From PGI
배추좀나방의 유전체에서 초식성을 확인하다!
배추좀나방(Plutella xylostella)은 나비목 집나방과의 곤충으로 푸저우(Fuzhou)에서 시작하여, 전세계에 분포되어 있는 해충이다. 유채, 콜리플라워, 양배추 등의 경제적으로 중요한 작물들을 파괴하는 해충으로, 매년 배추좀나방의 피해로 인한 손상복구와 해충관리에 40~50억 달러의 비용이 지출된다.
배추좀나방은 DDT(dichlorodiphenyltrichloroethane, 주로 투린지엔시스균(Bacillus thuringiensis)을 죽이기 위해 개발한 살충제의 일종)에도 저항성이 있는 최초 품종이다. 최근, 배추좀나방도 초식동물의 환경에서 발생하는 식물 방어성 화학물질을 분비하는 뛰어난 시스템을 보유하였다는 연구결과가 발표되었다.
중국의 BGI-Shenzhen에서 나방류(lepidopteran)의 전장유전체 서열을 분석하여 18,701개 단백질 발현 유전자 중에서 방어성 화학물질 분비에 관련된 1,414개 유전자를 확인하였다. 특히 식물의 독성에 대한 방어 관련된 유전자 근처의 Retrotransposon 확산과 식물 방어 물질의 대사에 사용되는 시스템이 살충제에 대한 내성 획득과의 관련이 있다는 것을 확인하였다.
배추좀나방의 유전체 시퀀싱
중국 남동부에서 수집한 배추좀나방을 Illumina shotgun whole genome sequencing을 200배수로 진행하였으며, 전사체 해독에 의해 85.5%의 단백질 발현 유전자를 확인하였다. NGS를 이용하여 유전체간 gap을 채워 98.1%를 커버하였다.
배추좀나방의 유전체 서열 내 유전적 변이(SNP, Indel 등)를 나타낸 것이다. 가장 바깥쪽 원은 참조 유전체를 100kb 단위로 assembly한 것으로, scaffold로 그룹간 연관성을 확인하여 28개 염색체의 부분적 서열을 배치한 것이다. 왼편의 녹색 조각은 확인되지 않은 scaffold를 정렬한 것이고, 오른편의 색깔 별 조각들은 100% 중복된 서열조각은 붉은색, 90%이상은 푸른색 등으로 색을 지정하여 정렬한 것이다. 안쪽 원은 30kb와 50kb에서 SNP와 Indel 수를 확인한 히스토그램이다.
유전적 변이 위치를 그래프로 나타낸 것이다. 배추좀나방 유전체에서 인트론 간, 인트론 내에서 a는 SNP 수, b는 SV 수, c는 CDS 수를 측정한 것으로, 인트론 간의 위치에서는 프로모터의 경우가 많았고, 그 외로는 단백질 발현 서열에서도 유전적 변이가 관찰되었다.
배추좀나방의 계통 분석
배추좀나방 유전체는 반복된 서열이 전체 서열 중 33.97%에 해당한다. 배추좀나방을 비롯한 곤충과 거미 종 12가지의 유전체 비교와 계통 관련성을 보여준다. 누에나방(Bombyx) 463개, 세줄깡충거미(plexippus) 1,184개, 끝검은왕나비(Danaus) 1,412개의 특정 유전자를 가졌고, 나방 종은 1,683개 특정 유전자를 가지고 있는데, 이는 환경적 스트레스와 유전적 손상에 대응하는 고유 능력에 관련된 것이다. 특히 본 연구의 계통분석에 의하면, 곤충이 초식동물에서 2억 6,000~3억 3,000년 전, P.Cruciferae는 1억2,400만년 전, P.xylostella는 5,400~9,000만년 전 분기된 것을 확인할 수 있다.
배추좀나방은 특히 Glucosinolate sulfatase(GSSs)를 가수분해하여 desulfoglucosinolates에 glucosinolate 방어 화합물의 전환을 촉매하는 능력이 있다. 배추좀나방의 sulfatase 관련 유전자인 SUMF1과 GSS 유전자의 공동 발현을 나타낸 것이다. 특히, GSS1과 GSS2 유전자가 상당히 높은 발현도를 보였고, 애벌레 때에는 SUMF1 유전자가 높은 발현도를 보였다.
또한 배추좀나방의 전사체 데이터를 분석하여, 애벌레에서 우선적으로 발현하는 354개 유전자를 확인하였으며, 일부 유전자 발현에 대해서는 RT-PCR을 사용하여 검증하였다. 또 잡식성인 왕담배나방의 애벌레와 단백질체 비교를 하여, 배추좀나방 애벌레와 유사한 소화효소를 발현하는 유전자를 발견하였다. 또한 세린 분해효소를 분비하는 유전자는 살충제 저항성으로 식물의 방어적 화학신호를 인식한다.
후각 수용체(OR), 후각 결합 단백질(GR), 미각 수용체(IR), 이온성 수용기(CSP), 화합물감지(OBP) 단백질로 발현하는 유전자 수를 배추좀나방과 누에나방을 비교하여 나타낸 것이다. 후각 수용체와 미각 수용체는 배추좀나방이 많지만, 후각 결합 단백질이 적어 미각이 발달한 것으로 보인다. 또한 누에나방이 화합물을 더 잘 감지하는 것도 확인할 수 있었다.
또한 배추좀나방의 성충에서 나타나는 변이로 인해 특정 발현 패턴이 발견되었다. 이를 이용하여 살충제 내성과 저항경로를 확인하였고, 단일 식물을 먹는 단식성과 사육되는 배추좀나방은 누에나방보다 살충제 저항성에 관련된 유전자를 더 많이 가지고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 애벌레에서는 살충제 클로르피리포스(chlorpyrifos)과 프론트라인(fipronil)에 저항성이 강하게 나타났다.
생어시퀀싱으로 한 번 더 검증된 유전자와 유전체 변이(이동성 유전인자, transposon)에 대해 살충제 저항성에 관련된 염기서열을 확인한 것이다. a의 가장 바깥쪽 노란색은 배추좀나방, 분홍색은 누에나방의 ABC transporter 유전자의 확장을 나타냈고, 붉은색으로 표시된 영역은 절지동물의 특징인 ABCH 분기영역이다. b는 유전적 변이의 주요 구성을 비율로 표시한 것이고, c는 서로 다른 유전자에 유사한 이동성 유전인자의 위치를 배추좀나방과 누에나방을 비교하여 나타낸 것이다. d에는 누에나방에서는 긴 중복 부위를 포함하여 광범위한 진화가 이루어진 것을 볼 수 있다(그림은 논문을 참고). 이러한 진화과정에서 cis형 유전자 발현 조절을 위한 유전자 변이가 일어나 식물의 방어적이며, 살충제에 내성이 생기게 된 것이다.
이동성 유전인자는 곤충의 생체 해독에 관여하는 P450 내 또는 근처에 풍부하게 위치하고 있으며, 외부 스트레스에 민감한 신진대사 해독에 관련된 유전자에서 확인할 수 있다. 특히 나방류의 염기서열에는 LTR(long terminal repeat)과 LINE(long interspersed nuclear element)이 많이 발견되었다.
맺음말
본 연구는, NGS(Next generation sequencing)과 de novo assembly를 이용하여 곤충의 유전체 해독을 위한 새로운 접근 방법을 개발하였다. 식물에 방어적 화합물과 해독에 관련된 유전자 위치의 근처에 있는 retrotrasposon 패턴을 식별하여 식물의 독소 다양성을 반영한다면, 살충제 저항력이 있는 해충들에 대한 더욱더 강력한 살충제를 개발할 수 있을 것이다.
참고문헌
A heterozygous moth genome provides insights into herbivory and detoxification
http://www.nature.com/ng/journal/v45/n2/full/ng.2524.html
Diamondback moth ecology and management: problems, progress, and prospects.
Specialist versus generalist insect herbivores and plant defense.
http://www.eeb.cornell.edu/agrawal/documents/aliandagrawal2012.pdf
저자
글 : Park.HyeonJi
편집 : Ahn.Kung
키워드 : Plutella xylostella, retrotransposon, Bombyx, Danaus, plexippus, Glucosinolate sulfatase(GSSs), chlorpyrifos, fipronil, LTR(long terminal repeat), LINE(long interspersed nuclear element) 등
