초파리(Drosophila)는 성체 파리를 기생하는 최초로 보고된 기생말벌(parasitoid wasp)의 숙주입니다.
Abstract
기생충과 숙주 간의 진화적 갈등은 생명의 나무에서 관찰되는 가장 특화된 적응 중 일부를 이끄는 중요한 원동력입니다. 곤충들 중에서도 이러한 적응은 기생벌에서 나타나며, 기생벌은 살아 있는 숙주 내부 또는 외부에 알을 낳고 성장합니다. 이 논문에서는 초파리 성충을 기생하는 새로운 기생벌 종을 설명하고 있으며, 이는 이전에 보고된 적 없는 기생자-숙주 관계입니다. 모델 생물인 초파리의 자연 기생충에 대한 연구는 19세기 초부터 진행되어 왔습니다. 초파리를 기생하는 기생벌에 대한 최초 기록 이후 200여 년 동안 드로소필리드(Drosophilidae) 기생충에 속하는 거의 200여 종의 확인된 기생벌이 기록되었습니다. 이들에는 초파리 유충 내에 알을 낳는 피기티드(figitid) 및 브라코니드(braconid) 기생벌, 그리고 숙주 번데기를 공격하는 피터모리드(pteromalid), 디아프리이드(diapriid), 엔시리드(encyrtid) 기생벌이 포함됩니다. 이러한 오랜 역사와 풍부한 계통발생적 다양성에도 불구하고, 초파리 또는 기타 파리 성충을 공격하고 그 내부에서 발달하는 기생벌 종은 이전에 보고된 바 없습니다.
Figures
A Wasp living inside adult fruit flies was found
– 과일 날파리알에서 살고 있는 말벌이 새로 발견되었다.
Fig. 1. 성체 초파리(Drosophila)는 이전에 보고되지 않은 유포리네아과(Syntretus) 속의 새로운 종에 의해 기생됩니다.
유포리네과(Syntretus 속)의 기생 말벌에 대한 연구에서 핵 유전자(CAD, 18S rRNA, 28S rRNA)와 미토콘드리아 유전자(COI) 서열을 결합하여 계통도가 작성되었습니다. 이를 통해 S. perlmani의 유전자 서열이 Syntretus 속 내부에 높은 신뢰도로 그룹화되는 것을 확인했습니다. 분석은 자매 분류군인 Cenocoelius 및 Asiacentistes를 외군으로 포함하여 진행되었습니다. 또한, 계통도에는 Shimodaira–Hasegawa 유사 최대 우도 지지 값이 높은 가지(≥ 0.9)가 원형으로 표시되었으며, 숙주 분류군은 목(order)에 따라 색상으로 구분되었습니다.
숙주 곤충들의 이미지는 CC 라이선스와 같은 적절한 허가를 받아 사용되었으며, 숙주 곤충으로는 긴가슴꽃하늘소 유충, 남방녹색노린재, 소나무껍질벌레, 꿀벌, 개미 등 다양한 곤충이 포함되었습니다. 이를 통해 S. perlmani와 다양한 숙주 사이의 진화적 관계를 상세히 탐구하고, 기생 말벌의 숙주 특이성과 계통적 위치를 밝히는 데 기여했습니다.
[Fig 1] Syntretus xanthocephalus, S. splendidus, S. trigonaphagus, 및 S. szaboi는 각각 ichneumonid 기생벌, Bombus 벌, Tetragonula carbonaria 벌, 아시아 꿀벌인 Apis cerana를 숙주로 하는 기생벌로 알려져 있다. S. trigonaphagus의 COI 염기서열을 분석하고 A. cerana에서 기생된 벌의 염기서열을 매핑하여 종 간 관계를 확인하였다. S. perlmani는 호스트가 알려지지 않은 다른 종들과 연결되어 있으며, A. cerana에서의 기생벌은 Syntretus sp.로 표기된다. 이들 관계는 핵과 미토콘드리아 염기서열에서 확인되었으며, Euphorinae 하위 분류군은 단일계통으로 강하게 지지되었다. 또한, Myiocephalus boops와 같은 개미 기생벌이 Syntretus와 자매군으로 분류되어, Hymenoptera가 Syntretus에서 원래의 기생 host였음을 나타낸다. BOLD와 GenBank에서 Syntretus의 COI 염기서열을 분석한 결과, 2010년 아리조나에서 수집된 COI 염기서열과 92.7%의 유사성을 보였다. 이를 바탕으로, 새로운 Syntretus 종인 Syntretus perlmani로 명명하였다.
Infection frequency and life history of this wasps
– 이 새로운 말벌 종의 감염정도와 삶주기
-이 말벌의 알에서부터 기생해서 태어나는 법과 몸 형태를 알아보고자 하였다
Fig. 2. S. perlmani(새로운 기생말벌)의 생애주기.
(A) 말벌 애벌레는 숙주 초파리 내부에서 발달한다
(B) 말벌의 테라토사이트(teratocytes, 검은색 화살표)가 성장하여 초파리 복부 표피를 통해 관찰됩니다. 이로 인해 초파리의 고환(흰색 화살표) 관찰이 방해됩니다.
(C) 말벌 애벌레는 두 번째 유충 시기 이후 두낭(head capsule)과 꼬리 돌기(tail spike)를 잃으며, 마지막 유충 시기에는 숙주 초파리의 길이에 가까운 크기로 성장합니다.
(D) 번데기 발달은 유포리네 말벌에서 일반적으로 볼 수 있는 흰색 실크 고치 안에서 이루어집니다.
(E) 애벌레는 항상 숙주의 복부를 통해 배출되며, 이는 두 번째와 세 번째 복판(등쪽 측면) 사이 또는 복부 표피의 측면에서 찢어진 틈을 통해 이루어집니다.
(F) 성체 말벌(사진은 수컷)의 형태 길이는 약 1.5mm입니다.
[Fig. 2B] D. affinis 수컷이 감염된 모습. 기생벌 유충과 테라토사이트가 커져서 복부를 부풀게 하여 숙주의 고환을 가리고 있으며, 이를 통해 감염을 확인할 수 있다.
[Fig. 2C] 후기 유충 단계의 모습. 초기 유충은 두드러진 머리, mandibles(턱), 그리고 뾰족한 꼬리를 가지며, 후기 유충은 머리와 꼬리가 구분되지 않고 그루브처럼 변형된다.
[Fig. 2D] 완전히 형성된 유충 고치. 고치는 하얗고 불투명하게 보이며, 성충이 나타날 때까지 진행 중인 발달 과정을 보여준다.
[Fig. 2E] 유충이 숙주의 복부를 뚫고 나오는 모습. 유충은 일반적으로 복부 두 번째와 세 번째 체절 사이에서 배를 찢고 나오는 것을 관찰할 수 있다.
[Fig. 3F]성충 기생벌이 고치에서 나오는 모습. 성충은 고치에서 나와서 활동을 시작하며, 21°C에서 약 23.2 ± 1.4일 후에 성충이 고치에서 나오는 것이 확인된다.
Host range and distribution
– S. perlmani가 Drosophila melanogaster를 자연 숙주로 사용할 가능성과 더 넓은 지리적 분포를 조사하기 위해 in silico 접근법을 활용했습니다.
Fig. 3. S. perlmani의 지리적 위치, 생애주 및 산란결과
(A) S. perlmani의 생애 주기
(B) 유충 및 고치 단계의 기간
(C) 전 세계 샘플링 지도
(D) 미국 본토 샘플링 지도
[Fig. 3A]
- 산란(oviposition)
- 초기 유충 발달(early larval development)
2′. 테라토사이트(teratocytes)의 출현 - 후기 유충 발달 및 테라토사이트 수 감소
- 유충 배출(larval emergence)
- 고치를 형성하고 변태(cocoon formation and metamorphosis)
- 성체로 출현(adult emergence)
[Fig. 3B] S. perlmani의 유충 및 고치 단계의 기간은 24마리의 유충과 22마리의 고치를 대상으로 관찰한 데이터를 기반으로 분석되었습니다. 관찰 결과는 중앙값, 상하 사분위, 그리고 사분위 범위의 1.5배에 해당하는 데이터 분포를 상자로 표시하여 시각화했습니다. 이러한 데이터는 야생에서 채집된 파리와 실험실에서 감염된 파리를 이용하여 수집되었으며, S. perlmani의 생애 주기에 대한 정량적 정보를 제공합니다
[Fig. 3C] 전 세계에서 야생 D. melanogaster 군집을 채집하여 염기서열 분석 데이터를 수집했습니다. 초록 점(green points)은 S. perlmani의 미토콘드리아 DNA가 검출되지 않은 수집 장소를 나타내며, 빨간 삼각형(red triangles)은 S. perlmani의 미토콘드리아 DNA가 검출된 수집 장소를 나타냅니다. 이를 통해 S. perlmani의 지리적 분포와 숙주 파리와의 연관성을 파악할 수 있었습니다.
[Fig. 3D] 미국 본토를 대상으로 한 지도에서 어두운 초록색(dark green)은 D. affinis에서 S. perlmani가 확인된 야외 채집 장소를 나타내고, 밝은 초록색(light green)은 in silico 분석을 통해 숙주 DNA 데이터에서 S. perlmani가 확인된 장소를 표시합니다. 각 주(state) 이름 옆에는 두 가지 정보가 괄호로 표기되어 있습니다. 첫 번째는 감염된 D. affinis 개체 수와 해당 지역에서 채집된 총 개체 수를 나타내며, 두 번째는 S. perlmani DNA가 검출된 데이터 세트 수와 분석된 총 데이터 세트 수를 보여줍니다. 이를 통해 S. perlmani의 분포 및 감염율에 대한 상세한 정보를 제공합니다.
Taxonomic classification and description
-새로운 기생말벌종의신체적 특징들을 분류학적인 관점에서 확인하였다
Fig. 4. S.perlmani의 형태학적 특징.
(A) 홀로타입 측면 형태.
(B) 홀로타입 프로포듐.
(C) 홀로타입 앞날개 맥 구조.
눈금 막대: a는 1 mm, b는 100 μm, c는 400 μm.
Syntretus perlmani는 약 1.5mm 크기의 작은 기생벌로, 성충 초파리 를 숙주로 사용하는 것이 특징입니다. 홀로타입은 몸 길이가 1.45mm이고, 앞날개 길이는 1.98mm입니다. 더듬이는 14개의 절지로 구성되어 있으며, 길고 가느다란 mandibular과 특징적인 얼굴 구조를 가집니다. 앞날개의 pterostigma는 길이가 너비의 2.9배이며, 날개 맥 구조도 상세히 기록되어 있습니다. 뒤날개에서는 1-SC + R이 관 모양으로 발달하고, 다리는 길고 가느다란 형태로, 특히 뒷다리는 매우 길고 좁습니다. 배부분의 첫 번째 배측(T1)은 좁고 가느다란 형태로, 점차적으로 넓어집니다. 색상은 황갈색이며, 미세한 색상 차이로 각 부위가 구별됩니다. S. perlmani는 크기와 성숙도에 따라 더듬이의 절지 수가 12 또는 13개로 다를 수 있으며, 숙주 파리의 성별에 따라 이 차이가 나타납니다. 이 종은 미시시피와 노스캐롤라이나에서 채집되었으며, 5월에서 8월까지 발견되었습니다. S. perlmani는 S. brevicornis와 유사하지만 더 작은 크기와 더 긴 산란관을 특징으로 구별됩니다.
Disscussion
기생봉은 매우 다양하며 숙주 생물의 생리와 행동을 조작할 수 있는 특수한 적응 능력을 가지고 있습니다. 초파리를 기생하는 벌에 대한 기록이 시작된 지 2세기가 넘는 동안, 거의 200종에 달하는 초파리과 기생봉 종이 확인되었습니다. 이들 중에는 내부기생자와 외부기생자, 그리고 유충과 번데기 단계를 공격하는 종들이 포함됩니다.오랜 연구 역사와 놀라운 생물다양성에도 불구하고, 성체 파리를 공격하고 그 내부에서 발달하는 벌 종은 지금까지 보고된 적이 없었습니다. 이번 연구에서는 초파리속의 성체 과일파리를 감염시키는 새로운 벌 종의 발견을 보고합니다. 이 벌은 생물학에서 가장 깊이 연구된 모델 생물 중 하나인 초파리(Drosophila melanogaster)도 감염시킵니다.특히 이 벌은 미국 동부 전역에 널리 분포하며 뒷마당의 파리 미끼에서 쉽게 채집할 수 있습니다. 연구팀은 이 벌의 생활사와 독특한 숙주 상호작용을 기록했으며, 성체 파리에 알을 낳고 유충이 나오는 과정을 포함해 야생에서 잡은 숙주 파리로부터 벌을 키우는 프로토콜을 제공했습니다.이 결과는 곤충 생물다양성과 계통분류학에 대한 지속적인 연구 투자의 필요성을 강조합니다. 기생봉 연구가 계속해서 특이한 생물학을 밝혀내고 면역, 대사, 생태, 진화, 행동에 대한 근본적인 메커니즘적 통찰을 제공함에 따라, 이 벌과 실험실 모델 생물인 초파리의 연관성이 생명과학 전반에 걸쳐 새로운 연구 기회를 제공할 것으로 예상됩니다
