서론
가는털비름(Amaranthus patulus)은 비름속 일년생 하계잡초이다. 초장은 2m 이상으로 자랄 수 있으며, 이는 비름속 식물들 중에서도 큰 편이다(Oh et al., 2005; Won et al., 2012). 잎은 마름모형 난형이면서 뒷면에 털이 있고, 엽장이 14 cm, 엽폭이 7.6 cm 정도이다. 종자는 0.9-1.0 mm 정도로 작은 편이다. 원산지는 남아메리카인 것으로 알려져 있으며, 북미, 유럽, 아프리카, 호주 및 아시아 등 전 세계에 걸쳐 다양한 기후에 적응하여 분포하고 있다(Lee et al., 2018). 국내에서는 생태계 교란종으로 지정되어 있지는 않기 때문에 분포에 대한 연구는 전국 농경지 분포조사 결과에 의존하고 있으며, 2018년도 조사에 따르면 지역을 가리지 않고 전국 약 800개 이상의 지점에서 산림을 제외한 대부분의 지형에서 광범위하게 분포하고 있었다(Lee et al., 2019). 국내에는 청비름, 개비름, 가시비름, 털비름, 민털비름 및 긴털비름 등 12개의 비름속 식물이 분포하고 있으며 가는털비름과 긴털비름을 구별하지만(Park, 2009), 영국, 이탈리아, 이집트, 아르헨티나 등의 경우, 일반적으로 가는털비름을 긴털비름(A. hybridus)의 이명으로 처리하여 이 두 종을 구분하지 않는다(POWO, 2024). 우리나라에서는 외래잡초로 분류하고 있으며, Raunkiær의 생활형 기준 제 3기, 즉 1964년 이후에 유입된 것으로 추정되고 있다(Kim et al., 2018; Won et al., 2012).
가는털비름은 주로 콩 등 밭에서 경합과 빠른 확산으로 문제가 되고 있는 외래잡초이다. 생육 속도가 빠르고, 단일 개체가 공간을 크게 차지하기 때문에, 소수만 발생하여도 경합을 통해 작물 수량에 유의미한 영향을 준다(Won et al., 2012). 국내 친환경 고추밭에서 가는털비름이 1 m2 당 1개체의 밀도로만 발생하여도 수량이 27.4% 감소한 보고가 있으며(Won et al., 2012), 콩밭에서 1 m2 당 32본 출현 시 콩 수량이 98.5% 감소한 보고도 있었다(Lee et al., 2019). 뿐만 아니라, 자가수분과 타가수분이 모두 가능하고 종간교잡(Interspecific hybrid)이 가능하여, 유전자 이동 사례가 다수 보고되어 있을 정도로 유전자의 변이 및 이동이 활발한 특성을 가지고 있다(Franssen et al., 2001; Gaines et al., 2012; Wetzel et al., 1999). 이로 인해, 새로운 환경에 대하여 적응성이 뛰어나고, 서식 영역을 빠르게 확장하는 외래잡초의 전형적인 특성 또한 띄고 있다(Kim et al., 2018).
이러한 비름속 잡초의 특성은 격한 기후변화 상황과 맞물려 환경변화에 작물보다 더 빠르게 적응하게 하고, 제초제 저항성의 발생 위험을 높이므로 제초제 이외의 다양한 방제 방법이 절실하게 필요하다. 가는털비름의 방제를 위해서는 메톨라클로르, 알라클로르, 트리플루란린 등의 토양처리제나 벤타존, 글리포세이트포타슘, 트리클로피르티이에이, 브로목시닐 등의 경엽처리제가 효과적인 것으로 알려져 있지만(Lee et al., 2019; Hurst, 2000), 가는털비름을 위시한 비름속 식물은 환경 적응성이 높고, 유전적 다양성이 매우 높기 때문에 제초제 저항성 발생의 위험이 매우 높다고 할 수 있으며, 제초제에만 의존하는 것이 아닌 물리적, 생물학적, 재배학적 방법 등을 포함하는 종합적 방제 대책이 필요하다. 이를 위해서는 우리나라에 자생하는 가는털비름에 대한 생리·생태적 이해가 필수적이다.
분자마커는 유전적 다양성 분석, 선발육종, 종 구별, 유전체 지도 작성, 유전자 태깅, 계통분류 및 품종보호 등 다양한 용도로 널리 사용되고 있다. 기술의 발전과 더불어 분자마커를 사용한 연구결과는 신뢰도가 높으면서도 비용이 낮아 매우 효율적인 기술로 평가받고 있으며, 현대 생물학에서 필수 기술로 여겨지고 있다(Han et al., 2019; Hong et al., 2013). RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism), RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA), AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism), SSR (Simple Sequence Repeat), SNP (Single Nucleotide Polymorphism) 등 다양한 종류의 분자마커가 존재하며, 이 중 EST-SSR 마커는 EST (Expressed Sequence Tag)에서 유래한 SSR 마커로, 기존 SSR 마커의 특성인 낮은 비용, 낮은 DNA 퀄리티 요구도, 높은 다형성, 높은 정확성, 높은 자동화율 및 높은 재현성이 있을 뿐만 아니라, 일부 경우에는 마커 자체가 표현형과 높은 연관성을 보이기도 하여 효율성과 활용성이 매우 높은 것으로 알려져 있다(Agarwal et al., 2008; Bozhko et al., 2003; Feng et al., 2009; Grover and Sharma, 2016). 국내에서도 EST-SSR 마커를 이용하여 돼지풀의 국내 및 러시아 수집종 간 상호 연관성을 밝히기도 하였다(Huh and Kim, 2023). 본 연구에서는 이와 같이 EST-SSR 마커를 사용하여 국내 가는털비름 집단의 유전적 다양성을 확인하고 이를 해외 수집종과 비교함으로써 국내 집단의 유전적인 위치를 파악 및 분석하고 해외에서의 유입 경로를 확인하고자 하였다. 또한 외래잡초의 연구에 있어서 원산지 추적을 통해 생리·생태적 특성을 추정할 수 있는 것으로 알려져 있기 때문에(Lee et al., 2022) 이 연구를 통해 국내 가는털비름의 생리·생태적 특성을 파악하고 방제에 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
재료 및 방법
실험을 위해 국내 및 해외의 가는털비름의 분포자료를 조사하고 종자를 수집하였다. 수집지의 위치는 Fig. 1과 같았다. 국내 가는털비름의 경우 농촌진흥청 협동과제 데이터베이스, 국립생태원 생물위해종 조사 자료 및 국내 외래잡초 분포조사 자료 등을 근거로 하여 분포를 확인하였으며, 확인된 군락에서 서로 최소 1m 이상의 간격을 가지는 개체들을 대상으로 식물체 혹은 종자를 채집하였다. 해외 가는털비름의 경우 논문, 보고서 및 온라인 자료를 기반으로 원산지를 조사하고, 11개 국가의 13개 수집지의 종자를 미국 종자은행을 통해 확보하였다. 국내 10개 수집지(홍천, 이천, 용인, 예산, 제천, 안동, 대구, 완주, 순천, 제주)에서 각 지점 당 10개체씩의 가는털비름을 수집할 수 있었으며, 종자은행을 통해 해외 11개국(미국, 보츠와나, 에콰도르, 남아공, 멕시코, 짐바브웨, 스웨덴, 포르투갈, 과테말라, 네팔, 중국)의 13개 지점에서 유래한 가는털비름 종자를 확보하고 국내 생육을 통해 각 10개체씩을 수집하였다(Fig. 1). 수집한 식물체는 액체질소와 함께 막자사발에서 곱게 갈아 Dneasy plant mini kit (QIAGEN Inc., Germany)에서 제공되는 방법에 따라 DNA를 추출하였다.
유전적 다양성 검정을 위해 가는털비름에서 사용할 수 있는 EST-SSR 마커를 기 발표된 실험결과를 참고하여 선발하였다(Lee et al., 2008). Amaranthus hypochondriacus에서 다형성을 보이는 microsatellite 마커 12개 중, 총 9개의 마커를 선발하여 사용하였다(Table 1).
Template DNA 1 μL (10 ng μL-1), forward primer 0.6 μL (5 μM), reverse primer 0.6 μL (5 μM), 10x PCR buffer 1.25 μL, dNTPs 1.25 μL (2 mM) 및 F-Star Taq polymerase (Biofact Inc., Republic of Korea) 1.25 units를 혼합하여 총 12.5 μL의 PCR cocktail을 제조하였다. 이를 initial denaturation (95°C, 10 min) 1회, denaturation (95°C, 30 s), annealing (58°C, 30 s), extension (72°C, 1 min) 3단계의 과정을 30회 반복, final extension (68°C, 30 min) 1회로 PCR 하였다. 증폭 산물은 QIAxcel Advanced (QIAGEN Inc., Germany)를 이용하여 증폭 여부를 판단하고 대립유전자의 길이를 분석하였다. 대립유전자 길이의 차이를 이용하여 GenAlEx ver 6.501 (Peakall and Smouse, 2012) 소프트웨어로 각 분자마커의 주요대립유전자의 출현빈도(major allele frequency), 대립유전자 수(number of alleles), 유효 대립유전자 수(number of effective alleles), gene diversity (GD) 및 이형접합성(heterozygosity)을 분석하고 이 결과를 바탕으로 주좌표분석(principal coordinates analysis; PCoA) 및 F-statistics 분석을 진행하였다.
결과 및 고찰
국내·외 23개의 수집지 기준 집단에 대해 9개 분자마커의 다양성을 검정한 결과는 다음과 같았다(Table 2). 대립유전자의 수(No. of different allels)는 최소 1.5, 최대 6.8, 평균 2.7±0.13이었으며, 유효대립유전자 수(No. of effective alleles)는 최소 1.2, 최대 5.9, 평균 2.1±0.11이었다. 대립유전자 수 대비 유효대립유전자 수의 비율은 최소 70.4%에서 최대 86.8%로, 각 마커가 가는털비름에서 보이는 다양성이 높은 것으로 판단할 수 있었다. GB_AMM_137 마커의 경우, 대립유전자의 수와 유효대립유전자의 수가 모두 가장 컸으며, 대립유전자 수 대비 유효대립유전자 수 비율도 86.8%로 가장 높았다. 각 마커의 Shannon’s information index는 평균 0.7±0.04로 가능한 최대값이 1.36(집단의 수 23의 log 값)임을 고려하였을 때 중간에서 높음 정도의 다양성임을 확인할 수 있었다. 한편으로는 GM_AMM_032, GB_AMM_105, GB_AMM_129의 경우 이 값이 다소 낮아 유전적 변이가 마커 별 차이가 있음을 알 수 있었다. 다양성(Diversity) 값은 0.4±0.02이고, unbiased diversity도 각 마커 별 다양성과 비슷한 값을 보였다. 전반적으로 개별 마커들의 다양성 관련 지수가 적정 수준의 값을 보였으므로, 이 마커들은 가는털비름 집단의 유전적 다양성을 판단하는 데에 적합하였으며, 단독으로 사용하기보다는 여러 마커의 조합을 통해 집단 간의 유전적 다양성을 확인할 수 있을 것으로 예측되었다. 또한 근연종인 A. hypoachondriacus에서 이용했던 분자마커 중 대부분을 가는털비름의 유전적 다양성 판단에 사용할 수 있었다는 점에서 가는털비름의 유전적 및 생리·생태적 특성을 판단함에 있어 다른 비름 속 식물을 참조할 수 있을 것으로 사료되었다.
국내 수집된 가는털비름의 다양성 관련 지표를 이용해 주좌표분석(PCoA)을 진행한 결과는 그림과 같았다(Fig 2). 제 1주성분으로 가는털비름 집단의 다양성의 47.59%를, 제 2주성분으로 18.25%를 설명할 수 있었으며, 두 주성분을 함께 사용할 경우 65.84%까지 설명할 수 있었다. 10개의 수집지 중 이천, 대구, 순천, 안동, 용인, 완주, 제주, 홍천의 8개 지역의 수집종은 같은 그룹을 형성하였고, 반면에 예산과 제천은 이 그룹과는 거리가 있었다. 해외 집단의 경우 미국, 남아프리카, 멕시코 Michoacan의 4개 지역, 보츠와나, 에콰도르의 2개 지역, 짐바브웨, 스웨덴, 포르투갈, 과테말라의 4개 지역, 그리고 네팔과 중국 2개 지역이 각각 그룹을 형성하였다. 전반적으로는 물리적 거리가 가까운 지역끼리 그룹을 형성하는 경향성이 있었으나, Michoacan 수집종과 Puebla 수집종은 둘 다 멕시코 수집종임에도 유전적으로 멀리 떨어져 있는 결과를 보였다. 국내 수집종 중 제천 수집종의 경우 미국, 남아프리카, 멕시코 Michoacan 그룹에 더 가까운 모습을 보였고, 예산의 경우 제천과 국내 8개 지역 그룹의 중간 정도에 위치하였다. 결과를 종합하면, 국내 가는털비름은 미국 North Carolina나 Iowa에서 유입되었을 가능성이 높을 것으로 판단되었다. 제천 및 예산을 제외한 타 8개 지역의 경우 원산지로 추정되는 North Carolina와 Iowa와 유전적으로 독립된 그룹을 형성하였기에 이들은 국내에 유입된 이후 여러 세대를 거치면서 유전적으로 큰 변이가 일어났음을 알 수 있었다. 가는털비름은 자가수분, 타가수분 및 종 간 교잡까지 가능한 특성을 가지고 있기에 이러한 빠른 변화가 나타난 것으로 생각되며, 비교적 최근에 유입된 식물임에도 짧은 기간 내에 국내 생태 환경에 적응하여 토착화된 것으로 판단할 수 있었다.
이와 같은 빠른 환경 유전적 변이는 방제면에서도 난항을 겪게 하는 원인이 될 수도 있다. 미국의 North Carolina에서는 이미 긴이삭비름(A. palmeri)에서 글리포세이트와 티펜설퓨론에 대한 저항성이 보고되었으며(Poirier et al., 2014), 이와 마찬가지로 가는털비름을 포함한 국내 비름속 식물에서 제초제 저항성이 발생할 가능성이 높기 때문이다. 따라서 토착화가 빠른 가는털비름의 특성과 넓은 분포를 고려하여 집중 방제 체계보다는 환경이나 상황에 적절한 종합적 방제 체계가 필요할 것으로 사료된다. 재배학적으로 기온, 토양의 pH, 수분 조건 등이 가는털비름의 발아율에 영향을 주는 것으로 알려져 있으므로(Thomas et al., 2006), 작기 변경, 수분조건 조절 등 재배환경의 변화를 통해 발아 방지를 통한 방제가 가능할 것이다. 종자 생산량 조절을 통한 방제도 가능할 것으로 생각된다. 미국의 옥수수, 목화, 땅콩, 대두밭에서의 경합실험 결과 생육 기간을 3주 늦추었을 경우 긴이삭비름의 종자 생산량이 약 10분의 1로 크게 감소한 사례가 있기 때문에(Mahoney et al., 2021), 국내에서도 작물의 작기 변경을 통한 방제 방법이 가는털비름의 종자 생산량 감소에도 효과가 있을 것으로 판단된다. 생물학적 방제법 또한 한 가지 방법으로 제시될 수 있다. 유럽에서는 Alteria alternata와 Trematophoma lignicola 등의 균류를 이용하거나, 땅속토끼풀(Trifolium subterraneum)을 녹비 작물로 이용하여 작부체계와 결합시킴으로써 성공적으로 비름속 식물들을 방제하기도 하였다(Bürki et al., 2001; Ghorbani et al, 2000). 이와 같은 사례들과 비름속 식물들의 생리·생태적 특성들을 참고하여, 종합적 방제 체계의 일환으로 재배학적 및 생물학적 방제법 개발에 접근해야 할 것이다. 이를 위해 우리나라의 기후와 생태에 맞는 방법과 재료에 대한 연구가 필요할 것으로 판단되며, 우리나라 가는털비름의 빠른 환경적응성을 고려했을 때, 주기적이고 장기적인 가는털비름 서식지 및 생태형 모니터링이 필요할 것으로 사료된다.
요약
가는털비름(Amaranthus patulus)은 비름속 외래잡초로 환경에 대한 적응성이 빠르고 서식 영역의 확장이 빠른 특성을 지니고 있다. 이런 특성으로 인해 경합을 통해 주변의 생물군과 생태계를 급격하게 변화시키며 특히 작물과의 경합을 통해 심각한 농업적 피해를 입힌다. 제초제 중심의 화학적 방제는 가는털비름의 제초제 저항성 등으로 인해 방제의 한계를 보일 수 있다. 따라서 가는털비름의 종합적 방제 대책 구축이 필요하며, 가는털비름의 유전적 다양성을 파악하고 상호비교하여 방제를 위한 기초 자료로 사용하기 위해 본 연구를 수행하였다. 본 실험에서는 국내 10개 지점과 해외 11개국 13개 지점에서 수집된 가는털비름 수집종과 EST-SSR 마커 9종을 사용하여 유전적 다양성을 평가하였다. 그 결과 각 마커의 다양성이 평균 0.4 ± 0.02였으며, Shannon’s information index가 0.7 ± 0.04인 등 관련 지표가 모두 높은 것으로 나타나서 국내 가는털비름 집단의 유전적 다양성이 높은 것으로 판단되었다. 다양성 지표들을 이용한 PCoA분석 결과, 국내 10개 집단들 중 8개 집단이 해외 집단과는 명확하게 구분되어 그룹화되었으며, 제천 집단의 경우 미국, 멕시코 및 남아메리카를 포함한 그룹과 가까운 것으로 분석되었다. 따라서 국내 가는털비름의 경우, 미국에서 1960년대에 유입된 이후로 빠르게 국내에서 토착화된 것으로 추측할 수 있었다. 우리나라에서 자생하는 가는털비름의 유전적 및 생리·생태적 변화를 지속적으로 모니터링할 필요성이 매우 높으며, 이를 토대로 종합적 방제 대책을 수립해야 할 것으로 사료된다.
