Morphology, anatomy, and symbiotic microbes of the mycangia of Platypus koryoensis, the vector of oak wilt disease : 참나무 시들음병 매개충인 광릉긴나무좀 균낭의 형태, 해부 및 공생 미생물에 대한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Platypus koryoensis is an ambrosia beetle recognized as a vector of oak wilt disease in Korea. This study investigated the sex-specific morphology, anatomical structures, and symbiotic microbes of the mycangia of P. koryoensis using field-emission scanning electron microscopy (FESEM), transmission electron microscopy (TEM), metabarcoding, and X-ray micro computed tomography (micro-CT). These results provide foundational insight into the relationship between P. koryoensis and its associated microbial symbionts.
FESEM revealed that prothoracic depressions differed in size according to sex and type, and putative fungal cells were observed in all types of depressions. Novel sawtooth-shaped inner processes were observed in female mycangia, and smooth-margin inner processes were identified in male prothoracic depressions. Additionally, crystals were observed exclusively in male prothoracic depressions.
Sex-specific metabarcoding analyses of the prothoracic depressions of P. koryoensis were conducted to characterize the composition of symbiotic microbes. Microbial community diversity differed between sexes, with female adults exhibiting higher fungal diversity. Raffaelea sp. was detected in both sexes but only at low relative abundance and during limited sampling periods. These findings demonstrate sex-specific differences in the symbiotic microbes of P. koryoensis and suggest that male adults may also have the potential to function as vectors of the oak wilt pathogen in Korea.
To examine the ultrastructure of the prothoracic depressions of P. koryoensis, cross sections were analyzed using section-face backscattered electron imaging (BSE imaging) and TEM. Both fungi and bacteria were observed in the depressions of females and males. Ambrosiozyma ascospores were also detected in electron microscopy images and through metabarcoding analysis. Combined with the metabarcoding data, these findings support an expanded definition of the mycangia in P. koryoensis.
To examine the anatomical structures of P. koryoensis, BSE imaging, TEM, and micro-CT analyses were conducted. Three-dimensional reconstructions revealed numerous duct-like structures in both sexes. These ducts were more abundant and elongated in female mycangia, suggesting a more developed mycangial function. Ultrastructural observations showed that all types of depressions were directly connected to glandular cells, confirming their function as mycangia. This study provides baseline data for understanding the interactions among P. koryoensis, oak wilt disease, and symbiotic microbes.

국문 초록 (Abstract)

광릉긴나무좀(Platypus koryoensis)은 한국에서 발생하는 참나무 시들음병의 매개충으로 알려져 있다. 본 연구에서는 전계방출형 주사전자현미경, 투과전자현미경, 메타바코딩, X선 마이크로 컴퓨터 단층촬영을 이용하여 광릉긴나무좀의 성별에 따른 균낭의 형태 및 해부학적 구조 그리고 공생 미생물의 차이를 분석하였다. 본 연구는 광릉긴나무좀과 공생 미생물의 관계에 관한 기초 자료를 제공한다.
전계방출형 주사전자현미경으로 관찰한 결과 암수 각각의 함몰부는 성별과 종류에 따른 크기의 차이를 보이며 모두 내부에 균류로 추정되는 미생물 세포가 관찰되었다. 특히 암컷의 균낭에서는 톱니 모양의 내부 돌기가 수컷의 함몰부에서는 완만한 형태의 돌기가 새로이 발견되었다. 또한 수컷의 등판에 있는 함몰부에서만 결정 유사 구조가 관찰되었다.
메타바코딩 분석 결과 성별에 따라 미생물 군집 다양성의 차이를 보였으며 특히 암컷의 진균 다양성이 높게 나타났다. 또한 참나무 시들음병의 원인균으로 알려진 Raffaelea sp.는 암수 모두에서 검출되었다. 하지만 그 비율은 낮게 관찰되었으며 일부 시기에서만 검출되었다. 본 연구 결과는 성별에 따른 광릉긴나무좀의 등판에 공생하는 미생물에 대한 분석을 통하여 암수의 공생 미생물 차이를 규명하였으며 수컷 또한 참나무 시들음병 병원균의 매개충으로 기능할 가능성을 제시하였다.
광릉긴나무좀의 등판 함몰부의 초미세구조 분석을 위하여 절단면 후방산란 전자 이미징 및 투과전자현미경을 이용해 단면을 관찰하였다. 고해상도 단면 이미지에서 암수 모두 등판 함몰부에 진균류 및 세균류가 존재하였다. 또한 성충의 암수, 유충에서 모자 모양의 자낭포자가 관찰되었다. 이는 메타바코딩 분석 결과와 비교하였을 때 대표적인 암브로시아 딱정벌레의 대표적인 공생 효모인 Ambrosiozyma의 포자로 추정된다. 광릉긴나무좀 암수의 단면 초미세구조 분석은 공생 미생물의 존재를 규명하였으며 메타바코딩 결과에 이어 광릉긴나무좀의 균낭에 대한 기존의 정의를 확장할 수 있는 가능성을 시사한다.
또한 광릉긴나무좀의 해부학적 구조를 조사하기 위하여 절단면 후방산란 전자 이미징, 투과전자현미경, X선 마이크로 컴퓨터 단층촬영으로 분석한 결과 암수 모두 다수의 외분비관 구조를 확인하였다. 이러한 외분비관 구조는 암컷에서 더 많이 발달하였다. 3차원으로 재구성한 이미지는 광릉긴나무좀에서 관찰되는 다수의 함몰부가 분비 세포와 직접적으로 연결된 균낭일 가능성을 나타내며 이는 광릉긴나무좀과 참나무 시들음병 그리고 공생 미생물의 관계에 관한 이해를 높이는 기초 자료로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• 1.1. Literature review 1
• 1.2. Research objective 13
• Ⅱ. Materials and methods 16
• 2.1. Specimen collection 16
• 2.2. Stereomicroscope 17
• 2.3. Field emission scanning electron microscopy 17
• 2.4. Metabarcoding 19
• 2.5. Transmission electron microscopy 22
• 2.6. Section-face backscattered electron imaging 23
• 2.7. X-ray micro computed tomography 24
• 2.8. Measurement and statistical analysis 25
• Ⅲ. Results 26
• 3.1. Sexual dimorphism in the prothoracic depressions of Platypus koryoensis 26
• 3.2. Diversity of symbiotic microbes in the prothoracic depressions of Platypus koryoensis 44
• 3.3. Ultrastructural analyses of symbiotic microorganisms in Platypus koryoensis 75
• 3.4. Three-dimensional and ultrastructural characterization of the prothoracic depressions of Platypus koryoensis 90
• Ⅳ. Discussion 109
• 4.1. Primary observations 109
• 4.2. Morphology and microbial communities in the prothoracic depressions 113
• 4.3. Conclusion and future perspectives 131
• Ⅴ. Reference 134
• Abstract in Korean 155