葉虫類の幼虫における新規なグルコシノレート代謝の研究

Novel glucosinolate metabolism in larvae of the leaf beetle Phaedon cochleariae.

• Jeanne Friedrichs
• Rabea Schweiger
• Svenja Geisler
• Andreas Mix
• Ute Wittstock
• Caroline Müller

抄録

アブラナ科の植物は、グルコシノレートがミロシナーゼによって分解され、イソチオシアネートやニトリルなどの有毒な分解生成物を形成する二元系によって守られている。草食性昆虫種が宿主植物のグルコシノレート-ミロシナーゼシステムに対処するための様々な解毒経路や回避戦略が発見されている。ここでは、アブラナ科の摂食を得意とする葉虫類Phaedon cochleariae（Coleoptera: Chrysomelidae）の幼虫が、この二元防御にどのように対処しているかを調べた。主なグルコシノレートとミロシナーゼとして2-フェニルエチルグルコシノレートを含むクレソン（Nasturtium officinale）と、グルコシノレートとミロシナーゼを欠くエンドウ（Pisum sativum）の葉にベンジルグルコシノレート（ベンジルグルコシノレートまたは4-ヒドロキシベンジルグルコシノレート）を適用した摂食実験を行った。UHPLC-QTOF-MS/MSを用いた比較メタボロミクスを行ったところ、幼虫および糞中のN-(フェニルアセチル)アスパラギン酸、N-(ベンゾイル)アスパラギン酸およびN-(4-ヒドロキシベンゾイル)アスパラギン酸がそれぞれ2-フェニルエチルグルコシノレート、ベンジルグルコシノレートおよび4-ヒドロキシベンゾイルグルコシノレートの主要代謝物として同定された。このことから、P. cochleariaeの幼虫は、摂取したベンジルグルコシノレートに由来する芳香族酸のアスパラギン酸抱合体にイソチオシアネートやニトリルを代謝していることが示唆された。ミロシナーゼの測定は、クレソンを与えられた第二期幼虫でのみ活性を明らかにしたが、エンドウの葉を与えられた新鮮な脱皮と飢餓状態の第二期幼虫ではなかった。この結果から、予測される経路は、植物ミロシナーゼの存在とは無関係に発生することが示唆された。なぜなら、同じ主要なグルコシノレート分解代謝物が、処理したクレソンとエンドウの葉を餌とする幼虫で発見されたからである。グルコシノレート由来の化合物とアスパラギン酸との共役は、他の草食動物では報告されていない新規な代謝経路である。

Plants of the Brassicales are defended by a binary system, in which glucosinolates are degraded by myrosinases, forming toxic breakdown products such as isothiocyanates and nitriles. Various detoxification pathways and avoidance strategies have been found that allow different herbivorous insect taxa to deal with the glucosinolate-myrosinase system of their host plants. Here, we investigated how larvae of the leaf beetle species Phaedon cochleariae (Coleoptera: Chrysomelidae), a feeding specialist on Brassicaceae, cope with this binary defence. We performed feeding experiments using leaves of watercress (Nasturtium officinale, containing 2-phenylethyl glucosinolate as major glucosinolate and myrosinases) and pea (Pisum sativum, lacking glucosinolates and myrosinases), to which benzenic glucosinolates (benzyl- or 4-hydroxybenzyl glucosinolate) were applied. Performing comparative metabolomics using UHPLC-QTOF-MS/MS, N-(phenylacetyl) aspartic acid, N-(benzoyl) aspartic acid and N-(4-hydroxybenzoyl) aspartic acid were identified as major metabolites of 2-phenylethyl-, benzyl- and 4-hydroxybenzyl glucosinolate, respectively, in larvae and faeces. This suggests that larvae of P. cochleariae metabolise isothiocyanates or nitriles to aspartic acid conjugates of aromatic acids derived from the ingested benzenic glucosinolates. Myrosinase measurements revealed activity only in second-instar larvae that were fed with watercress, but not in freshly moulted and starved second-instar larvae fed with pea leaves. Our results indicate that the predicted pathway can occur independently of the presence of plant myrosinases, because the same major glucosinolate-breakdown metabolites were found in the larvae feeding on treated watercress and pea leaves. A conjugation of glucosinolate-derived compounds with aspartic acid is a novel metabolic pathway that has not been described for other herbivores.

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