Population Genetic Structure of Aphis gossypii (Hemiptera: Aphididae) in Korea, Focusing on its Relationship with Fitness and Insecticide Resistance

Abstract

목화진딧물 (Aphis gossypii Glover)(Hemiptera: Aphididae)은 세계적으로 분포하는 광식성 해충이며, 한국에서 박과 (멜론, 오이, 수박, 호박), 아욱과 (목화, 무궁화), 가지과 (고추, 토마토, 가지), 운향과(감귤, 과수)등에 피해를 일으키는 주요해충이다. 흡즙을 통해 식물체의 위축과 식물의 생장을 저해하며, 감로를 배출함에 따라 그을음병을 유발하여 작물의 수량과 상품성에 큰 영향을 미치는 주요 해충이다. 이에 이 연구는 (1) 초위성체 마커를 활용하여 국내에 서식하는 목화진딧물의 유전적 구조와 다양성을 확인하고, (2) 다른 유전적 구조를 가진 목화진딧물의 적합도 (온도에 따른 발육, 생존율, 산란율, 내적자연증가율)를 확인하고, (3) 목화진딧물의 약제 저항성 발달 수준, 그리고 유전적 구조와 저항성의 관계를 확인하였다. 이번 연구에는 8개의 초위성체 마커를 활용하여 한국에 37지역의 (2016년18개 지역, 2017년 14 지역, 2018년 5지역) 고추 기주에서 서식하는 목화진딧물의 유전적 구조와 다양성을 확인하였다. 그 결과, 목화진딧물의 유전적 다양성의 값은 평균적으로 낮거나 중간정도 였으며, 이형접합도의 기대치 (expected heterozygosity, HE) 값은 0.354에서 0.719로 나타났다. 지리적 거리와 유전적 거리와의 상관관계 (Isolation by distance, IBD) 분석에서는 지리적 거리와 유전적 거리 간에는 유의미한 상관관계가 없었으며 (r2 = 0.0004, p = 0.370), 한국에 서식하는 목화진딧물의 유전자 흐름이 높은 특성을 가지고 있다는 것을 추측할 수 있다. 유전적 구조 는 2개의 클러스터 값이 나왔다 (K = 2). 하지만, 2016년과 2017년도에 동일한 지역에서 채집한 진딧물의 유전적 구조가 정반대로 나타나는 결과가 나왔으며, 이처럼 단기간에 유전적 구조가 반대로 바뀌는 현상은 약제 사용에 대한 저항성, 완전생활형과 불완전생활형의 생식방법, 서로 다른 목화진딧물의 두 개의 유전적 구조간 적합도의 차이 등에 밀접한 연관성이 있을 것으로 생각된다. 더 나아가, 두개의 유전적 구조 (구조 1, 2)를 가진 목화진딧물의 적합도(온도에 따른 발육, 생존율, 산란율, 내적자연증가율)를 3개의 온도 (15, 25, 35 °C)에서 확인하였다. 실제 평균 온도는 14.7, 25.3, 34.9 °C였다. 목화진딧물은 오이잎에서 실험하였으며 이 결과는 TWOSEX-MSChart 프로그램을 이용하였다. 그 결과 온도에 따른 목화진딧물의 발육, 생존율, 산란율이 다르다는 것을 확인하였지만, 두개의 유전적 구조에 따른 차이는 없었다. 흥미롭게도 15 °C 유전적 구조 1이 다른 구조에 비해 짧은 산란전단계, 긴 성충 수명, 산란기간, 산란 후 단계를 보였다. 즉, 낮은 온도에서 유전적 구조 1의 목화진딧물 발생율이 높을 가능성이 있다. 현재 목화진딧물 방제를 위하여 많은 살충제 사용으로 인해 약제에 대한 저항성이 발달하였다. 그러므로 이번 연구에서는 현재 한국에서 많이 사용되고 있는 이미다클로프리드 (네오니코티노이드계), 아세페이트 (유기인계), 에스펜발레르에이트 (피레스로이드계)를 활용하여 국내에 서식하는 목화진딧물의 저항성 발달 수준과 저항성에 따른 유전적 유연관계에 대해 연구하였다. 약제 저항성 모니터링에는 2019년 부산, 정읍, 홍성에 채집한 목화진딧물과 농촌진흥청에서 누대사육한 감수성 목화진딧물 개체를 사용하였다. 부산과 정읍 개체군은 이미다클로프리드와 아세페이트에 대한 저항성을 보였으며, 홍성은 아세페이트와 에스펜발레르에이트에 대한 저항성을 보였다. 감수성 개체는 오직 아세페이트에서만 저항성을 보였다. 더 나아가, 감수성 개체와 40지역에서 (2016년18개 지역, 2017년 14 지역, 2018년 5지역, 2019년 3지역) 채집한 목화진딧물의 약제 저항성유전자도 확인하였다. 그 결과, 대부분 개체들이 네오니코티노이드 (R81T)와 피레스로이드 (M918L) 유전자에서 이형집합체 저항성을 보였으며, 유기인계 (S431F) 유전자에서는 동형 접합체 저항성을 보였다. 약제 저항성 모니터링과 저항성 mutation 유전자 실험 결과는 유사하였지만, 각 지역의 유전적 구조와 저항성의 관계는 없었다.

The cotton-melon aphid, Aphis gossypii (Glover) (Hemiptera: Aphididae), is a cosmopolitan and polyphagous pest that damages cultivated plants including Cucurbitaceae (melon, marrow, zucchini, water melon), Malvaceae (cotton, hibiscus, okra), Solanaceae (pepper, potato, eggplant) and Rutaceae (citrus orchards). It causes significant damage to host plants by sapping, dripping honeydew, and transmitting viruses. The objectives of this study were (1) to investigate the genetic structure and diversity of A. gossypii populations in Korea by using microsatellite markers, (2) to determine the difference in fitness (temperature-dependent development, survivorship, reproduction, and intrinsic rate of natural increase) of the two different genetic clusters of A. gossypii in Korea, and (3) to reveal the insecticide resistance status among A. gossypii populations and to verify correlation between genetic structure and susceptibility to insecticides of A. gossypii in Korea. Eight microsatellite markers to investigate the genetic structure and diversity of A. gossypii populations in Korea. Population genetic structure was conducted among 37 locations in Korea (18 populations in 2016, 14 populations in 2017, and 5 populations in 2018) from pepper plants. A. gossypii had low to moderate genetic diversity, and expected heterozygosity (HE) ranged from 0.354 to 0.719. Most HE values were lower than the average (0.524). Isolation by distance (IBD) suggested no relationship between genetic structure and geographic distance among all populations (r2 = 0.0004, p = 0.370), suggesting high gene flow among populations in Korea. Bayesian-based clustering analysis indicated two distinct genetic clusters (K = 2) with a maximum value of 1251. In 2016 and 2017, the genetic clusters changed into opposite genetic structures within one year mostly in northwest and southeast parts of Korea. Chemical control, cyclical parthenogenesis, and immigrants from the exterior might have resulted in this low genetic diversity and opposite genetic clusters. Experiments were conducted to explore potential difference in fitness (temperature-dependent development, survivorship, reproduction, and intrinsic rate of natural increase) between two different genetic clusters of A. gossypii. A. gossypii were examined on cucumber Cucumis sativus L. (cv. Joeun Baegdadagi) and evaluated at three constant temperatures (14.7, 25.3, and 34.9 °C), and the data were analyzed by the TWOSEX-MSChart program. On the basis of these parameters, the results clearly showed the effects of temperature on developmental time, nymphal mortality rate, longevity, and fecundity of A. gossypii, but there was no difference between two different genetic clusters (cluster 1 and 2) of A. gossypii. Interestingly, at 14.7 °C cluster 1 showed shorter pre-reproduction period and longer adult longevity, reproduction period, and post-reproduction period compare to cluster 2, suggesting that high level of cluster 1 population may occur in greenhouse at lower temperature. A. gossypii has been known to develop resistance to a wide range of synthetic chemical insecticides because chemical treatment remains the main method of control this species. In this study, imidacloprid (neonicotinoid), acephate (organophosphate), and esfenvalerate (pyrethroid), which commonly used to control A. gossypii, were used to reveal the insecticide resistance status among A. gossypii populations, and to verify the correlation between genetic structure and susceptibility to insecticides in Korea. In the bioassay, BS_19 and JE_19 populations have resistance to imidacloprid and acephate, HS_19 population have resistance to acephate and esfenvalerate, and susceptible lab strain only have resistance to acephate. Mutations were surveyed in resistant-related gene, most population were heterozygous resistant for R81T (nAChR) and M918L (para), and homozygous resistant on S431F (ace-1). Mutation frequency has co-related the results of bioassay. Based on the resistance mutation sequence of S431F(ace-1), R81T(nAChR), and M918L (para), two group sections (major group- blue, within variation- purple) were revealed in neighbor-joining tree of A. gossypii population in Korea. Diverse nursery routes and inflow from outside might show various difference in mutation sequence (purple section). Especially JJ17 and JJ18 populations (JeJu is an isolated area) were revealed as a related group which have limited nursery routes. Phylogenetic tree revealed that there was no relation between genetic structure and the group of resistance mutation sequence in A. gossypii populations in Korea.