다식성 곤충 해충 Helicoverpa armigera에서 식물 디펜신 섭취로 인한 대사 반응에 대한 새로운 통찰력

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3151(2023) 이 기사 인용

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나비목 해충인 Helicoverpa armigera는 작물의 가장 파괴적인 해충 중 하나이며 이를 제어하기 위해 여러 가지 생명공학적 접근 방식이 개발되고 있습니다. 식물 디펜신은 식물 방어에 역할을 하는 작은 양이온성 및 시스테인이 풍부한 펩타이드입니다. Capsicum annuum(CanDef-20)의 디펜신 섭취는 H. armigera의 유충 및 번데기 질량의 용량 의존적 감소, 변태 지연 및 심각하게 감소된 번식력 및 번식력을 유도했습니다. H. armigera 유충에서 CanDef-20 섭취 매개 항생제의 분자 메커니즘을 이해하기 위해 비교 전사체 분석을 수행했습니다. GO의 우세한 하향 조절은 세린형 엔도펩티다제, 리보솜의 구조적 구성 요소 및 통합 막 구성 요소, ATP 결합, 핵 및 번역의 차등적 상향 조절을 나타내며 전이 요소로 표시되는 핵산 결합의 상향 조절이 감지되었습니다. 리파제, 세린 엔도펩티다제, 글루타티온 S-트랜스퍼라제, 카드헤린, 알칼리성 포스파타제 및 아미노펩티다제의 다양한 이소형이 CanDef-20 섭취에 대한 보상 반응으로 상향조절되는 것으로 밝혀졌습니다. 변태, 음식 소화 및 장막과 같은 중요한 세포 과정과 관련된 일부 대표적인 유전자의 시험관 내 효소 분석 및 qPCR 분석은 H. armigera 유충을 먹인 CanDef-20의 적응성 차등 규정을 나타냅니다. 우리는 CanDef-20 섭취가 세포막, 효소, 세포질 단백질과의 상호 작용 및 H. armigera의 성장 지연 및 적응 전략과 관련된 트랜스포존 동원 유발을 통해 다양한 방식으로 곤충 대사에 영향을 미친다는 결론을 내렸습니다.

해충은 직접적인 피해나 질병 확산으로 인해 작물의 상당한 수확량 손실을 초래합니다. 작물을 위협하고 공격하는 해충 중 Helicoverpa armigera는 다식성이며 가장 파괴적입니다1. H. armigera는 저항성을 진화시키지만2 다양한 살충제 사용 및 동결 형질전환 작물 기반 접근 방식과 같은 방제 조치가 전 세계적으로 사용되어 왔으며 이러한 방법이 실패하여 지속 가능하고 환경 친화적인 해충 방제를 위한 새로운 생물학적 접근 방식의 개발이 필요했습니다.

다식성 곤충은 식물 방어에 대처하기 위해 글루타티온 S-트랜스퍼라제, 포도당 산화효소의 생산, 둔감한 프로테아제 및 시토크롬 P450 모노옥시게나제의 과발현과 같은 다중 저항 메커니즘을 개발했습니다3. Bt 형질전환체의 저항성에 대한 분자적 메커니즘이 최근 몇 년간 연구되어 왔습니다. H. armigera 및 H. virescens의 브러시 경계 상피에 존재하는 cadherin 및 ABCC2 수송체 유전자의 돌연변이로 인해 Bt 독소에 대한 저항성이 발생했습니다4. 이 외에도 알칼라인 포스파타제(ALP)5, 아미노펩티다제 N(APN)6의 발현 변화 및 MAPK(미토겐 활성화 단백질 키나제)7의 조절 현상은 나비목 곤충이 Bt 독소에 대해 사용하는 저항 메커니즘이었습니다. 이러한 연구는 식물 방어에 대응하기 위한 곤충 대사의 주목할 만한 다양성과 가소성에 대한 증거를 제공합니다.

식물은 초식동물 공격에 대한 구성적이고 유도된 방어 반응을 제시하기 위해 정교한 규제 네트워크를 발전시켜 왔습니다3. 자스모네이트(JA) 및 살리실산(SA)4 경로의 유도에 이어 2차 대사산물인 단백질분해효소 억제제(PI)5 및 항균 펩타이드(AMP)의 생산이 해충 특이적 식물 방어 반응을 결정합니다. 곤충에 대한 AMP의 영향은 명확하게 해독되지 않았으며, 항생제보다 박테리아에서 AMP에 대한 저항성을 생성할 가능성이 훨씬 낮은 것으로 알려져 있습니다8. 따라서 디펜신 펩타이드와 같은 식물 방어 분자에 대한 곤충의 대응 방어 메커니즘을 연구하는 것은 더 나은 해충 방제를 위해 방어 분자를 피라미드화하는 데 도움이 될 것입니다9.

30. Normalized reads were assembled into longer fragments (contigs) using Trinity v2.0.6 software22. Assembled transcripts were searched for coding transcript by using transdecoder tool23. These assembled transcripts were further searched for the orf finding using transdecoder program and the completeness of the transcript. All the protein coding sequences were searched for further annotation using insect uniprot protein database with an e-value cutoff < 1e−10. Some differentially expressed uncharacterized genes were further identified by using Uniprot id and BLAST analysis. For further evaluation of the assembly and annotation completeness, BUSCO (Benchmarking Universal Single Copy Orthologs, version 5.4.3) analysis was performed by comparing with arthropod lineage in default settings (http://busco.ezlab.org/)./p>

200 bp in length and were annotated with UniProtKB insect data resulting in13,779 transcript annotations (Table 1). Out of the 13,779 annotated transcripts 6982 showed > 75% query coverage and these were used for further comparative transcriptome analysis of DEGs between CanDef-20 and EV fed H. armigera larvae. Of the 6982 genes, 47% were found to align with genus Heliothis and 6.19% aligned with genus Helicoverpa. Applying the criteria of log2FC ≥ ± 2 with P-value ≤ 0.05 and FDR ≤ 0.05 to the 13,779 transcripts resulted in detection of 2012 transcripts of which 56 transcripts were found upregulated and 529 were downregulated./p> 75% query coverage, 2327 (33.32%) genes were found to be downregulated and 659 (9.4%) genes were found to be upregulated upon CanDef-20 feeding. Additionally 1679 genes were found to be uniquely expressed in CanDef-20 fed larvae and 1545 genes were uniquely expressed in EV control fed larvae./p> 15 downregulated. LP1 and TLP are not characterized from H. armigera (Supplementary Table S2), though they showed homology with lipase-1 (NM_001043501.1) and triacylglycerol lipase (XM_038014482.1) respectively found in Bombyx mori. The third (LP2) upregulated lipase has homology with H. armigera triacyl glycerol lipases (XM_047184139.1)./p>