Новое понимание метаболических реакций, вызванных приемом растительного дефензина у многоядного насекомого-вредителя Helicoverpa Armigera

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3151 (2023) Цитировать эту статью

1263 Доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Чешуекрылое насекомое-вредитель Helicoverpa Armigera является одним из наиболее разрушительных вредителей сельскохозяйственных растений, и для борьбы с ним разрабатывается несколько биотехнологических подходов. Дефензины растений — это небольшие катионные пептиды, богатые цистеином, которые играют роль в защите растений. Прием внутрь дефенсина из Capsicum annuum (CanDef-20) вызывал дозозависимое снижение массы личинок и куколок, задержку метаморфоза, а также серьезно снижал плодовитость и фертильность у H. Armigera. Чтобы понять молекулярные механизмы развития антибиоза, опосредованного приемом CanDef-20, у личинок H. Armigera, был проведен сравнительный транскриптомный анализ. Было обнаружено преобладающее подавление GO, представляющее собой эндопептидазы серинового типа, структурные составляющие рибосом и интегральные компоненты мембран, а также дифференциальное усиление связывания АТФ, ядра и трансляции, в то время как повышение регуляции связывания нуклеиновых кислот, представленное мобильными элементами. Было обнаружено, что различные изоформы липазы, сериновой эндопептидазы, глутатион-S-трансферазы, кадгерина, щелочной фосфатазы и аминопептидаз активируются в качестве компенсаторной реакции на прием CanDef-20. Ферментные анализы in vitro и анализ qPCR некоторых репрезентативных генов, связанных с жизненно важными клеточными процессами, такими как метаморфоз, переваривание пищи и мембрана кишечника, показали адаптивную дифференциальную регуляцию у личинок H. Armigera, которых кормили CanDef-20. Мы пришли к выводу, что прием CanDef-20 влияет на метаболизм насекомых разными способами через его взаимодействие с клеточной мембраной, ферментами, цитоплазматическими белками и запуск мобилизации транспозонов, которые связаны с задержкой роста и адаптивными стратегиями у H. Armigera.

Насекомые-вредители приводят к значительным потерям урожая сельскохозяйственных культур либо в результате прямого повреждения, либо в результате распространения болезней. Из числа насекомых-вредителей, угрожающих сельскохозяйственным растениям и поражающих их, Helicoverpa Armigera является многоядным и наиболее разрушительным1. Меры борьбы, такие как использование различных пестицидов и подходы на основе критрансгенных культур, используются во всем мире, хотя H. Armigera развивает устойчивость2, что приводит к неэффективности этих методов, что требует разработки новых биологических подходов для устойчивой и экологически безопасной борьбы с вредителями.

У многоядных насекомых развилось множество механизмов устойчивости, таких как выработка глутатион-S-трансферазы, глюкозооксидазы, сверхэкспрессия нечувствительной протеазы и монооксигеназы цитохрома P450, чтобы справиться с защитой растений3. Молекулярные механизмы устойчивости трансгенных Bt изучаются в последние годы. Мутация гена-переносчика кадгерина и ABCC2, присутствующего в эпителии щеточной каймы H.armigera и H.virescens, привела к устойчивости к Bt-токсину4. В дополнение к этому, измененная экспрессия щелочной фосфатазы (ALP)5, аминопептидазы N (APN)6 и регуляторные события митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK)7 были механизмами устойчивости, используемыми чешуекрылыми насекомыми против токсина Bt. Эти исследования предоставляют доказательства заметного разнообразия и пластичности метаболизма насекомых, позволяющего противостоять защите растений.

Растения развили сложную систему регулирования, обеспечивающую конститутивную и индуцированную защитную реакцию против атак травоядных животных3. Индукция путей жасмоната (JA) и салициловой кислоты (SA)4 с последующей выработкой вторичных метаболитов, ингибиторов протеиназ (ИП)5 и антимикробных пептидов (АМФ) определяет специфическую защитную реакцию растений против вредителей. Влияние АМП на насекомых четко не расшифровано, и известно, что вероятность развития устойчивости к АМП у бактерий гораздо ниже, чем к антибиотикам8. Таким образом, изучение механизма противодействия насекомых против молекул защиты растений, таких как пептиды дефенсина, поможет нам построить пирамиду защитных молекул для лучшей борьбы с насекомыми-вредителями9.

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>