 것으로 판단되었다. 실제로 여러 중국에서 채집된 꽃매미의 점무늬 패턴이 지역 간에 상이한 경향이 발견되어 형태적으로 분석이 필요할 것으로 사료되었다. 이번 연구에서는 분자생물학적인 방법과는 별개로 꽃매미 날개 무늬의 형태적 변이를 분석하였다.

Fig. 1. Measurement of the morphometric characteristics of the left forewing of L. delicatula. (A) Wing venations and three points for making lines. (B) Triangle with three lines A, B, and C and line L as the longest length of the wing.

 이 연구의 목적은 한국, 중국, 일본에서 채집된 꽃매미 지역개체들의 날개에 존재하는 점무늬와 날개맥의 구조를 형태계측학 분석(morphometric analysis)을 통해 비교함으로써, 날개변이와 지역적 분포 사이에 상관관계 나타나는지를 규명하는 것이다.

재료 및 방법

꽃매미 날개 표본 제작 및 촬영

 비교 분석을 위한 꽃매미 개체들은 2010년에서 2011년 사이에 채집되었다. 중국 양쯔강 이북 지역(Beijing, Shanghai, Qingdao, Yentai)과 양쯔강 이남 지역(Tiantai, Linana), 한국(Seoul, Buan, Yecheon)과 일본(Japan)의 10개 지역을 선정하여 날개의 보관상태가 양호한 꽃매미 표본을 선별하여 계측을 위한 앞날개 표본을 준비하였다(Table 1). 암컷 10개체와 수컷 10개체씩, 지역별로 각 20개체를 선발하여 총 200개체의 왼쪽 앞날개를 몸통의 연결 근육과 분리하여 슬라이드글라스(76 × 26 × 2 mm) 위에 겹치지 않게 암수별로 슬라이드 당 5개씩 올려놓았다. 표본의 유지를 위해 날개 위를 슬라이드 글라스로 덮어 투명 테이프로 양끝을 고정시킨 후, 라벨을 기재하여 다른 표본과 구분하였다.

Table 1. The collection list for Lycorma delicatula. CN, China; KR, Korea; JP, Japan.* Japanese individuals were collected from Hakusan, Ishikawa Prefecture

 카메라는 Canon EOS 550D(DSLR / 1870만 화소 / 1:1.6(크롭), 22.8 × 14.9 mm / ISO12800)와 렌즈는 EF 100 mm F2.8L macro를 사용하였다. 카메라 거치대의 밑판에 흰색의 A4용지를 깔고 표본의 비율을 환산할 수 있도록 자(ruler)를 가운데에 고정하였다. 촬영되는 모든 표본의 위치가 변하지 않도록 슬라이드글라스와 자가 수직이 되도록 부착하였다. 그 사이에 만들어놓은 표본을 위치하고, 1 : 3.3020의 비율로 확대 촬영하였다.

꽃매미 날개 계측

 곤충 날개에 대한 형태계측학 연구는 주로 나비목 곤충에서 날개맥(wing vein)과 무늬패턴을 분석하는 연구가 보고되었다(Monteiro et al., 1997). 또한, 초파리에서 날개맥의 길이가 유전적인 분화와 상관관계가 있음이 밝혀진 바 있다(Moraes et al., 2004). 꽃매미 날개 계측을 위해 날개맥의 파악을 통한 점과 선을 지정하였고(Fig. 1), 다음의 방법으로 하여 계측을 실시하였다. 1) 계측에 앞서 가상의 지시 선을 긋는다: 날개 아래쪽 끝부분이 수평이 되도록 맞추는 수평기본선을 그은 후, 날개의 끝부분을 나타내는 수직기본선을 날개 끝에 접하되, 수평기본선에 직각이 되도록 한다; 수평기본선은 날개의 anal vein의 왼편과 오른편이 정확하게 접하도록 긋는다. 2) 날개의 최장 길이(L)를 측정한다: 날개 기부 쪽의 radius vein과 claval fold의 basal joint를 1^st point를 기준으로 삼아 날개 끝과 수직기본선의 접점에 날개 최장 길이 L선을 잇는다. 3) 날개의 세 개 선(A, B, C)의 길이를 구한다: 날개 기부 쪽의 radius vein과 claval fold의 basal joint를 1^st point로 하고, 1^st point를 따라 내려와 1^st radius vein이 갈라지는 1^st divergence를 2^nd point로, anal anterior vein과 anal posterior vein의 joint를 3^rd point로 지정한다. 1^st point와 2^nd point를 잇는 A선, 2^nd point와 3^rd point를 잇는 B선, 3^rd point와 1st point를 잇는 C선 각각의 길이를 재고, 헤론의 공식(Heron's formula)을 이용하여 A, B, C로 둘러싸인 삼각형의 면적을 구한다. 4) 꽃매미 점무늬의 개수와 그 면적을 구한다: 날개 기부에서 시작하는 costal vein과 1^st radius vein 사이를 1구역으로, 1^st radius vein과 claval fold와의 사이를 2구역으로, claval fold 이하를 3구역으로 나누고(Fig. 1) 각 구역별 점의 개수와 면적을 구한다; 단, 날개 뒷부분의 경계선이 모호한 경우에는 구하는 점무늬의 개수와 면적에서 제외하고, 구역 간의 경계를 넘는 점일 경우 이후의 구역은 제외하며, 이전 구역에 포함하되 개수는 2개로 세고 면적은 1번만 측정한다. 구역을 세분화 한 것은 점무늬의 변이를 보다 세밀히 관찰하기 위해 마련되었다. 5) 점의 개수와 면적의 평균값을 구한다: 구역에 따라, 개체에 따라, 성비에 따라, 지역에 따라 각각의 점무늬의 개수와 면적의 평균값을 구한다. 모든 수치는 미리미터(mm)로 측정하였다.

통계 분석

 기본적인 형태계측학적 분석방법은 널리 사용되는 사례들을 검토하여 이용하였다(Elewa, 2004). 통계분석을 위해 SPSS ver. 18 (SPSS Inc. Chicago, IL, USA)을 사용하였고, 각각의 독립변인(지역, 암수)과 종속변인(L 길이, A 길이, B 길이, C 길이, ABC삼각형 면적, 구역별 점무늬의 길이와 면적, 구역별 점무늬의 개수)을 지정하였다. 점무늬의 길이와 면적은 개체별로 1~3구역에서 관찰된 것들을 측정한 후 평균값을 적용하였다. 공분산분석을 시행하기 위해서는 서열 척도만 가능하나 성별이 숫자로 표현할 수 없는 명목 척도이기 때문에 서열 척도로 치환할 수 있는지 알아보기 위한 더미(dummy) 분석을 우선적으로 시행하였다. 다변량 분산분석(multivariate analysis of variance, MANOVA)을 통해 각 독립변인에 대한 종속변인의 확률을 구함으로써 날개 패턴의 암수별, 지역별 유의차가 있는지 분석하였다. 또한, 분산분석에서 지역별 유의차가 있는 것으로 나타난 형질을 선별하여 지역 간의 유사도를 파악할 수 있는 주성분분석(principle component analysis, PCA)을 수행하였다. 지역별로 차원감소를 위한 요인분석을 실시하여 각 구역에서 절대 값이 가장 큰 수의 평균을 계산한 후 주성분 3가지 요인으로 X, Y, Z축을 설정하였다. 결과는 SigmaPlot (Systat Software, Inc. Chicago, IL, USA)을 사용하여 3차원 그림으로 나타냈다.

결 과

꽃매미 날개 형태 패턴의 차이 검정

 우선 지역과 성별을 독립변인으로 두고 각 형태계측학 형질들을 종속변인으로 나열하여 다변량 검정(multivariate test)을 실시한 결과 각각의 집단 간 유의한 차이가 있음을 알 수 있었다(Table 2). 결과 값의 정확성을 높이고 오차 범위를 줄이기 위하여 성별 차이가 각 지역의 꽃매미의 날개 형태 패턴에 관여하는지 알아보기 위해 공분산분석을 실시하였다. 분석 시 성별을 공변량으로 지정한 공분산분석 값과 공변량을 지정하지 않은 다변량 검정 값이 비슷하게 나왔으며, 이때 지역과 성별은 서로 상관관계가 없는 것으로 나타났다.

Table 2. Statistical results of multivariate tests. Design: Location, Gender, Location × Gender

 꽃매미 날개 형태 패턴의 변인 간 차이가 존재한다는 것을 바탕으로 어떠한 집단의 차이가 두드러지는지 알아보기 위해 개체-간 효과 검정(tests for between-subjects effects)을 실시하였다. 이때 지역에 대한 검정에서는 A선의 길이와 1구역 점무늬 수, 2구역 점무늬 수가, 성별에 대한 검정에서는 1구역 점무늬 수, 2구역의 점무늬 수, 3구역 점무늬 수가 통계적으로 유의미하지 않은 항목으로 나타났다(Table 3). 이후 분석에서는 유의미하지 않은 형질들을 모두 제외하였고, 성별의 경우는 변인이 2개이므로 사후분석을 실시하지 않았다.

Table 3. Statistical results of tests for between-subjects effects

꽃매미 날개 형태 패턴에 대한 지역 간 차이

 지역적으로 유의미하지 않은 것으로 분석된 A선의 길이와 1구역의 점의 개수, 2구역의 점의 개수를 제외하고 Tukey HSD법(P > 0.05)을 사용하여 사후분석을 시행한 결과 지역 간의 차이가 나타나는 것을 확인하였다(Fig. 2). 그 결과 지역은 중국, 한국, 일본 순서로 하고 위도 상 북쪽에서 남쪽으로 정렬하였고, 1번 클러스터(cluster) 또는 2번 클러스터에만 분류되는 지역을 다른 색으로 표시하여 형질에 대한 동질성 및 차이를 표현하였다(Fig. 2). 1번 클러스터에는 형질의 평균이 가장 작은 값을 갖고, 2번 클러스터는 가장 큰 값을 갖는다. 동질성에 대한 분석 결과 L선 길이, B선 길이, ABC삼각형 면적(LL, LB, AABC)에서 Japan은 다른 지역과 비교했을 때 극단적으로 큰 평균값을 갖는 것으로 나타났다. 또한, Beijing은 2, 3구역의 점무늬 길이, 면적, 개수(LSR2, ASR2, LSR3, ASR3)에서, Liana은 3구역 점무늬 길이와 개수(LSR3, NSR3) 다른 지역과 뚜렷한 차이를 보였다. 국내 지역 간에는 Seoul과 Buan은 ABC삼각형 면적(AABC)을 제외하고 유사하였으나, Yecheon은 상대적으로 차이가 났다. 중국 지역에서는 형질 별로 동질성에 차이가 있었으나, Shanghai가 모든 형질에서 Seoul과 가장 비슷한 동질성을 갖는 것으로 나타났다. 이 사후분석 데이터를 바탕으로 형태적 차이를 해석하였을 때 Beijing의 경우 점무늬의 크기가 가장 작지만 점의 개수가 가장 많았고, Linan의 경우 반대로 점무늬가 크고 그 개수가 적었고, Japan의 경우 날개의 크기가 상대적으로 큰 것으로 나타났다.

Fig. 2. A diagram of clusters of homogeneous subsets from post hoc tests. LL: Length L, LB: Length B, LC: Length C, AABC: Area ABC, LSR1: Length spot region 1, ASR1: Area spot region 1, LSR2: Length spot region 2, ASR2: Area spot region 2, LSR: Length spot region 3, ASR: Area spot region 3, and NSR: Number spot region 3.

 지역적으로 차이를 보이는 여러 종속변인으로부터 주요 성분을 뽑아 하나로 도식화하기 위하여 주성분분석(principle component analysis, PCA)을 실시하였다(Fig. 3). Seoul과 Buan이 중국 Shanghai와 좌표 상 거리가 가까운 것으로 보아 형태적 비슷함을 나타내었다. 또한, Buan은 Tiantai와도 가까운 것으로 나타나 이들 지역 간에 날개변이의 유사성을 보였다. 또한, 국내 다른 지역과 형태적 차이를 보였던 Yecheon은 Qingdao, Yantai와 상대적으로 가까운 것으로 나타났다. 사후분석에서 많은 차이를 보였던 Linan과 Japan은 상대적으로 거리가 멀어 형태적 차이가 상당히 있음을 보여주었다.

Fig. 3. A plot of the principle component analysis using the first three components (X, Y, Z).

고 찰

 통계적 유의수준을 높이기 위해서는 충분한 개체의 측정이 바탕이 되어야 하나, 이번 연구에서는 개체 수가 충분치 못하였다. 그러므로 이번 연구에서는 적은 개체수를 극복하기위해 다수의 형태계측학 형질을 이용하여 지역 간 꽃매미 앞날개 형태 변이의 차이가 있는지 분석하고자 하였다.

 결과적으로 중국 Shanghai와 국내 Seoul, Buan이 형태적 패턴이 비슷한 것으로 나타나 국내 꽃매미의 유래와 관련이 있을 것으로 생각된다. 이전 연구에서 국내 꽃매미 개체는 중국 양쯔강 이남과 유전적으로 차이가 있고 이북 지역인 Beijing, Qingdao, Shanghai 꽃매미 개체와 동일하였는데(Kim et al., in press), 이는 형태적인 결과와 어느 정도 일치한다고 볼 수 있다. 만약 꽃매미 개체가 유전적인 격리 효과에 의해 날개 형태의 패턴이 달라질 수 있다면 양쯔강 이북(Beijing, Yantai, Qingdao, Shanghai)과 양쯔강 이남(Tiantai, Linan)이 지리적 격리로 인하여 형태적 차이가 나타날 수 있음을 제시할 수 있다. 특이한 점으로 위도상 가장 북쪽의 Beijing과 최근 침입 지역인 Japan의 형태적 차이가 극명한 것이다. 이는 일본 침입 개체가 유전적 부동(genetic drift) 또는 남방 지역의 적응에 의해 다른 변이를 가지게 되었을지 연구해볼 필요가 있다. Yecheon의 경우는 Seoul보다 Qingdao 등과 형태적으로 더 가까운데 이것이 다중침입(multiple introduction)에 의한 차이로 나타난 것인지 추가 규명이 필요하다. 그러나, 이번 연구결과에서는 형태적인 패턴이 지리적인 연속성과는 상관없이 나타나는 점과 각 지역별 형태 특성이 형태계측학 자료에서는 뚜렷하지 않고 모호한 점에서 그 상관관계를 도출해 내는 것은 불가능한 것으로 보인다.

 2000년대 중반 이후 꽃매미의 외부 유입으로 포도 농가 등의 피해가 급작스럽게 발생하여 관심이 증폭되었다. 계속되는 피해를 줄이기 위해 방제에 노력을 기울인 결과 현재 피해 규모가 많이 경감되었으나, 이것을 유지하기 위하여 꽃매미의 개체군 밀도 억제 개념에서 지속적인 검역과 차단이 필요한 실정이다. 그러나 중국에서 수입되는 기주인 가죽나무, 포도 묘목 등을 통하여 추가적인 유입이 불가피하므로 예상치 못한 피해를 방지하기 위해 비용을 들여서라도 차단해야 할 필요가 있다.

 이를 위해 국내와 국외 개체군을 판별하는 기법이 필요하다. 해충 차단의 가장 과학적인 방법은 유전자를 기초로 하는 것이나, 형태만으로 현장에서 판단할 수 있는 근거가 마련된다면 이들에 지역개체에 대한 신속한 식별이 가능할 것이다. 더불어 더 많은 꽃매미 집단에 대해 본 연구에서 확인된 날개 형질을 분석한다면 이들을 정확히 식별할 수 있는 근거 자료가 마련될 수 있다. 또한, 날개무늬 패턴이라는 형태적 표현형의 발달과 유전적 특성에 대한 연구가 동시에 진행된다면 이들의 집단분포와 진화에 대해 보다 학술적으로 가치 있는 결과가 도출될 수 있을 것으로 전망한다.

사 사

 본 연구는 농림축산검역본부 식물검역기술개발사업(과제번호: 20100710630)으로부터 지원받아 수행되었습니다. 통계분석을 위해 도움을 준 서울대학교 곤충계통분류학연구실 박사과정 이예림 양에게 감사의 뜻을 표합니다.