独立したCucurbita pepoの家畜化イベントにおける防御的なククルビタシンの発散は、専門的な草食動物の嗜好性の違いにつながる

Divergence of defensive cucurbitacins in independent Cucurbita pepo domestication events leads to differences in specialist herbivore preference.

• Lauren J Brzozowski
• Michael A Gore
• Anurag A Agrawal
• Michael Mazourek

抄録

作物の家畜化と改良は、しばしば同時に害虫に対する植物の抵抗性と二次代謝物の生産に影響を与え、特定の代謝物に対する選択の生態学的意味合いを分離することが課題となっている。ククルビタシンは苦味のあるトリテルペノイドであり、ククルビタ科の系統間では表現型に極端な違いがあるが、草食動物の嗜好性、ククルビタシンの蓄積、およびその根底にある遺伝的メカニズムの統合的なモデルはまだ存在しない。Cucurburbita pepoでは、専門害虫（Acalymma vittatum）の複数の組織への嗜好性に及ぼす子葉のキュルビタシンの影響を明らかにし、多様な生殖形質と二親性F集団（2つの独立した家畜同士の交配）におけるキュルビタシン蓄積の基盤となる遺伝子座を評価し、育苗期の遺伝子発現と代謝物の定量的な関連を特徴づけた。アカリンマ・ビタタムの子葉への親和性はキュルビタシンを介しているが、他の形質が植物全体の抵抗性に寄与していることが明らかになった。子葉に蓄積されたキュルビタシンは集団構造と関連しており、我々の遺伝学的マッピングにより、系統間で分岐した輸送と制御に関連する遺伝子（生合成ではなく）を含む単一の遺伝子座（Bi-4）が同定された。これらの候補遺伝子は育苗期に発現しており、特に二次代謝物トランスポーターと考えられる遺伝子が顕著であった。これらの知見は、植物の害虫抵抗性のための育種には、コアとなる生合成遺伝子に加えて、防御的代謝物の調節や輸送に関連する遺伝子を標的とすることが必要であるという、検証可能な仮説を支持するものである。この論文は著作権で保護されています。無断転載を禁じます。

Crop domestication and improvement often concurrently affect plant resistance to pests and production of secondary metabolites, creating challenges for isolating the ecological implications of selection for specific metabolites. Cucurbitacins are bitter triterpenoids with extreme phenotypic differences between Cucurbitaceae lineages, yet we lack integrated models of herbivore preference, cucurbitacin accumulation, and underlying genetic mechanisms. In Cucurbita pepo, we dissected the effect of cotyledon cucurbitacins on preference of a specialist insect pest (Acalymma vittatum) for multiple tissues, assessed genetic loci underlying cucurbitacin accumulation in diverse germplasm and a biparental F population (from a cross between two independent domesticates), and characterized quantitative associations between gene expression and metabolites during seedling development. Acalymma vittatum affinity for cotyledons is mediated by cucurbitacins, but other traits contribute to whole-plant resistance. Cotyledon cucurbitacin accumulation was associated with population structure, and our genetic mapping identified a single locus, Bi-4, containing genes relevant to transport and regulation - not biosynthesis - that diverged between lineages. These candidate genes were expressed during seedling development, most prominently a putative secondary metabolite transporter. Taken together, these findings support the testable hypothesis that breeding for plant resistance to insects involves targeting genes for regulation and transport of defensive metabolites, in addition to core biosynthesis genes. This article is protected by copyright. All rights reserved.

This article is protected by copyright. All rights reserved.