세계 꿀벌의 날

 5월 20일은 생태계에서 꿀벌의 중요성에 대한 인식을 높이기 위한 '세계 꿀벌의 날'입니다. 꿀벌은 우리가 먹는 음식과 야생동물의 서식지인 나무와 꽃을 수분하는 데 필수적이며, 꿀벌 덕분에 우리는 사과부터 커피까지 다양한 식품을 즐길 수 있습니다. 전 세계 농작물의 약 75%가 고품질의 과일, 채소, 견과류, 씨앗, 기름을 수확하기 위해 어느 정도는 수분 매개체에 의존하고 있습니다. 과거에는 꿀벌과 같은 수분 매개 곤충의 개체수가 자연적으로 풍부했기 때문에 농장에서 수분에 대한 걱정이 없었습니다. 하지만 더 많은 작물을 요구하는 인구 증가, 서식지 파괴, 비료 사용으로 인해 꿀벌 개체수가 감소하고 있습니다.1

Figure 1: Facts about bees.

“수분 매개자 위기"는 전 세계 수분 매개자 개체수가 점점 더 멸종 위기에 처하는 것을 말하며, 유엔과 그린피스의 보고서에 의해 확인되었습니다. 2,3 수분 매개자가 감소하면 생물 다양성이 줄어들고 과일과 채소의 품질이 낮아져 고품질의 농작물이 더 높은 가격에 판매될 수 있습니다. 꿀벌은 꽃가루를 효율적으로 운반할 수 있도록 뒷다리에 털로 이루어진 꽃가루 바구니, 즉 코비쿨레가 있어 완벽한 수분 매개체입니다. 다른 수분 매개 동물도 많지만 일반적으로 꿀벌은 많은 꽃을 방문하고 많은 종류의 꽃가루를 운반하기 때문에 가장 효과적입니다.

Pollen Analysis

꽃가루는 꽃이 피는 식물에서 생성되는 가루 물질로, 설탕, 탄수화물, 효소, 단백질, 비타민, 미네랄 등 꿀벌의 영양 요구량을 포함하고 있습니다. 꽃가루 씨앗의 학명은 '마이크로가메토피테스'로, 수컷 생식세포가 수분을 통해 식물의 암컷 생식세포로 이동하여 수정이 이루어집니다(그림 2). 꿀벌이 꿀과 꽃가루를 가지고 벌통으로 돌아가면 꿀이 되어 겨울 동안 저장됩니다.

Figure 2: Pollination via bees.

꽃가루에 대한 연구는 고생물학이라고 불리며, 생태계를 이해하는 데 중요할 뿐만 아니라 법의학 및 고고학에서도 활용되고 있습니다. 라만 현미경을 사용하면 개별 꽃가루 알갱이를 매핑하고 꽃가루의 종을 식별할 수 있습니다. 또한 꿀벌이 필요한 영양분을 섭취하고 있는지 여부를 판단하는 데 중요한 영양소 수준을 평가할 수 있습니다. 꽃가루 연구는 수분 매개자 생물 다양성과 식물과 수분 매개자의 상호작용에 대한 통찰력을 제공하며, 이를 통해 연구자들은 해당 지역의 재배 작물에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 그림 3은 638nm 여기 레이저를 사용하여 백합 꽃가루에서 RMS1000 라만 현미경으로 수집한 라만 매핑 데이터를 보여줍니다.

Figure 3: (a) Raman map of lily pollen grains (b) Average Raman spectrum from lily pollen (c) False coloured Raman maps highlighting the outer wall (blue), inner wall (white), and proteins (yellow) of lily pollen.

그림 3(a)는 두 꽃가루 알갱이의 라만 맵을, 그림 4(b)는 밴드가 할당된 평균 스펙트럼을 보여줍니다. 꽃가루 알갱이는 스포로폴레닌으로 형성된 외벽과 셀룰로오스와 펙틴으로 구성된 내벽으로 보호되며, 부분적으로 C-H 스트레칭 진동에 기여합니다. 꽃가루 스펙트럼의 다른 대부분의 밴드는 탄수화물, 지질, 단백질 분자의 신축 및 굽힘 진동에 의해 발생합니다. 단백질은 꽃가루 알갱이의 주요 구성 성분이며 그림 3(a)의 라만 맵에 표시된 노란색 영역을 나타냅니다. 라만 스펙트럼은 약 1525 cm-1에서 늘어나는 C=C와 약 1155 cm-1에서 늘어나는 C-C의 두 밴드가 지배적이며, 이러한 강한 피크는 카로티노이드의 공명 라만 효과로 인해 분홍색으로 강조 표시됩니다(그림 3(a)). 카로티노이드는 꽃가루에 낮은 농도로만 존재하지만 공명 라만으로 인해 피크가 크게 향상되어 스펙트럼에 크게 기여합니다.4,5 카로티노이드 밴드를 제거하면 그림 3(c)에서 외부 세포벽을 구성하는 스포로폴레닌의 분포(파란색)와 내부 세포벽(흰색), 꽃가루 입자 전체의 단백질의 넓은 위치(노란색)를 시각화할 수 있습니다.

References

1. Bees and other pollinators, FAO’s Global Action on Pollination Services for Sustainable Agriculture, https://www.fao.org/pollination/background/bees-and-other-pollinators/en/, (accessed 9 May 2022).
2. Nearly one in 10 wild bee species face extinction in Europe while the status of more than half remains unknown, ICUN, https://www.iucn.org/content/nearly-one-10-wild-bee-species-face-extinction-europe-while-status-more-half-remains-unknown-iucn-report, (accessed 9 May 2022)
3. Bees in Decline, Greenpeace, https://www.greenpeace.org/international/publication/6839/bees-in-decline/, (accessed 9 May 2022)
4. Kenđel and B. Zimmermann. Chemical Analysis of Pollen by FT-Raman and FTIR Spectroscopies, Front. Plant Sci., 2020, 11, 1-19.
5. Bagcioglu, B. Zimmermann and A. Kohler. A Multiscale Vibrational Spectroscopic Approach for Identification and Biochemical Characterization of Pollen, PLoS One, 2015, 10, 1-19