마이토콘드리아 유전자 2개를 이용한 대한민국 전라남도 해남군 발생 풀무치 Locusta migratoria (메뚜기목: 메뚜기과)의 계통분석 Phylogenetic analysis of Locusta migratoria (Orthoptera: Acridae) in Haenam-gun, Jeollanam-do, Korea using Two Mitochondrial Genes원문보기
전라남도 해남군 산이면에 있는 간척지 중 친환경 사료작물 재배지에서 2014년도 8월에 풀무치(Locusta migratoria)가 대발생을 하여, 식량작물과 사료작물에 커다란 피해를 주었다. 오랜 기간 작물에 피해를 주지 않던 migratory locust가 어떠한 원인들에 의하여 대발생하여 해충화 되었는지에 아직까지 모르는 실정이다. 대발생의 원인을 규명하기 위한 연구의 일환으로 해남군 산이면에서 발생한 풀무치의 마이토콘드리아에 존재하는 16S ribosomal RNA와 D-loop의 염기서열을 분석하여 이들과 다른 지역계통간의 유전적인 연관성을 분석하였다. 그 결과 해남군 산이면에서 대량 발생한 풀무치는 북방계통 중 유라시아 대륙지역형과 유전적으로 가장 가까운 것으로 나타났다. 앞으로 2개의 표적 유전자는 국내외 유전적 집단 구조 비교에 활용할 수 있으며 대발생 풀무치의 대발생 원인을 분석하는데 기여할 수 있을 것이다.
전라남도 해남군 산이면에 있는 간척지 중 친환경 사료작물 재배지에서 2014년도 8월에 풀무치(Locusta migratoria)가 대발생을 하여, 식량작물과 사료작물에 커다란 피해를 주었다. 오랜 기간 작물에 피해를 주지 않던 migratory locust가 어떠한 원인들에 의하여 대발생하여 해충화 되었는지에 아직까지 모르는 실정이다. 대발생의 원인을 규명하기 위한 연구의 일환으로 해남군 산이면에서 발생한 풀무치의 마이토콘드리아에 존재하는 16S ribosomal RNA와 D-loop의 염기서열을 분석하여 이들과 다른 지역계통간의 유전적인 연관성을 분석하였다. 그 결과 해남군 산이면에서 대량 발생한 풀무치는 북방계통 중 유라시아 대륙지역형과 유전적으로 가장 가까운 것으로 나타났다. 앞으로 2개의 표적 유전자는 국내외 유전적 집단 구조 비교에 활용할 수 있으며 대발생 풀무치의 대발생 원인을 분석하는데 기여할 수 있을 것이다.
An outbreak of the migratory locust, Locusta migratoria, in the environment-friendly reclaimed plantations of forage crops in Sanyimyeon, Haenam-gun, Jellanam-do, Korea in August 2014 caused severe damages to various crops. Owing to its first occurrence in the Korean history, the causes underlying t...
An outbreak of the migratory locust, Locusta migratoria, in the environment-friendly reclaimed plantations of forage crops in Sanyimyeon, Haenam-gun, Jellanam-do, Korea in August 2014 caused severe damages to various crops. Owing to its first occurrence in the Korean history, the causes underlying the outbreak and phase-transition of the migratory locust were not known. It is critical to establish the genetic relationship of the migratory locust in Sanyimyeon, Haenam-gun with the other previously reported strains in the world in order to understand the mechanisms responsible for its outbreak. The gene sequences of the 16S ribosomal RNA (rRNA) and displacement-loop (D-loop) of the mitochondria of various regional species of the migratory locust were used to perform the phylogenetic analysis. Our results suggested that the migratory locusts in Sanyimyeon, Haenam-gun are closely related with the Eurasian strains of the northern lineage. In future, these two mitochondrial genes can be used for elucidating the genetic population structures in migratory locusts in various regions. In addition, the sequence information of these genes can be used to enhance our understanding of the genetic basis of the outbreak of migratory locusts.
An outbreak of the migratory locust, Locusta migratoria, in the environment-friendly reclaimed plantations of forage crops in Sanyimyeon, Haenam-gun, Jellanam-do, Korea in August 2014 caused severe damages to various crops. Owing to its first occurrence in the Korean history, the causes underlying the outbreak and phase-transition of the migratory locust were not known. It is critical to establish the genetic relationship of the migratory locust in Sanyimyeon, Haenam-gun with the other previously reported strains in the world in order to understand the mechanisms responsible for its outbreak. The gene sequences of the 16S ribosomal RNA (rRNA) and displacement-loop (D-loop) of the mitochondria of various regional species of the migratory locust were used to perform the phylogenetic analysis. Our results suggested that the migratory locusts in Sanyimyeon, Haenam-gun are closely related with the Eurasian strains of the northern lineage. In future, these two mitochondrial genes can be used for elucidating the genetic population structures in migratory locusts in various regions. In addition, the sequence information of these genes can be used to enhance our understanding of the genetic basis of the outbreak of migratory locusts.
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문제 정의
해남군에서 풀무치가 대량으로 발생을 하고 단독 형에서 군집 형으로 변화된 전이 기전을 밝혀내기 위해서는 우선 해남지역에서 대량 발생한 풀무치에 대한 계통분석이 필요하다. 이에 본 연구팀은 해남지역에서 채집된 풀무치와 다른 지역 계통간의 계통학적인 연관성을 분석하기 위하여 마이토콘드리아에 존재하는 유전자들에 대한 분석을 수행하였다. GenBank에 등록된 다양한 지역계통의 풀무치들의 16S ribosomal RNA (16S rRNA)와 displacement-loop (D-loop) 염기서열을 이용하여 비교 분석을 수행하였다.
가설 설정
현재 제안되고 있는 대량 발생에 대한 가설을 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나의 가설은 해외에서 대량으로 풀무치가 유입이 되어 대량 발생이 일어 났다는 가설과 다른 하나는 토착종이 기후변화에 따라서 대 발생을 하였다는 가설이다. 이러한 가설들의 검증은 해남군 산이면에서 발생한 풀무치의 유전계통을 명확하게 알아냄으로 수행할 수 있다.
제안 방법
이에 본 연구팀은 해남지역에서 채집된 풀무치와 다른 지역 계통간의 계통학적인 연관성을 분석하기 위하여 마이토콘드리아에 존재하는 유전자들에 대한 분석을 수행하였다. GenBank에 등록된 다양한 지역계통의 풀무치들의 16S ribosomal RNA (16S rRNA)와 displacement-loop (D-loop) 염기서열을 이용하여 비교 분석을 수행하였다. 그 결과 해남에서 발생한 풀무치는 북방계통 중 유라이사 대륙지역형과 가장 유연관계가 높음을 밝혀냈다.
기존에 밝혀진 다양한 종류의 풀무치의 마이토콘드리아 유전체 DNA 서열을 NCBI에서 확보한 후, CLC sequence view 7.7 (Qiagen, Aarhus, Denmark)를 이용하여 서열을 비교하였다. 비교된 서열을 이용하여 16S ribosomal RNA (16S rRNA) 와 D-loop (Fig.
풀무치의 마이토콘드리아 유전체 DNA를 포함하는 전체 유전체 DNA는 Qiagen DNeasy Blood & Tissue genomic DNA extraction kit (Qiagen, Venlo, Netherlands)를 사용하여 제조사의 방법에 따라서 추출을 하였다. 풀무치의 뒷다리를 잘라내서 lysis 용액을 이용하여 균질화 시킨 후, proteinase K를 추가하고, 56℃에서 10분간 가열을 한다.
해남군 산이면에서 대 발생한 풀무치의 유전학적인 연관성을 다양한 지역 형에서 보고된 유전자 서열들과 비교를 하였다 (Fig. 2).
대상 데이터
2015년 9월에 전라남도 해남군 산이면 간척지에서 풀무치 (Locusta migratoria)를 채집하여 분석에 사용을 하였다.
L. migratoria migratoria의 마이토콘드리아 유전체 서열 (GenBank accession No. EU287446.1)를 NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)에서 획득을 하여 OrganellGenomeDRAW (http://ogdraw.mpimp-golm.mpg.de/) (Lohse et al., 2013)를 이용하여 마이토콘드리아 유전체 지도를 그렸다(Fig. 1).
풀무치의 mitochondria 유전자를 이용하여 2014년도 해남군 산이면에서 대량 발생한 풀무치의 유전형과 다른 지역 풀무치계통과의 유전지리학적인 연관성을 확인하기 위하여 대량 발생지역에서 2015년도 9월에 채집을 수행하였다. 2014년도의 방제의 성공으로 풀무치의 발생빈도는 높지 않았지만, 대 발생 지역 주위에서 발생이 확인되었고, 채집도 가능하였다.
이론/모형
총 64개의 풀무치의 16S rRNA RNA 서열과 총 65개의 D-loop 염기서열을 NCBI에서 확보하여 비교를 하였다. 16S rRNA 와 D-loop 분석을 위한 out-group에 속하는 종은 Schistocerca gregaria gregaria를 이용하여 분석을 수행하였다. 본 분석에 사용된 GenBank accession number는 Fig.
2와 3에 표기를 하였다. 계통분석결과는 CLC sequence viewer 7.7이 가지는 분석방법 중에서 Neighbor Joining방법을 이용하였는데, 염기서열간의 거리는 Kimura 80방법으로 계산을 하였다. Bootstrap분석은 1000번 반복하여 수행을 한 후 circular cladogram으로 결과를 표시하였다.
성능/효과
마이토콘드리아 16S rRNA의 비교결과에서 유전적이 연관성이 높았던 Turp Jinj China계통은 이 번 분석에서는 다른 clade에 존재를 하고 있었다. 16S rRNA와 D-loop의 유전적인 연관성 분석결과는 해남군 산이면에서 대량 발생한 풀무치의 경우, 북방계통 유라시아 대륙계통임을 일관성 있게 보여 주고 있다.
L. migartoria migratoria은 서 중앙아시아와 동부유럽에서 주로 발견 되는 지역계통이고, Turf, Xinj, China계통은 아프리카에서 퍼져 나온 두 가지 계통 중의 북방계통의 유라시아 대륙 형으로 분류 (Ma et al., 2012)가 되므로, 해남 산이면 개체군도 북방계통의 유라시아 대륙 형일 가능성을 보여주고 있다.
해남 산이면 채집 풀무치의 D-loop 염기서열을 이용하여 phylogenetic 분석을 수행한 결과 가장 유전적을 비슷한 D-loop는 L. migratory tibetensis의 것으로 밝혀졌다(Fig. 3).
GenBank에 등록된 다양한 지역계통의 풀무치들의 16S ribosomal RNA (16S rRNA)와 displacement-loop (D-loop) 염기서열을 이용하여 비교 분석을 수행하였다. 그 결과 해남에서 발생한 풀무치는 북방계통 중 유라이사 대륙지역형과 가장 유연관계가 높음을 밝혀냈다.
이러한 가설들의 검증은 해남군 산이면에서 발생한 풀무치의 유전계통을 명확하게 알아냄으로 수행할 수 있다. 그러므로 본 연구의 가장 중요한 기여는 해남군 산이면에서 대량으로 발생한 풀무치는 16S rRNA와 D-loop의 염기서열비교 분석 방법을 개발한 것이고 분석결과 해남군 산이면 풀무치는 북방계통 중 유라시아 대륙형(Fig. 2와 3)일 가능성을 밝혀낸 것이다.
, 2012). 풀무치의 유럽지역에서의 발생은 최근에 들어서 상당히 줄어들었지만, 아프리카, 아시아, 오스트레일리아와 뉴질랜드에서 높은 빈도로 대발생을 하고 있다. 이러한 넓은 발생범위 때문에 풀무치의 지역별 아종들이 존재할 거라는 보고가 있다(Chapuis et al.
후속연구
kr/locgovNews/829703). 그러므로, 메뚜기류들의 대 발생에 따른 추가 피해를 방지하기 위해서는 전국의 친환경 재배지에서 메뚜기류 발생에 대한 지속적인 예찰 활동이 필요할 것이다.
2016년도에는 벼메뚜기가 경상북도 예천과 충청남도 부여 지역에서 조기에 출현을 하여 초기 생육단계에 있는 벼입을 가해하는 피해를 입혔음이 보고되었다. 그러므로, 풀무치의 대량 발생을 가져온 환경변화는 단지 한 종의 메뚜기목 해충의 대량 발생이 아니라, 한국에서 발생하는 다른 메뚜기류들의 대발생도 유도할 수 있는 가능성이 있으므로 향후 온도와 강우변화에 따른 발생 변화에 관련한 정밀한 연구가 필요하다.
migratoria tibetensis의 경우는 현재까지 알려진 가장 심각한 피해를 입히는 메뚜기과 해충으로 보고된바 있다(Chen and Zhang, 1999). 그러므로, 향 후 해남군 산이면의 풀무치와 우리나라의 다른 지역의 풀무치의 마이콘드리아에 존재하는 다양한 유전자나 전체 유전체에 대한 분석을 완료한다면 풀무치의 유래, 대발생 기전 및 전이기전의 이해에 도움을 줄 것으로 생각이 된다.
, 2008). 최근의 아프리카, 유럽, 아시아, 오세아니아 지역에서 채집된 풀무치의 마이토콘드리아 유전체에 대한 연구결과는 아프리카에서 기원한 풀무치가 유럽대륙을 거쳐서 러시아와 중국북구지역을 거쳐서 일본으로 퍼져 나온 북방계통과 아프리카와 인도와 동남아시아와 오세아니아와 중국의 남부지역으로 퍼져나간 남방계통으로 나뉜다는 보고가 있지만(Ma et al., 2012), 모든 연구자가 동의할 수 있는 집단간의 생식가능성 연구 또는 화석에 대한 연구 등이 이루어지지는 않았거나 불가능하여 향후 추가연구가 필요한 실정이다.
2와 3)일 가능성을 밝혀낸 것이다. 해남군 산이면 풀무치의 16S rRNA의 염기서열이 비록 다른 지역계통과 매우 높은 상동성을 보이는 경우도 있지만, 100% 일치하지는 않고 있고, 특히 D-loop 염기서열은 커다란 차이점을 보이고 있으므로, 첫 번째 가설인 해외 유입설 보다는 국내 기후 변화에 따른 대량 발생설이 더 합당한 설명으로 사료되지만, 본 연구에서 사용된 개체수가 한정이 되어있고, 채집 지역도 해남군 산이면 한 곳이라서 정확한 결론을 위해서는 향 후 추가 연구가 필요한 실정이다.
해남군에서 풀무치가 대량으로 발생을 하고 단독 형에서 군집 형으로 변화된 전이 기전을 밝혀내기 위해서는 우선 해남지역에서 대량 발생한 풀무치에 대한 계통분석이 필요하다. 이에 본 연구팀은 해남지역에서 채집된 풀무치와 다른 지역 계통간의 계통학적인 연관성을 분석하기 위하여 마이토콘드리아에 존재하는 유전자들에 대한 분석을 수행하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
풀무치의 특징은 무엇인가?
풀무치(Locusta migratoria)는 Locusta속에 포함된 단 하나의 종으로 전 세계적으로 넓은 지역에 분포를 하고 있다(Ma et al., 2012).
풀무치가 주요한 식량작물의 해충이 되는 이유는 무엇인가?
, 2015). 낮은 밀도에서는 상대적으로 위해성이 낮은 단독 형으로 존재를 하는 풀무치는 밀도가 높아져서 먹이의 부족이 나타나게 되면 군집 형으로 변화하게 된다. 군집 형 풀무치의 경우는 단독 형에 비하여 머리의 저작기구가 커지고 전체적인 충체의 크기도 커지면서 군집으로 이동을 하면서 이동경로에 있는 작물들을 초토화 시켜서 식생을 파괴하는 것으로 알려져 있다 (Yamagishi and Tanake, 2009; Ernst et al., 2015).
풀무치의 마이토콘드리아는 어떻게 구성되는가?
풀무치의 마이토콘드리아에는 총 18개의 transfer RNA (tRNA) 들과 4개의 codons recognized들과 7개의 NADH dehydrogenase (ND)들과 3개의 Cytochrome C oxidase (COX)들과 한 개의 Cytochrome B oxidase (CYTB)과 두 개의 마이토콘드리아의 ribosomal RNA들과 D-loop로 구성이 되어져 있다(Fig. 1).
참고문헌 (12)
Chapuis, M.-P., Lecoq, M., Michalakis, Y., Loiseau, A., Sword, G.A., Piry, S., Estoup, A., 2008. Do outbreaks affect genetic population structure? A worldwide survey in Locusta migratoria, a pest plagued by microsatellite null alleles. Mol. Ecol. 17, 3640-3653.
Chen, Y.L., Zhang, D.E., 1999. Historical evidence for population dynamics of Tibetan migratory locust and the forecast of its outbreak. Insect Science 6, 135-145.
Ernst, U.R., Van Hiel, M.B., Depuydt, G., Boerjan, B., De Loof, A., Schoofs, L., 2015. Epigenetics and locust life phase transitions. J. Exp. Biol. 218, 88-99.
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Kim, G.H., Lee, G.S., Seo, B.Y., Jeong, I.Hl, Lee, S.K., Kim, Y.P., 2014. Discussion in the mechanisms underlying out-break of Locusta migratoria at Haenam, Jeollanam-do, Proc. Korean Society Appl. Entomol. 2014 Autumn Conference 2014, 277.
Kim, K.I., Yang, Y.H., Lee, S.S., Park, C., Ma, R., Bouzat, J.L., Lewin, H.A., 1999. Phylogenetic relationships of Cheju horses to other horse breeds as determined by mtDNA D-loop sequence polymorphism. Anim. Genet. 30, 102-108.
Lohse, M., Drechsel, O., Kahlau, S., Bock, R., 2013. Organellar GenomeDRAW-a suite of tools for generating physical maps of plastid and mitochondrial genomes and visualizing expression data sets. Nucleic Acids Res. 41, W575-W581.
Yamagishi, M., Tanake, S., 2009. Overwintering biology and morphological characteristics of the migratory locust, Locusta migratoria after outbreaks on Iheya Island, Japan. Appl. Entomol. Zool. 44, 165-174.
Zhang, D.X., Szymura, J.M., Hewitt, G.M., 1995. Evolution and structural conservation of the control region of insect mitochondrial DNA. J. Mol. Evol. 40, 382-391.
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