곤충 생리현상의 가소성은 후생유전적 변화와 밀접하게 관련을 지을 수 있다. 이 가설을 증명하기 위해 광식성인 파밤나방(Spodoptera exigua)을 대상으로 상이한 먹이 조건에 따라 이 곤충의 발육과 DNA 메틸화에 영향을 주는 지 분석하였다. 동일한 코호트로 부터 얻은 갓 부화한 유충을 최종령에 이르기까지 세 가지 다른 먹이(대파, 배추, 인공사료)로 섭식 처리하였다. 이 결과 상이한 먹이 조건에 따라 유충발육속도, 용화율 및 우화율에서 뚜렷한 차이를 보였다. 인공사료로 사육된 유충이 가장 빠른 유충발육속도와 높은 용화율 및 우화율을 나타냈다. 반면에 두 자연 기주 가운데는 대파가 배추에 비해 파밤나방 발육에 양호하였다. 이러한 먹이에 따른 변이는 혈림프 단백질 및 혈당에서도 차이가 나타났다. 또한 발육과 연계되었을 것으로 추정되는 인슐린유사펩타이드(SeILP1) 유전자의 발현 정도도 먹이조건에 따라 상이했다. 단일항체를 이용하여 파밤나방 게놈 DNA의 시토신 메틸화를 분석한 결과 이 부위에 DNA 메틸화가 검출되었으며, 메틸화 정도는 먹이 조건에 따라 상이했다. 이 결과들은 동일 집단의 파밤나방이 상이한 먹이 조건에 따라 발육차이를 나타내고 또한 시토신 메틸화에 변이를 보여 이 곤충의 생리적 가소성에 후생유전적 인자가 작용하고 있는 것을 제시한다.
곤충 생리현상의 가소성은 후생유전적 변화와 밀접하게 관련을 지을 수 있다. 이 가설을 증명하기 위해 광식성인 파밤나방(Spodoptera exigua)을 대상으로 상이한 먹이 조건에 따라 이 곤충의 발육과 DNA 메틸화에 영향을 주는 지 분석하였다. 동일한 코호트로 부터 얻은 갓 부화한 유충을 최종령에 이르기까지 세 가지 다른 먹이(대파, 배추, 인공사료)로 섭식 처리하였다. 이 결과 상이한 먹이 조건에 따라 유충발육속도, 용화율 및 우화율에서 뚜렷한 차이를 보였다. 인공사료로 사육된 유충이 가장 빠른 유충발육속도와 높은 용화율 및 우화율을 나타냈다. 반면에 두 자연 기주 가운데는 대파가 배추에 비해 파밤나방 발육에 양호하였다. 이러한 먹이에 따른 변이는 혈림프 단백질 및 혈당에서도 차이가 나타났다. 또한 발육과 연계되었을 것으로 추정되는 인슐린유사펩타이드(SeILP1) 유전자의 발현 정도도 먹이조건에 따라 상이했다. 단일항체를 이용하여 파밤나방 게놈 DNA의 시토신 메틸화를 분석한 결과 이 부위에 DNA 메틸화가 검출되었으며, 메틸화 정도는 먹이 조건에 따라 상이했다. 이 결과들은 동일 집단의 파밤나방이 상이한 먹이 조건에 따라 발육차이를 나타내고 또한 시토신 메틸화에 변이를 보여 이 곤충의 생리적 가소성에 후생유전적 인자가 작용하고 있는 것을 제시한다.
Physiological plasticity of insects can be closely related with their epigenetic change. This hypothesis was tested using a polyphagous lepidopteran insect, Spodoptera exigua, by assessing the effects of different diets on development and DNA methylation. Three different diets (Welsh onion (WO), Chi...
Physiological plasticity of insects can be closely related with their epigenetic change. This hypothesis was tested using a polyphagous lepidopteran insect, Spodoptera exigua, by assessing the effects of different diets on development and DNA methylation. Three different diets (Welsh onion (WO), Chinese cabbage (CC), artificial diet (AD)) were assessed by feeding a cohort of larvae from neonate to last instar. There were significant differences in larval developmental rate, pupal weight and adult emergence according to diet treatments. AD-fed larvae exhibited the fastest developmental rate along with the highest pupal weight and adult emergence. Among natural hosts, WO was more favorable for development of S. exigua than CC. Total hemolymph proteins and sugars in the last instar larvae were varied among different diets. Gene expression of an insulin-like peptide (SeILP1) presumably associated with development was also varied among diets. Cytosine methylation of genomic DNA was assessed using a monoclonal antibody. Genomic DNA of S. exigua larvae was methylated. DNA methylation was apparently varied among different diet-fed larvae. The facts that a cohort of S. exigua was differentiated in developmental rate and cytosine methylation by different diets suggest that epigenetic factor(s) may play a crucial role in the physiological plasticity.
Physiological plasticity of insects can be closely related with their epigenetic change. This hypothesis was tested using a polyphagous lepidopteran insect, Spodoptera exigua, by assessing the effects of different diets on development and DNA methylation. Three different diets (Welsh onion (WO), Chinese cabbage (CC), artificial diet (AD)) were assessed by feeding a cohort of larvae from neonate to last instar. There were significant differences in larval developmental rate, pupal weight and adult emergence according to diet treatments. AD-fed larvae exhibited the fastest developmental rate along with the highest pupal weight and adult emergence. Among natural hosts, WO was more favorable for development of S. exigua than CC. Total hemolymph proteins and sugars in the last instar larvae were varied among different diets. Gene expression of an insulin-like peptide (SeILP1) presumably associated with development was also varied among diets. Cytosine methylation of genomic DNA was assessed using a monoclonal antibody. Genomic DNA of S. exigua larvae was methylated. DNA methylation was apparently varied among different diet-fed larvae. The facts that a cohort of S. exigua was differentiated in developmental rate and cytosine methylation by different diets suggest that epigenetic factor(s) may play a crucial role in the physiological plasticity.
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문제 정의
따라서 상이한 기주라는 환경 변화에 대해서 최적의 생존 전략으로 적응하려는 파밤나방에게는 먹이에 따른 다양한 유전자 발현의 변화가 동반될 수 있으며, 이는 DNA 메틸화 변화에서 야기될 수 있다는 가설을 세우게 된다. 본 연구는 이러한 후생유전학적 유전자 발현 변이에 대한 기초 연구로서 상이한 먹이 조건에 따라 나타나는 파밤나방의 발육 변이를 조사하였다. 이 결과를 토대로 파밤나방의 DNA 메틸화가 존재하는 지를 단일항체로 분석하였고, 또한 먹이에 따라 이러한 메틸화의 차이를 추적하였다.
가설 설정
, 2008). 따라서 상이한 기주라는 환경 변화에 대해서 최적의 생존 전략으로 적응하려는 파밤나방에게는 먹이에 따른 다양한 유전자 발현의 변화가 동반될 수 있으며, 이는 DNA 메틸화 변화에서 야기될 수 있다는 가설을 세우게 된다. 본 연구는 이러한 후생유전학적 유전자 발현 변이에 대한 기초 연구로서 상이한 먹이 조건에 따라 나타나는 파밤나방의 발육 변이를 조사하였다.
제안 방법
상기에서 합성된 cDNA를 바탕으로 94℃에서 30 초, 55℃에서 30 초, 72℃에서 1 분의 반응 순으로 35 회 PCR 산물을 증폭시켰다. 각 PCR 조건의 대조구로서 파밤나방의 라이보좀 단백질인 RL32 유전자에 특이적 프라이머(5'-ATG CCC AAC ATT GGT TAC GG-3', 5'-TTC GTT CTC CTG GCT GCG GA-3')를 이용한 유전자 증폭물을 SeILP1 증폭물과 비교하였다.
상이한 먹이에 따라 성장된 성충의 생식력을 비교하기 위해 우화한 지 24 시간 경과된 처녀 암컷의 난소를 적출하여 난황형성과정이 종료된 성숙된 난모세포의 수를 계수하여 비교하였다(Fig. 3).
대파와 배추의 경우 무농약으로 재배된 것을 이용하였고, 먹이로 공급하기 전 24 시간 동안 증류수에 담가 잔류 물질을 제거한 후 건조시켜 처리하였다. 실내 공시충 집단에서 유래한 갓 부화한 1령충을 임의로 10 마리씩 3 반복으로 각 먹이에 처리하였다. 모든 처리는 각각 플라스틱 사육용기(직경 8.
파밤나방의 이동성은 비교적 잘 알려져 있다. 이 가운데 휴면 기작을 가지고 있지 않은 파밤나방이 가을 기간 동안 월동을 위해 남쪽으로 이주하는 장거리 이동성을 레이다 기술로 측정하였다(Feng et al., 2003). 이러한 야외 이동 능력은 실내에서 어린 성충이 약 179 Km를 비행할 수 있다는 결과(Jiang, 1999)를 증명하였다.
본 연구는 이러한 후생유전학적 유전자 발현 변이에 대한 기초 연구로서 상이한 먹이 조건에 따라 나타나는 파밤나방의 발육 변이를 조사하였다. 이 결과를 토대로 파밤나방의 DNA 메틸화가 존재하는 지를 단일항체로 분석하였고, 또한 먹이에 따라 이러한 메틸화의 차이를 추적하였다.
대상 데이터
공시충은 경북 안동시 송천동 대파 밭에서 채집하여 실내에서 인공사료(Goh et al., 1990)로 유충을 사육하였다. 인공사료는 주성분으로 1,400 mL 물에 콩가루(150 g), 밀배아(150 g), 미량원소(10 g), 이스트 분말(80 g) 및 아가로스(28 g)가 포함되고, 여기에 methyl p-hydroxybenzoate (6 g), 비타민 C (18 g), sorbic acid (3 g)와 포르말린 (4.
처리한 먹이 종류는 인공사료, 대파(Allium fistulosum L.) 그리고 배추(Brassica rapa L.)를 이용하였다. 대파와 배추의 경우 무농약으로 재배된 것을 이용하였고, 먹이로 공급하기 전 24 시간 동안 증류수에 담가 잔류 물질을 제거한 후 건조시켜 처리하였다.
파밤나방을 방제하기 위해 가해시기인 유충을 대상으로 화학약제에 의존하였다. 그러나 약제저항성 발달과 특히 섭식량이 많은 종령시기에 약제에 대한 감수성이 낮아져 효과적 방제에 어려움을 주고 있다(Brewer and Trumble, 1991; Mascarenhas et al.
데이터처리
백분율 자료 결과는 arcsine 변환 후 SAS의 PROC GLM (SAS Institute, 1989)을 이용하여 ANOVA 분석하였다. 자료의 도형화는 Sigma Plot 8.
백분율 자료 결과는 arcsine 변환 후 SAS의 PROC GLM (SAS Institute, 1989)을 이용하여 ANOVA 분석하였다. 자료의 도형화는 Sigma Plot 8.0 (Systat Software, Inc., Point Richmond, CA, USA)을 이용하여 도식화하였다.
이론/모형
각 처리별 혈장의 5 μL를 열변성 처리 후 10% SDS-PAGE를 실시하여 혈장 단백질 종류를 비료 분석하였다. 총단백질의 정량 분석을 위해 수거된 혈장을 bovine serum albumin을 표준단백질로 이용하여 Bradford (1972) 방법으로 분석하였다. 각 처리는 3 반복으로 실시하였다.
성능/효과
이는 아마도 곤충의 DNMT2 촉매 성질은 척추동물과 달리 다양한 시토신 기질을 포함할 수 있어 DNA 메틸화에 활동적일 것으로 추정되고 있다(Borstti and Mandrioli, 2004). 따라서 비록 DNMT3가 없는 곤충류도 후생유전적 게놈 변이를 이룰 수 있다는 것을 의미하고 있다. 본 연구는 파밤나방 게놈 가운데 시토신 자리에 메틸화가 존재한다는 것을 단일항체로 밝혔다.
본 연구에서 파밤나방은 먹이에 따라 발육이 상이하게 나타났다. 인공사료로 사육한 유충은 발육 속도도 빨랐고, 이후 번데기 및 성충 발달도 양호하였다.
, 2002). 본 연구에서는 파밤나방은 광식성 곤충으로 배추 먹이에 대해서 glucosinolate류를 특이적으로 제어할 인자를 갖지 않을 가능성이 높아, 다른 먹이에 비해 낮은 발육속도 및 용무게를 나타낸 것으로 사료된다.
유충의 먹이조건에 따라 나타난 발육변이가 성충의 생식력에 영향을 주는 지를 판단하기 위해 우화한 처녀 암컷 성충에서 성숙된 난모세포 수를 비교한 결과, 유충의 발육에서 나타난 차이는 암컷 성충의 난모세포 수에 영향을 주지 않았다. 이러한 이유는 비교적 성충으로의 발육율이 낮은 자연 기주들에 있어서 앞에서 기술한 바와 같이 항생물질을 극복하여 생존한 개체들이 임계체중 이상으로 발육하여 성충으로 발달된 선발효과로 이해될 수 있다.
즉, 인공사료로 사육된 파밤나방의 경우 높은 인슐린신호를 받게 되고, 이는 혈당을 낮출 뿐만 아니라 발육속도를 증가시킨 것으로 해석된다. 특별히 인공사료가 가장 높은 발현을 보였고, 다음으로 대파에서 발현량이 높아 ILP 발현과 발육 사이에 상관관계가 있다는 것을 나타냈다. 보다 분명한 인과관계를 주기 위해서는 이 SeILP1 발현량을 억제시키는 RNA 간섭 기술을 이용하여 기능 연구를 실시할 필요가 있다.
후속연구
즉, 일정 발육 이상으로 성장한 개체만이 성충으로 발육하여 이들이 갖는 생식력에는 차이를 주지 않은 것으로 해석된다. 따라서 본 연구에서 사용된 실내 사육충은 인공사료 조건에서 누대사육된 것으로 자연 기주에 포함된 항생물질에 대해서 내성을 지닌 개체들이 이들 가운데에서 선발된 결과로 해석되며, 이들의 차세대는 선발된 자연 기주에 대해서 비교적 높은 적응력을 보인 집단으로 발달될 수 있는 가능성을 내포하고 있다. 즉, 자연 기주에 대한 누대 선발집단의 기주 적응력 변화에 대한 후속 연구가 필요하다.
특별히 인공사료가 가장 높은 발현을 보였고, 다음으로 대파에서 발현량이 높아 ILP 발현과 발육 사이에 상관관계가 있다는 것을 나타냈다. 보다 분명한 인과관계를 주기 위해서는 이 SeILP1 발현량을 억제시키는 RNA 간섭 기술을 이용하여 기능 연구를 실시할 필요가 있다.
더욱이 먹이 따라 이들 메틸화에 차등을 보여 파밤나방의 후천적 환경 변화인 상이한 먹이가 시토신 메틸화 정도에 변이를 준 것으로 해석된다. 본 연구는 추후 다양한 환경 조건에 따라 이 메틸화의 정도를 정량화하여 상관관계를 규명하는 데 중요한 기초 자료를 제공할 것으로 사료된다.
그러나 설탕의 경우는 추가 화학분석이 필요한 사항이다. 본 연구에서 사용된 이온수지 크로마토그래피 분리에서 늦게 검출되는 물질로서 이와 유사한 이당류와 검출시간에서 중복성이 있을 수 있기에 이에 대한 화학적 규명이 추가적으로 필요하다.
따라서 본 연구에서 사용된 실내 사육충은 인공사료 조건에서 누대사육된 것으로 자연 기주에 포함된 항생물질에 대해서 내성을 지닌 개체들이 이들 가운데에서 선발된 결과로 해석되며, 이들의 차세대는 선발된 자연 기주에 대해서 비교적 높은 적응력을 보인 집단으로 발달될 수 있는 가능성을 내포하고 있다. 즉, 자연 기주에 대한 누대 선발집단의 기주 적응력 변화에 대한 후속 연구가 필요하다.
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