Ontogenetic shift in energy use strategy of a univoltine sawfly = 일화성 잎벌의 에너지 사용 전략 측면에서 개체발생적 변화

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Insect herbivores inhabiting temperate forests face a critical dilemma: they must maximize growth within a narrowing phenological window while coping with unpredictable thermal fluctuations. I investigated the energy use strategy of the univoltine sawfly, Apareophora forsythiae, to determine how it resolves this "time constraint" problem. Using naturalistic fluctuating thermal regimes and varying social contexts, I quantified nutritional dynamics across larval instars and assessed the compensatory regrowth of the host plant, Forsythia koreana, to test the hypothesis of sustainable coexistence.
Our results reveal a fundamental ontogenetic reconfiguration in physiological strategy. In the 2nd instar, larvae employed a risk-sensitive strategy governed by social interactions.
Specifically, solitary individuals prioritized throughput at the cost of metabolic efficiency under fluctuating temperatures. In contrast, gregarious cohorts adopted a strategy of thermal buffering to maintain stable conversion efficiency. By contrast, 3rd instar shifted to a canalized, risk-averse strategy characterized by independent additive effects. In this final stage, fluctuating temperatures accelerated processing speed while aggregation enhanced metabolic efficiency, with higher densities significantly reducing phenotypic variability to ensure metabolic stability. This distinct transition from socially buffered thermal resilience to canalized rapid accumulation enabled larvae to compress their development into a brief window, which can be interpreted as a mechanism to minimize the duration of herbivory. Consequently, the rapid completion of larval feeding proved crucial for the host plant. Although the initial shoots were consumed, the brevity of the feeding period secured a sufficient time window for Forsythia koreana to regenerate new shoots and complete compensatory growth.
As a result, the plant fully restored its functional tissue quality (C:N ratio, specific leaf area). These findings demonstrate that A. forsythiae navigates severe temporal constraints through a sophisticated ontogenetic shift, a mechanism that not only secures reproductive fitness but also facilitates sustainable coexistence with its host.

국문 초록 (Abstract)

온대림에 서식하는 초식성 곤충은 제한된 생물계절학적 기간 내에 성장을 최대화하는 동시에 예측 불가능한 온도 변동에 대처해야 하는 딜레마에 직면한다. 본 연구는 일화성 곤충인 개나리잎벌이 이러한 시간 제약 문제를 어떻게 해결하는지 규명하기 위해 그들의 에너지 이용 전략을 조사하였다. 자연적인 변동 온도 조건과 다양한 사회적 조건 하에서 령기에 따른 유충의 영양 지수로 정량화 하였으며, 기주 식물인 개나리의 보상적 재성장을 평가하여 식물과 곤충의 상호작용을 알아보았다.
연구 결과, 개나리잎벌은 발육 단계에 따라 생리적 전략의 근본적인 재구성을 보이는 것으로 나타났다. 2령 유충 단계에서는 사회적 상호작용에 의해 조절되는 위험 민감형 전략(risk-sensitive strategy)을 보였다. 구체적으로, 단독 개체들은 변동 온도 환경에서 대사 효율을 희생하더라도 섭식 처리량(throughput)을 우선시했다. 반면, 집단 서식 개체들은 온도 완충(thermal buffering) 전략을 채택하여 안정적인 전환 효율을 유지했다. 이와 대조적으로, 3령 유충은 독립적인 가산 효과(additive effects)라는 특징이 있으며, 위험을 회피하는 전략으로 집중하였다. 이 마지막 발육 단계에서 변동 온도는 영양 처리 속도를 크게 증가시킨 반면, 집단 형성은 대사 효율을 증진시켰다. 특히 높은 서식 밀도는 표현형 변이를 유의하게 감소시켜 대사 안정성을 확보하는 데 기여했다.
2령에서 사회적으로 온도의 완충 효과에서 3령의 집중적인 성장으로의 이러한 뚜렷한 전략적 전환은 유충이 발육을 짧은 기간 내로 압축할 수 있게 하였으며, 이는 식해 기간을 최소화하는 메커니즘으로 해석된다. 결과적으로 유충의 섭식 활동이 조기에 완료되는 것은 기주 식물에게 결정적인 요인으로 작용했다. 비록 초기 새순은 초식 피해를 입었지만, 짧은 섭식 기간 덕분에 개나리는 새로운 가지를 재생하고 보상적 성장을 완료할 수 있는 충분한 시간을 확보할 수 있었다. 그 결과, 기주 식물은 기능적 조직의 질소와 산소 비율을 완전히 회복하였다. 이러한 발견은 개나리잎벌이 정교한 개체 발생학적 전환을 통해 심각한 시간적 제약을 극복하고 있음을 보여주며, 이는 자신의 번식 적합도를 확보할 뿐만 아니라 기주 식물과의 지속 가능한 공존을 가능하게 하는 메커니즘임을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract I
• List of Figures IV
• 1.Introduction 1
• 2. Materials and Methods 4
• 2.1. Study species 4
• 2.2. Experimental Design 5
• 2.3. Data Analysis 7
• 3. Results 10
• 3.1. Ontogenetic shift in second instar 10
• 3.2. Ontogenetic shift in third instar 12
• 3.3. Effect of larval group size 16
• 4. Discussion 21
• 4.1. Behavioral thermoregulation 21
• 4.2. Physiological canalization 24
• 4.3. Prudent predation and host plant functional restoration 27
• 5. Conclusion 30
• References 31
• 국문 초록 39