식물은 수분 매개체에 얼마나 의존할까?

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-10-15 08:57:39
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- 모든 대륙의 143과에서 1,174개 대표 식물 종에 대한 정보. 40년 동안의 데이터 수집
- 종의 82%가 곤충에 의해, 6%가 척추동물에 의해 수분되는 것으로 추정
- 수분 매개자 없으면 꽃피는 식물의 1/2(17만 5천 종)은 생산량 80% 감소
- 토착종은 새로 유입되거나 침입종보다 수분 매개체에 더 의존적

식물은 수분 매개체에 얼마나 의존할까?
모든 꽃 피는 식물의 절반은 동물 도우미 없이는 번식할 수 없다.


광범위한 데이터 수집 분석 결과:
과학자들이 꽃가루를 매개하는 곤충이 급격히 줄어들 때, 전 세계적으로 얼마나 많은 식물이 동물 꽃가루 매개자에 의존하는지, 어느 정도까지 결정적인지 처음으로 확인했다. 그 결과 17만5000종(모든 현화식물의 거의 절반)이 수분 매개체 없이는 종자 생산량의 80%를 잃게 된다. 특히 많은 수의 나무와 열대 식물을 포함해 모든 식물의 1/3은 동물의 도움 없이는 번식할 수 없다. 

▲ 전 세계적으로 꽃 피는 식물의 절반은 수분 매개체가 없으면 종자와 과일 생산이 80% 줄어들고 3분의 1은 번식조차 할 수 없을 것이다. © Allan Ellis

과일나무, 딸기, 토마토 또는 커피나무는?
전 세계 식물의 대부분은 수분을 위해 동물 도우미에 적게 혹은 많이 의존한다. 특히 곤충은 꽃에서 꽃으로 꽃가루를 옮기는 데 도움을 준다. 하지만 많은 곳에서 급격한 감소의 영향을 받는 것이 바로 곤충이다. 일부 지역에서는 수분 매개 곤충의 감소가 너무 커서 과일나무를 손이나 다른 도구로 수분해야 한다.

자동 수정으로 하루를 절약할 수 있을까?

전 세계적으로 약 35만 종의 화초가 동물 수분 매개체에 어느 정도 의존하고 있는지 아무도 정확히 알지 못했다는 것은 더욱 놀라운 일이다. 남아프리카 스텔렌보쉬 대학Stellenbosch University의 제임스 로저(James Rodger)와 그의 동료들은 "종의 82%가 곤충에 의해, 6%가 척추동물에 의해 수분되는 것으로 추정된다"고 설명했다. 그러나 많은 꽃이 피는 식물은 자동 수정 기능이 있다. 비상시에는 수분 없이 종자를 생산할 수 있다.


수분 매개자의 손실이 실제로 얼마나 심각한지는 아직 전 세계적으로 명확하지 않다.
이를 바꾸기 위해 Rodger와 그의 팀은 모든 대륙의 143과에서 1,174개의 대표적인 식물 종에 대한 정보를 수집했다. 40년 동안의 데이터는 과학자들이 동물 수분 매개체를 사용하거나 사용하지 않고 식물이 생산하는 종자의 수를 비교한 수분 실험을 기반으로 한다.

연구팀은 이 값을 사용해 동물 수분이 있거나 없는 경우 밀접하게 관련된 다른 종과 식물 그룹의 가능한 생산성을 결정했다. 

▲ 그림 1. 야생 꽃 식물에서 수분 매개체 기여도(PC)의 글로벌 데이터 세트. PC는 수분 매개체 방문에 기인한 종자 생산 비율을 측정한다. 값 0은 수분 매개자가 종자 생산에 영향을 미치지 않음을 나타내고 값 1은 종자 생산을 나타냄. 꽃가루 매개자가 꽃을 방문할 때만 생산이 이루어진다. (A) 빈도 분포, (B) 계통 발생 분포 및 (C) 데이터 세트에서 PC의 지리적 분포. 빈도 분포(A)는 바람에 의해 수분되는 속씨식물 종의 12%에 대해 조정된 1174개의 동물 수분 종의 데이터 세트를 기반으로 합니다. 1사분위수 = 0.08; 3사분위수 = 1. 왼쪽 막대의 경우 색상은 다음과 같이 종을 나타낸다. 회색, PC = 바람 수분으로 인한 PC = 0; 점선 파란색, PC = 0(동물 수분 매개자가 방문했지만); 단색 파란색, 0 < PC < 0.05. 오른쪽 막대의 경우 색상은 다음과 같이 종을 나타낸다. 빨간색 점선, PC = 1; 단색 빨간색, 0.95 < PC < 1. 다른 색상 막대의 경우 색상은 오른쪽 하단의 범례에 표시된 대로 PC를 나타낸다. 계통발생(B)에서는 속씨식물목과 목련군이 바깥쪽에 분절로 표시돼 있고 PC 값은 막대의 색으로 표시. PC에는 상당한 계통 발생 신호가 있다(λ = 0.452, P < 0.001). 지도(C)의 점은 연구 위치를 나타내며 색상은 개체군 PC 값을 나타내고 오른쪽의 선 그래프는 황토 적합(계통 발생 또는 추가 변수를 제어하지 않음)에서 동물 수분 종의 PC 위도 패턴을 나타낸다. 바람에 수분되는 종은 계통발생(B)과 지도(C)에 표시되지 않았다. (출처: 관련논문 Fig 1, Widespread vulnerability of flowering plant seed production to pollinator declines)

모든 꽃 피는 식물의 절반에 대한 막대한 결과

결과:
약 17만5000종의 모든 현화 식물의 약 절반인 80%가 동물 수분 매개체에 의존한다.
동물들이 없으면 이 식물은 정상적으로 생산되는 종자와 과일의 최대 20%만 생산할 수 있다. 로저와 그의 동료들이 설명하듯이, 자동 수정 기능이 널리 퍼져 있다 하더라도, 수분 매개체의 손실을 보상하는 것은 거의 불가능하다.

모든 꽃 피는 식물의 3분의 1은 더 나빠 보인다. 

그들은 심지어 동물 도우미에게 완전히 의존하고 있다. 이러한 식물 그룹에는 무엇보다도 많은 나무가 포함되지만 근친 교배의 영향을 많이 받는 유용한 식물도 있다. 이러한 수분 매개체 의존 종은 열대 지방에서 특히 많다. 따라서 현재까지 세계에서 가장 종이 많이 서식하는 지역 중 일부에서 나타난다.

"그렇게 많은 수의 식물 종이 수분 매개체에 의존한다는 사실은 수분 매개체가 계속 감소한다면 그러한 생태계의 심각한 혼란을 초래할 수 있다"고 Rodger는 경고한다. 

▲ 그림 3. 꽃 피는 식물이 미래의 꽃가루 매개자에 대해 얼마나 취약한지는 꽃가루 매개자의 기여와 번식 기회에 의해 좌우된다. 수분 매개체 감소는 PC가 낮은 종의 종자 생산에 거의 영향을 미치지 않을 것이다(하단 두개 사분면). PC가 높은 식물 종(상위 두 개 사분면)은 수분 조절자가 감소하면 종자 생산량이 감소한다. 그러나 수명이 길고 번식 기회가 여러 번 있는 종(왼쪽 위 사분면)은 지체 기간 후에만 개체수 감소를 경험할 것으로 예상되는 반면, 일생에 한 번만 번식하는 수명이 짧은 종(오른쪽 위 사분면)은 더 많은 개체 수 감소를 경험할 수 있다. 수분 매개자가 줄어들면 개체 수가 급격히 감소한다. 바람 수분으로 인한 수분 매개체 감소에 탄력적인 12%의 속씨 식물은 회색 조각으로 표시됐다. 사진은 오른쪽 위부터 시계방향으로 동물수분된 속씨식물의 종류별 대표종을 보여주고 있다: Digitalis purpurea, Silene noctiflora, Acacia dealbata, Rhododendron calendulaceum. L. Jiang(CC-BY 4.0), C. Altmann(CC-BY 4.0), J. Sullivan(CC-BY 4.0) 및 E. M. Eraskin(CC-BY 4.0)의 inaturalist.org 이미지.(출처: 관련 논문)

침입종에게 이점

여기에서도 수분 매개체의 감소는 작물 수확량의 감소를 훨씬 능가하는 결과를 초래할 수 있다. 이 발달의 영향을 받지 않는 종에는 많은 침입종과 실용적인 것으로 여겨지는 기타 허브가 포함된다. "대부분의 토착종은 새로 유입되거나 침입종보다 수분 매개체에 더 의존적이다"며 "따라서 수분 매개체 부족에 훨씬 더 큰 영향을 받을 수 있다"고 과학자들은 설명했다.

또한, 바람에 의해 수분되거나 자가 수분하는 식물의 확산이 증가하면 악순환이 시작될 수 있다. 이러한 종은 꿀을 덜 생산하기 때문에 남아 있는 소수의 수분 매개 곤충은 먹이가 부족하다. 그 결과, 그들의 개체군은 더욱 줄어들고 있고 동물 수분 식물은 번식할 가능성이 훨씬 더 적다.

전체 생물 다양성에 대한 결과

장기적으로 이 악순환은 전체 식물계를 변화시키고 생물 다양성을 크게 감소시킬 수 있다. 따라서 공동 저자인 콘스탄츠 대학의 마크 판 클로이넨(Mark van Kleunen)은 "꽃가루 매개자는 식량 생산뿐만 아니라 생물 다양성에도 중요하다"며 "수분 매개체가 더 적거나 그들 사이의 종의 분포가 바뀌더라도 이것은 식물, 동물 및 궁극적으로 인간에게도 영향을 미친다"고 강조했다.
(Science Advances, 2021; doi: 10.1126 / sciadv.abd3524)
출처: Stellenbosch University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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