서 론
현대생명공학기술을 이용한 형질전환 작물 (Living genetically Modified Organism; LMO)는 여러 기능을 기반으로 인류가 직면한 어려운 문제들 (식량문제, 환경문제, 에너지문 제, 자원문제, 의료문제 등)을 해결할 수 있는 수단으로 주목 되고 있다. 이러한 LMO의 잠재적인 가치에도 불구하고 연 구 및 개발 초기부터 유전자의 인위적인 조작에 따른 안전 성의 불신 등 사회적 의심이 지속적으로 제기되어 왔다 (Noh 2014). LMO의 개발과 이용 확대에 있어 대상 생태계에 미 치는 영향과 위해성 평가는 필수적이다 (Frewer et al. 2004).
생물다양성은 생물의 종류가 얼마나 다양한지 의미한다 (CBD 1992; Morrell 1999). 생물다양성을 이루는 생물 종은 생태계의 기본 단위일 뿐만 아니라 인간과 생태계의 생명 을 유지하는 필수적인 자원이다. 생물다양성은 특정생태계 에서 종의 수나 형태 및 분포 등의 종 상호간 관계를 의미하 는 종 다양성 (species diversity)과 유전정보의 다양성을 의 미하는 유전자 다양성 (gene diversity), 서식지 내에서 서로 경쟁 혹은 공생하고 먹이사슬을 이루는 생태적 기능을 의미 하는 생태계 다양성 (ecosystem diversity)으로 나뉜다 (Kwon et al. 2006). 지구상의 생물은 약 40억 년의 역사를 통해 다 양한 환경에 적응하고 진화한 결과 미지의 생물체를 포함하 여 약 1,000만 내지 3,000만 종으로 추정되는 다양한 생물이 존재하게 되었다 (Gaston and Spicer 2004; ESK 2013). 생태 계 먹이사슬의 아래에서 생태계의 특성을 대변하는 위치를 차지하는 곤충 종 구성변화는 장기적인 생태계 변화를 파악 함에 있어 중요한 인자이다 (Rosenberg et al. 1986; Gullan and Cranston 2005). 따라서 대상 생태계 곤충 종 비교는 생 태계 환경위해성 평가의 시작이며, 더 진전하여 비표적 곤충 종과 관련된 연구가 필요하다 (Poppy 2000, 2004; Dale et al. 2002; Romeis et al. 2008).
다양한 종으로 이루어진 곤충 집단의 특징 및 특성은 구 성 종의 정량적 군집분석으로 가능하다. 군집분석이란 비슷 한 특성을 가진 집단을 확인하기 위해 시도하는 통계적 분 석기법이다. 조사 지점별로 정량적인 채집자료를 사용한다. 그리고 각 채집위치별 생태계의 특징 및 특성을 살필 수 있 다 (Bae et al. 2004; Jung et al. 2008; Lee et al. 2009; Ahn 2013).
국내에서 형질전환 벼와 비변형 벼의 곤충상 조사와 관련 한 연구에서 Bae et al. (2012)은 Protox 저해 제초제 내성 형 질전환 벼와 일반 벼의 곤충상을 육안으로 확인한 결과 차 이가 없다고 하였다. 일반적인 곤충상 조사는 육안조사와 더 불어 트랩 (유아등 트랩, 끈끈이 트랩, 페로몬 트랩)과 포충망 으로 이루어지고 (Borror et al. 1989; Kim et al. 2012), 각 조 사방법에 따른 장단점의 파악은 지역별 형질전환 벼와 일반 벼의 곤충상 차이를 위한 표준 조사 방법을 제시함에 있어 필수적이다.
본 연구는 5년 동안 형질전환 벼와 비변형 벼 재배지의 곤 충상을 채집 및 조사한 뒤 분류 및 동정 과정을 거쳐 자료를 획득하고 형질전환 벼와 비변형 벼 사이 곤충상 군집분석 결과를 통해 서로 비교하는 것이다.
재료 및 방 법
1. 조사지역과 조사시기
조사지역은 경상남도 사천시 용현면 선진리에 위치한 경상 대학교 LMO 격리포장내 형질전환 벼 재배지 (35°02ʹ39.94ʺN 128°03ʹ29.45ʺE)와 경상남도 사천시 사천읍 두량리에 위치한 비변형 재배 벼 재배지 (두량1, 35°06ʹ32.53ʺN 128°07ʹ09.62ʺ E; 두량2, 35°06ʹ27.67ʺN 128°07ʹ17.16ʺE)에서 수행하였고, 경상북도 군위군 화계리 경북대학교 LMO 격리포장내 형질 전환 벼 재배지 (36°06ʹ46.06ʺN 128°38ʹ25.61ʺE)와 주변 비 변형 벼 재배지 (화계1, 36°06ʹ55.45ʺN 128°38ʹ18.00ʺE; 화계 2, 36°06ʹ56.20ʺN 128°38ʹ07.37ʺE)에서 수행하였다. 사천시 의 조사시기는 2013년부터 2017년까지 매년 7월 말에서 10 월 초까지 2주에 한번씩 조사하였고, 군위군의 조사시기는 2015년부터 2016년까지 매년 7월 말에서 10월 초까지 2주 에 한번씩 조사하였다.
2. 조사방법
곤충상 조사는 벼를 직접 가해하며 빈번하게 발생하는 주요 해충을 포함한 모든 곤충을 채집하여 조사하였다. 곤 충상 조사는 직접관찰방법과 유인관찰방법으로 나뉜다. 직 접관찰방법은 포충망을 이용한 포충망조사 방법, Breeding case (직경 9.3 cm, 뚜껑에 망이 있어 공기가 통하는 원형 케 이스)를 이용한 육안조사 방법을 실시하였고, 유인관찰방법 은 유아등 트랩을 이용한 방법, 끈끈이 트랩을 이용한 방법 을 실시하여 총 4가지 방법으로 실시하였다. 포충망조사는 직경 50 cm의 포충망을 이용하여 각 실험 포장 내 지정된 3 개의 구역을 각 왕복 25회씩 휘둘러 채집하였고, 육안조사는 Breeding case를 가지고 실험 포장 내에서 일정시간동안 채 집하였다. 유아등 트랩 (낮에 태양광으로 충전하여 밤에 해충 유인램프로 유인하여 팬을 이용하여 저속 고풍량 흡입으로 채집, 에코솔라텍)은 각 실험 포장 당 1기씩 설치하였고, 채 집 후 수거 시기가 늦어지면 나방류의 인편이 떨어져 종 분 류가 불가하여 설치 후 1일 간격으로 수거하였다. 끈끈이 트 랩 (15×25 cm, 단면, 그린아그로텍)은 단면 끈끈이 트랩을 서로 마주보게 하여 각 실험 포장 당 2개 설치하였다.
곤충의 종 분류는 국가생물종지식정보시스템 (KNA 2012) 을 이용하였고, 도감으로는 한국의 잠자리 (Jung 2012), 한국 의 밤 곤충도감 (Baek 2012), 딱정벌레 도감 (Son 2009), 노린 재 도감 (Ahn 2010) 등을 참고하였다.
3. 조사된 곤충상 군집분석
각 실험포장 당 채집된 곤충에 대하여 우점도 지수 (dominance index; DI), 다양도 지수 (diversity index; Hʹ), 풍부도 지수 (richness index; RI) 및 균등도 지수 (evenness index; EI) 를 계산하였다.
우점도 지수는 (DI)는 비교 대상들 간의 우점 정도를 나타 내는 지표로, 지수는 0~1의 숫자로 표현된다. 1에 가깝게 클 수록 군집내 모든 개체수 중 몇 종의 개체수가 높다는 의미 이며, 1인 경우 군집내 종수나 개체수가 한 종으로 구성된 다는 의미이다. 다음 식 1의 우점도 지수 (DI, McNaughton’s dominance index) (McNaughton 1967)를 산출하였다.(1)
여기서 n1은 가장 많은 개체가 채집된 종 (우점종)의 개체 수, n2는 두 번째로 많은 개체가 채집된 종 (아우점종)의 개체 수이고, N은 채집된 총 개체수이다 (McNaughton 1967).
다양도 지수 (Hʹ)는 한 군집 내에서 종과 개체수의 관계를 나타낸 것으로 종풍부도와 균등도를 동시에 나타내는 척도 이며, 지수가 높을수록 군집내의 다양도가 높다. Margalef (1958)의 Shannon-Wiener function (Hʹ)을 Lloyd and Ghelardi (1964)가 변형한 식 2를 이용하였다 (Pielou 1969).(2)
여기서 ni는 채집된 개체들 중 i종의 개체수이고 N은 채집 된 총 개체수이다 (Pielou 1969).
풍부도 지수 (RI)는 총 개체수와 총 종수를 사용하여 군집 의 상태를 표현하는 지수로서 값이 높을수록 종 구성이 균형 을 이루고 환경상태가 양호하다는 것을 의미한다. Margalef (1958)의 지수인 식 3을 이용하였다.(3)
여기서 S는 채집된 전체 종수이고 N은 채집된 총 개체수 이다 (Margalef 1958).
균등도 지수 (EI)는 군집 내 종 구성의 균일한 정도를 나타 내는 지수로 각 지수의 최대치에 대한 실제치의 비로 표현 한다. 군집 내 모든 종의 개체수가 동일할 때 최대치, 즉 1이 된다. Pielou (1975)의 식 4를 이용하였다.(4)
여기서 Hʹ은 식 2에 계산된 다양도 지수이며 S는 채집된 전체 종수이다 (Pielou 1975).
유사도 지수 (Sørensen’s QS; SI)는 조사 지역 간의 동질성 정도를 수치화 한 값으로 출현 종을 근거로 두 지역 간의 유 사성을 나타낸다. 0~1의 숫자로 표시되며 %로 나타낼 때는 1 이 100%를 의미하고 1에 가까울수록 두 지역 간의 유사도가 높음을 의미한다. Sørensen (1948)이 제시한 식 5를 이용하였다.(5)
여기서 Sij는 i지점과 j지점에서 공통으로 채집된 종 수이고 Si는 i지점에서 채집된 총 종 수, Sj는 j지점에서 채집된 총 종 수이다 (Sørensen 1948).
결과 및 고 찰
1. 곤충 종 발생 양상
경상남도 사천시에서 2013~2017년 5년 동안 총 15목 123 과 464종 37,941개체가 채집되었다. 그 중 2016년에 214종 으로 가장 다양하게 채집되었고, LMO에서 99종으로 다양 하게 채집되었다. LMO 포장이 다른 두 포장에 비해 크기가 작지만 비슷하게 종수가 채집된 것으로 보아 LMO 포장이 다른 포장에 비해 종이 풍부하다고 볼 수 있다 (Table 1). 5년 동안 딱정벌레목, 파리목, 노린재목 순으로 우점하였다. 그 중 딱정벌레목이 전체 개체 중 66.46%를 차지하였다. 직접 관찰방법에서는 노린재목, 잠자리목, 파리목 순으로 우점하 였고, 그 중 노린재목이 전체 개체 중 40.8%를 차지하였고, 잠자리목이 22.3%를 차지하여 두 목이 62% 이상 차지하였 다. 유인관찰방법에서는 딱정벌레목, 파리목, 날도래목 순으 로 우점하였고, 그 중 딱정벌레목이 전체 개체 중 72.55%를 차지하였다. Moon (2015)의 LM벼 포장에서 포충망 조사 및 Suction trap 결과를 보면 노린재목의 멸구과, 매미충과, 노린 재과, 나비목의 명나방과, 메뚜기목의 메뚜기과, 딱정벌레목 의 바구미과가 발생하였으며, 이는 직접관찰방법의 우점목 과 유사함을 보인다. 하지만 Moon (2015)의 LM벼 포장과의 차이은 전라북도 익산시의 농촌진흥청 국립식량과학원 벼맥 류부 격리포장과 경상남도 사천시의 경상대학교 격리포장과 의 지역적 차이로 사료된다 (Table 2). 지난 5년간 딱정벌레 목, 파리목, 노린재목, 날도래목이 주요 우점목으로 채집되었 다. 각 연도별로 우점목을 비교한 결과 2013, 2014, 2017년 에는 딱정벌레목이 우점하였고, 2015, 2016년에는 파리목이 우점하였다. 딱정벌레목은 지난 5년 동안 상위 우점목에 항 상 포함되었다 (Table 3).
경상북도 군위군에서 2015~2016년 2년 동안 총 13목 111 과 366종 10,030개체가 채집되었다. 그 중 2015년에 228종 으로 가장 다양하게 채집되었다 (Table 4). 2년 동안 딱정벌 레목, 파리목, 날도래목 순으로 우점하였다. 그 중 딱정벌레 목이 전체 개체 중 29.91%를 차지하였고, 파리목이 25.23% 를 차지하여 두 목이 전체 개체의 50% 이상 차지하였다. 직 접관찰방법에서는 메뚜기목, 노린재목, 잠자리목 순으로 우 점 하였다. 그 중 메뚜기목이 전체 개체 중 41.77%를 차지하 였고, 노린재목이 24.42%를 차지하여 두 목이 전체 개체의 65% 이상 차지하였다. 유인관찰방법에서는 딱정벌레목, 파 리목, 날도래목 순으로 우점하였다. 그 중 딱정벌레목이 전 체 개체 중 34.93%를 차지하였고, 파리목이 28.51%를 차지 하여 두 목이 전체 개체의 60% 이상 차지하였다. Kim et al. (2010)의 결과 경상북도 군위군 경북대학교 격리포장에서 엔진식 흡충기를 이용하여 노린재목의 멸구류, 매미충류, 진 딧물류, 노린재류, 나비목의 나방류, 딱정벌레목의 바구미류, 총채벌레목의 총채벌레류를 채집하였다. 조사방법의 차이가 있지만, 노린재목이 우점하는 유사한 결과를 나타냈다 (Table 5). 지난 2년간 딱정벌레목, 날도래목, 파리목, 노린재목, 하 루살이목, 나비목이 주요 우점목으로 채집되었다. 각 연도별 로 우점목을 비교한 결과 2015년에는 딱정벌레목이 우점하 였고, 2016년에는 파리목이 우점하였다. 하지만 2015, 2016 년 둘다 상위 우점종이 딱정벌레목, 날도래목, 파리목이여서 큰 차이는 없다 (Table 6).
2013~2017년까지 총 5년 동안 조사된 모든 곤충은 각 년 도별로 비교하여, 부록에 따로 정리하였다 (Appendix 1, 2).
2. 곤충상 군집분석
표본추출방법에 따른 군집분석 결과는 경상남도 사천시와 경상북도 군위군을 나누어 정리하였다. 경상남도 사천시의 5 년간의 군집분석 결과로 우점도 지수를 비교해본 결과 2013 년에 LMO, 두량1, 두량2에서 각각 0.90, 0.98, 0.95로 다른 해에 비해 높게 나타났다. 이 결과는 2013년에 단일종이 많 이 채집된 것으로 사료된다. 다양도 지수를 비교해본 결과 2015년에 LMO, 두량1, 두량2에서 각각 3.74, 4.12, 3.93으로 다른 해에 비해 높게 나타났다. 이 결과는 2015년이 다른 해 에 비해 다양하게 종이 채집된 것으로 사료된다. 균등도 지 수를 비교해본 결과 2015년에 LMO, 두량1, 두량2에서 각각 0.74, 0.78, 0.74로 다른 해에 비해 높게 나타났다. 이 결과는 2015년이 다른 해에 비해 종들의 개체수가 비슷한 것으로 사료된다. 풍부도 지수를 비교해본 결과 2015년에 LMO, 두 량1, 두량2에서 각각 20.86, 27.91, 28.72로 다른 해에 비해 높게 나타났다. 이 결과는 2015년이 다른 해에 비해 종 구성 이 균형을 이루고 있는 것으로 사료된다 (Table 7). 유사도 지 수를 비교해본 결과 2014년에 LMO와 두량1, LMO와 두량 2, 두량1과 두량2의 지수가 각각 0.60, 0.55, 0.59로 다른 해 에 비해 높게 나타났다. 이 결과는 각각의 두 지역 간의 유사 도가 높다는 것으로 채집된 종 중 동일 종이 많은 것으로 사 료된다 (Table 8).
경상북도 군위군의 2년간의 군집분석 결과로 우점도 지 수를 비교해본 결과 2016년에 LMO, 화계1, 화계2에서 각각 0.28, 0.48, 0.43으로 2015년에 비해 높게 나타났다. 이 결과 는 2016년의 지수가 사천시의 우점도 지수보다 낮지만, 군 위군의 다른 해의 우점도 지수보다 높아 단일종이 더 채집 된 것으로 사료된다. 다양도 지수를 비교해본 결과 2015년에 LMO, 화계1, 화계2에서 각각 4.18, 3.71, 4.02로 2016년에 비해 높게 나타났다. 이 결과는 2016년에 비해 포장에서 다 양한 종들이 채집된 것으로 사료된다. 균등도 지수를 비교해 본 결과 2015년에 LMO, 화계1, 화계2에서 각각 0.82, 0.72, 0.76으로 2016년에 비해 높게 나타났다. 이 결과는 2016년 에 비해 종들의 개체수가 비슷한 것으로 사료된다. 풍부도 지 수를 비교해본 결과 2015년에 LMO, 화계1, 화계2에서 각 각 24.35, 23.45, 27.41로 2016년에 비해 높게 나타났다. 이 결과는 2016년에 비해 종 구성이 균형을 이루고 있는 것으 로 사료된다 (Table 9). 유사도 지수를 비교해본 결과 2015년 에 LMO와 화계1, LMO와 화계2, 화계1과 화계2의 지수가 각각 0.40, 0.42, 0.48로 2016년에 비해 높게 나타났다. 이 결 과는 각각 두 지역 사이의 유사도 정도를 나타내는 것으로 2016년보다는 높지만 0.5를 넘지 못하는 것으로 보아 채집 된 종 중 동일종이 많다고는 할 수 없다 (Table 10).
사천시, 군위군과 Son et al. (2016)에서 구미시, 김제시, 부여군, 진주시의 논를 비교하면, 사천시와 군위군의 우점 도 지수는 각각 0.21~0.98, 0.21~0.48 다양도 지수는 각 각 0.30~4.12, 2.86~4.18 균등도 지수는 각각 0.08~0.78, 0.61~0.81 풍부도 지수는 각각 3.13~28.72, 13~27.41이며, Son et al. (2016)에서 우점도 지수 0.16~0.29, 다양도 지수 4.52~5.22, 균등도 지수 0.89~0.93, 풍부도 지수 6.64~9.76 으로 보였다. 우점도 지수와 풍부도 지수는 사천시와 군위군 이 비교적 높은 수준을 보였고, 다양도 지수와 균등도 지수 는 사천시와 군위군이 비교적 낮은 수준을 보였다. 이것으로 보아 사천시와 군위군는 다른 지역에 비해 몇몇 종의 우점 이 높은 것으로 사료된다.
Bae et al. (2012)는 격리포장 안에서 Protox 저해 제초제 내 성 LM 벼를 재배 후 일반 벼와 비교하여 발생하는 곤충상을 비교한 결과 LM 벼와 일반 벼 사이의 곤충상 차이가 각 지 역에의한 환경 차이로 인한 것으로 연구결과가 나타났고, 이 결과는 본 연구의 결과와 유사한 결과를 보인다. 이건 아직 외부로 환경방출이 일어나지 않은 것으로 사료된다.
본 연구결과는 경남 사천시의 5년, 경북 군위군의 2년 동안 직접관찰방법과 유인관찰방법을 이용하여 채집하였다. 전 체 채집된 개체수 중 유인관찰방법으로 채집된 개체수가 직 접관찰방법보다 압도적으로 높게 채집되었다. 하지만 직접 관찰방법에 비해 종 다양성이 떨어지는 결과를 보이며, 실험 포장에서 직접관찰방법을 이용하여 잡는 것은, 포장 내에 있 는 종을 대상으로 실시 가능한 것이고, 또한 유인관찰방법의 경우, 유인력에 의한 타종의 혼입가능성 및 몇몇 나방 인편 손실에 의한 종 분류 불가로 인하여 상대적으로 그 결과를 획득하기 힘들었다. 직접관찰방법과 유인관찰방법에서 채집 되는 곤충이 서로 다르기 때문에 두가지 방법을 지속적으로 진행하는 것이 유리하다. 다년간 LMO포장과 일반포장을 비 교해본 결과 매년 상위 주요 목은 우점 순서를 제외하면 거 의 같은 목이 나타나는 것을 보아 아직까지는 LMO포장과 일반포장의 차이가 뚜렷하게 나타나지 않았다고 사료된다. 그리고 LMO포장과 일반포장 사이의 유사도 지수와 일반포 장 사이의 유사도 지수가 차이가 없는 것으로 보아 LMO로 인한 차이가 아닌 환경에 의한 차이로 사료된다. 본 연구결 과는 형질전환 작물의 안전성을 확실히 평가할 수 없었지만, 이 결과를 기초로 하여 향후 지속적으로 형질전환 작물의 안전성 연구에 필히 도움이 될 것으로 사료된다.
적 요
형질전환 벼와 일반 벼의 환경위해성 평가 기초자료를 위 해 경상남도 사천시에서 2013~2017년, 경상북도 군위군에 서 2015~2016년 7월 말부터 10월 초까지 벼에 발생하는 곤 충상을 조사하고 군집특성을 분석하여 비교하였다. 사천시 에서 형질전환 벼는 경상대학교 LMO (Living genetically Modified Organism) 격리포장 내에서 재배되었고, 일반 벼는 경상남도 사천시 사천읍 두량리에서 재배되었다. 군위군에 서 형질전환 벼는 경북대학교 LMO 격리포장 내에서 재배 되었고, 일반 벼는 경상북도 군위군 효령면 화계리에서 재배 되었다. 채집방법으로 육안 조사, 포충망 조사, 유아등 트랩, 끈끈이 트랩을 이용하였다. 5년 동안 사천시에서 총 15목 123과 464종 37,941개체가 채집되었고, 2년 동안 군위군에 서 총 13목 111과 366종 10,030개체가 채집되었다. 다년간 LMO포장과 일반포장을 비교해본 결과 매년 상위 주요 목 은 우점 순서를 제외하면 거의 같은 목이 나타나는 것을 보 아 아직까지는 LMO포장과 일반포장의 차이가 뚜렷하게 나 타나지 않았다고 사료된다. 그리고 LMO포장과 일반포장 사 이의 유사도 지수와 일반포장 사이의 유사도 지수가 차이가 없는 것으로 보아 LMO로 인한 차이가 아닌 환경에 의한 차 이로 사료된다.