精油の殺虫活性と油曝露に対する反応のトランスクリプトーム解析

Insecticidal Activity of Essential Oil and Transcriptome Analysis of in Response to Oil Exposure.

• Shanshan Gao
• Kunpeng Zhang
• Luting Wei
• Guanyun Wei
• Wenfeng Xiong
• Yaoyao Lu
• Yonglei Zhang
• Aoxiang Gao
• Bin Li

抄録

赤小麦粉ビートル（）は、世界的に貯蔵穀物の最も破壊的な害虫の一つである。ヨモギ）の精油（EO）は、ヨモギの成長、発育、生殖を阻害する強い毒性を持つことが知られている。 しかし、EOの毒性効果の根底にある分子機構は不明のままである。本研究では、ヨモギ幼虫をEOに曝露すると、カルボキシルエステラーゼ（CarEs）とチトクローム酸化酵素P450（CYP）の2つの解毒酵素が劇的に増加することを明らかにした。さらに、758 個の遺伝子が EO 処理した試料と対照試料の間で異なった発現を示した。遺伝子オントロジー（Gene Ontology: GO）解析に基づき、多くの異なる発現遺伝子（DEG）が、生物学的プロセスの調節、刺激に対する反応、抗原の処理と提示に関連する用語に富むことが明らかになった。その結果、EOは幼虫の抗酸化活性を阻害し、セリンプロテアーゼ（SP）、カテプシン（CAT）、リパーゼのシグナル伝達経路を部分的に阻害することで、幼虫の発育・生殖を阻害し、ストレス応答をダウンレギュレーションすることが明らかになった。さらに、これらのDEGは、銅-亜鉛-スーパーオキシドジスムターゼ（CuZnSOD）、ヘムペルオキシダーゼ（HPX）、抗酸化酵素、転写因子をコードする遺伝子の発現を誘導することで、間接的にカブトムシの発生と繁殖に影響を与えることが示された。さらに、DEGの大部分は、Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG)データベースの薬物代謝経路にマッピングされていた。注目すべきは、以下の遺伝子が検出された：6 ()、5 ()、14、3 ()、5 ()、6 ()、および2 ()であり、そのうち8、2、2、および3はEOに曝露した後に劇的にアップレギュレーションされた。残留 DEG は EO 曝露幼虫で有意に低下しており，処理されたカブトムシでは代謝解毒が部分的に補償されていることが示唆された。さらに， EO は / の過剰発現を誘導し，これらの遺伝子に対する RNAi は EO に曝露された幼虫の死亡率を有意に増加させた．これらの結果は、EOに応答する際のトランスクリプトーム変化の概要を提供するものである。

Red flour beetle () is one of the most destructive pests of stored cereals worldwide. The essential oil (EO) of (mugwort) is known to be a strong toxicant that inhibits the growth, development, and reproduction of . However, the molecular mechanisms underlying the toxic effects of EO on remain unclear. Here, two detoxifying enzymes, carboxylesterase (CarEs) and cytochrome oxidase P450 (CYPs), were dramatically increased in red flour beetle larvae when they were exposed to EO. Further, 758 genes were differentially expressed between EO treated and control samples. Based on Gene Ontology (GO) analysis, numerous differentially expressed genes (DEGs) were enriched for terms related to the regulation of biological processes, response to stimulus, and antigen processing and presentation. Our results indicated that EO disturbed the antioxidant activity in larvae and partially inhibited serine protease (SP), cathepsin (CAT), and lipase signaling pathways, thus disrupting larval development and reproduction as well as down-regulating the stress response. Moreover, these DEGs showed that indirectly affected the development and reproduction of beetles by inducing the expression of genes encoding copper-zinc-superoxide dismutase (CuZnSOD), heme peroxidase (HPX), antioxidant enzymes, and transcription factors. Moreover, the majority of DEGs were mapped to the drug metabolism pathway in the Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) database. Notably, the following genes were detected: 6 (), 5 (), 14 , 3 (), 5 (), 6 (), and 2 (), of which 8 , 2 , 2 , and 3 were up-regulated dramatically after exposure to EO. The residual DEGs were significantly down-regulated in EO exposed larvae, implying that partial compensation of metabolism detoxification existed in treated beetles. Furthermore, EO induced overexpression of /, and RNAi against these genes significantly increased mortality of larvae exposed to EO, providing further evidence for the involvement of / in EO metabolic detoxification in . Our results provide an overview of the transcriptomic changes in in response to EO.

Copyright © 2020 Gao, Zhang, Wei, Wei, Xiong, Lu, Zhang, Gao and Li.