벗초파리(Drosophila suzukii)는 베리류 작물, 체리, 포도 등 광범위하게 분포하는 해충으로(Lee et al., 2011), 톱니 모양의 산란 기관을 이용해 신선한 성숙 과일 내부에 알을 낳는 특징을 가지고 있다(Jeon et al., 2022;Seok et al., 2022). 부화한 유충 은 과일 속으로 파고들기 때문에 초기에 감염을 감지하기가 어렵고, 암컷의 산란기관과 유충에 의해 일어나는 상처로 인해 병원체에 의한 이차 감염이 발생한다(Biondi et al., 2016;Goodhue et al., 2011;Walsh et al., 2011). 더 나아가 열매 수확량 감소, 관리 비용 증가(Goodhue et al., 2011), 검역해충으로서 수출이 거부될 가능성 등으로 인해 상당한 경제적 손실이 발생한다 (Haviland and Beers, 2012). 국내에서 큰 피해는 보고된 바가 없 으나, 북미 유럽 등 해외에서는 경제적으로 심각한 피해가 보고 되었으며, 검역적인 조치가 고려되고 있다(Calabria et al., 2010;Hauser, 2011). 아직까지 벗초파리가 발생하지 않은 호주에서는 벗초파리 발생 국가의 식용 포도 수입에 대하여 적극적인 검역적 조치를 요구하고 있다(Biosecurity Australia, 2011).
훈증제는 밀폐된 공간에서 해충을 소독, 살균 또는 제거하는 데 사용되는 휘발성 화학 물질이다. 농작물, 저장 식품 등을 해 충의 침입 및 손상으로부터 보호하기 위해 농업, 저장 시설 및 검역에 자주 사용된다. 훈증제에는 에틸포메이트(ethylformate, EF) 및 포스핀(phosphine, PH3), 메틸브로마이드(methylbromide, MeBr) 등이 포함된다. EF는 식물에서 발생하는 휘발성 물질로, 노출 시간이 짧고 빠르게 가수분해되어 잔류물이 없는 장점이 있지만(Jeon et al., 2022), 침투 효과가 낮고 살충작용에는 높은 농도가 필요하다(Kim et al., 2019;Kwon et al., 2023). 또한 PH3은 acetylcholine esterase를 억제함으로써 독성이 발생하며(Nath et al., 2011), 저장된 곡물 및 다양한 저장 상품의 해충을 통제하기 위해 널리 사용된다(Alzahrani and Ebert, 2023). PH3는 인산으로 분해되며 세포 대사에 사용되기 때문에 작물에 부작용을 미치지 않으며(Nath et al., 2011) 폭발을 억제하기 위해 이산화탄소와 병용 처리하는 것은 저장된 곡물의 해충을 죽이는 데 효과적이다(Athié et al., 1998;Manivannan et al., 2016). 잔류물이 없고 비용이 적게 드는 것, 효과적인 침투가 PH3의 장점이다(Chaudhry, 1997).
저온을 이용한 검역해충 관리는 카리브과실파리(Anastrepha suspensa), 퀸즐랜드 초파리(Bactrocera tryoni), 귤과실파리 (Bactrocera dorsalis) 등에 대한 해충 방제를 위해 연구되어 왔 다(Armstrong and Whitehand, 2005;Benschoter, 1984;Burikam et al., 1992;Jessup, 1992;Seok et al., 2022). 최근에는 훈증제를 이용한 단일 처리나 저온과의 복합처리를 이용한 해충방제가 연구되고 있다. 벗초파리 Drosophila suzukii (Diptera: Drosophilidae), 복숭아심식나방 Carposina niponensis (Lepidoptera: Carposinadae), 귤과실파리 Bactrocera dorsalis (Hendel; Diptera: Tephritidae)와 같은 여러 해충에 대해 포스핀과 저온, 에틸포 메이트와 저온 등의 다양한 훈증 복합 처리가 보고되었다(Bo et al., 2010;Liu et al., 2018;Kwon et al., 2021).
최근 연구에 따르면 EF의 경우, 단독 훈증 처리 시 D. suzukii 번데기의 50% lethal concentration time (LCT50) 값인 47.90 mg·h/L로 4시간 훈증 후 5일 동안 저온 처리(1°C)한 훈증 복합 처리 효과를 확인한 결과, 100% 사망률을 보임으로써 복합 처 리의 상승 효과를 확인하였다(Jeon et al., 2022). PH3의 경우, 단독 훈증 처리 시 D. suzukii 번데기의 LCT99 값이 53.20 mg·h/L 의 결과를 보였고, 단독 저온 처리 시 1°C에서 7일 동안 처리해야 98%의 사망률을 보였다. 하지만 훈증 후 1일 저온 처리(1°C) 시 LCT99 값으로 10.49 mg·h/L를 보임으로써 단독 처리와 약 5배 차이를 보였다(Seok et al., 2022).
복합 처리 중 저온 처리는 과채의 상업적 가치 유지를 위한 저온 보관과 동시에 이루어지기 때문에 시간 효율이 높고, 제품 손상이 적다. 또한 훈증제의 처리가 간편하며, 처리 조건의 조 절이 용이하다는 장점이 있다.
그러나 훈증제와 저온의 복합처리에 의한 벗초파리의 생리학적 변화는 분자 수준에서 거의 밝혀지지 않았다. 따라서 세포 내 호흡의 전자 수송 사슬에서 cytochrome oxidase의 활성을 억제하는 EF와 PH3의 생화학적 메커니즘을 고려할 때(Haritos and Dojchinov, 2003;Nakakita, 1976;Nath et al., 2011), 이들의 상승 효과를 이해하기 위해서는 벗초파리 체내의 대사체 물질 변화를 분석하고 세포 내 단백질 발현 변화에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 복합 처리의 상승 효과에 대한 증거를 얻기 위해 저온 처리와 두 훈증제인 EF 및 PH3에 의해 유발된 단백질 발현 변화를 비교하여 메커니즘을 밝히고자 하였다.
재료 및 방법
시험곤충
본 실험에 사용한 벗초파리는 2020년 경기도 농업기술원 곤충사육실에서 누대 사육해온 실험실 개체를 분양받은 것으로, 충북대학교 식물의학과 곤충생태 및 독성학 실험실 사육실에서 인공사료와 설탕물(20%)를 먹이로 하여 사육하였다. 실내 사육조건은 온도 21-23°C, 광주기 16L:8D, 상대습도 50-60 %로 조절하였다(Dalton et al., 2011). 인공사료는 distilled water 1 L 기준으로 agar (8 g), cornmeal (84 g), sugar (37.6 g), yeast (24 g), methylparaben (1.6 g), green food coloring (Saerohands, Namyangju, Republic of Korea) (2 ml) 비율로 넣고 15분 동안 끓인 후 63°C로 식힌 후 propionic acid (11.4 ml/L)를 넣고 혼합하였다. 최종혼합액은 breeding dish(Φ 100 ´ 40 mm)에 분주하여 굳힌 뒤 뚜껑을 덮어 4°C에서 냉장 보관하였다.
시험약제
EF (97%)는 Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)에서 구입 하였고, PH3 (2% PH3 + 98% CO2)는 Dongbu Farm Hannong Co. Ltd. (Vivakill, Daejeon, Republic of Korea)로부터 구입하였다.
훈증 실험
30마리의 번데기를 물에 적신 여과지에 세팅하여 petri dish 에 담았다. 훈증 단독, 저온 단독 및 복합 처리 방법은 다음과 같다. EF(LCT50, 20 mg/L) 또는 PH3(LCT50, 1.1 mg/L)의 훈증 효과는 20 × 1°C에서 4시간 동안 밀봉된 12L 데시케이터(Bibby Scientific, Stapordshire, UK)에서 실험하였다. 저온 처리는 1°C에서 24시간 동안 수행되었다. 4시간 동안 각 훈증 처리한 후 번데기를 24시간 동안 저온(1°C)에 노출시켰다. 각 그룹의 번데기를 microtube에 옮긴 후 -60°C에서 냉각하였다. 모든 처리 및 대조군은 3회 반복하였다.
TUNEL assay
TUNEL assay kit (BrdU-Red ab66110, Abcam, Cambridge, UK)를 사용하여 manual을 준수하여 수행하였다. 벗초파리 번데기를 액화질소를 이용하여 균질화한 뒤, 인산완충용액 (100 mM phosphate buffered saline: PBS, pH 7.4) 0.5 mL를 첨가하고 cell strainer를 이용하여 cell을 분리하였다. 얻은 cell에 4% (w/v) formaldehyde 용액 1 mL를 첨가하여 얼음 위에서 15분 간 고정시켰다. 고정액을 제거하기 위해 저온에서 5분간 원심 분리(300 ×g) 후 상등액을 제거한 뒤 ice-cold PBS로 2회 세척 하였다. PBS 0.5 mL로 재현탁 후 ice-cold 70% 에탄올을 첨가하고 30분 동안 얼음 위에 보관하였다. 1 × 106 개 세포를 5분간 원심분리 후 wash buffer로 2회 세척하였다. DNA labelling 용액 50 μL (TdT Reaction Buffer 10 μL, TdT Enzyme 0.75 μL, Br-dUTP 8 μL, ddH2O 32.25 μL)에 현탁시키고 37°C에서 60 분간 배양하였다. Rinse buffer로 2회 세척 후 antibody 용액 0.1 mL (Anti-BrdU-Red antibody 5 μL, Rinse Buffer 95 μL)로 재현탁 후 실내 암조건에서 30분간 배양하였다. 7-AAD/RNase A 용액 0.5 mL를 첨가 후 실내 암 조건에서 30분간 배양 후 유세포 분석기(FACSymphony A3, Becton Dickinson, UK)를 사용 해 분석하였다.
단백질 추출
벗초파리에서 단백질 추출은 다음과 같이 진행되었다. 시료에 8.4 M urea, 2 M thiourea, 4%(w/v) 3-[(3-cholamidopropy) dimethyammonio]-1-propanesulfonate (CHAPS), 1%(w/v) dith iothreitol(DTT), 2%(v/v) pharmalyte, 40 mM Tris base로 구성된 2DE lysis solution과 혼합하였다. 그리고, 단백질 추출을 위해서 1시간 동안 vortexing 하였으며, 25°C에서 12,000 rpm 으로 1시간 동안 원심분리하여 상층액을 이차원전기영동의 시료로 사용하였다. 단백질의 농도 측정은 Bradford 법으로 수행 하였다(Bradford, 1976).
이차원전기영동
일차 Isoelectric focusing (IEF)를 위하여 IPG strips은 7 M urea, 2 M thiourea, 2% 3-[(3-cholamidopropy)dimethyammonio]- 1-propanesulfonate (CHAPS), 1% dithiothreitol (DTT), 1% pharmalyte로 구성된 reswelling 용액으로 상온에서 12-16시간 정도 reswelling 되었다. Strip 당 시료는 각각 900 ug씩을 사용하였으며, Amersham Biosciences 사의 Multiphore II system을 이용하여 제조회사의 사용 manual을 준수하여 20°C에서 IEF를 수행하였다. IEF 조건은 150 V에서 3,500 V까지의 도달시간을 3시간 되게 하였으며, 3,500 V에서 26시간 지속되도록 하여 최종적으로 96 kVh가 되도록 설정하였다. 이차적으로 SDSPAGE를 수행하기 전에 IPG Strips을 1% DTT를 함유한 equilibration buffer (50 mM Tris-Cl, pH 6.8, 6 M urea, 2% SDS, 30% glycerol)로 10분간 incubation 하였으며, 곧바로 2.5% iodoacetamide를 함유한 equilibration buffer로 10분간 더 incubation 하였다. Equilibration이 완료된 strips를 SDS-PAGE gels (20 ´ 24 cm, 10-16%) 위에 배열시키고, Hoefer DALT 2D system (Amersham Biosciences)을 이용하여 20°C에서 최종적으로 1.7 kVh가 되게 전개하였다. 이차원전기영동이 완료된 이차원 젤의 단백질은 Oakley (Oakley, 1980) 등의 방법에 따라 Colloidal CBB 염색으로 시각화 되었으며, 질량분석기에 의한 단백질 동정을 위하여 glutaraldehyde 처리 단계는 생략되었다. Colloidal CBB 염색된 이차원 젤은 AGFA 사의 Duoscan T1200 scanner로 scanning 되어 확장자가 TIFF 인 파일의 형태로 컴퓨터에 저장되었다.
이미지 분석
스캐닝된 이미지로부터 단백질 spots의 발현변화 확인을 위한 정량적인 분석은 PDQuest software (version 7.0, BioRad)를 이용하여 수행하였다. 각 spot의 quantity는 total valid spots의 intensity로 평준화(normalization)되었으며, 대조군에 비해 두 배 이상의 유의한 발현변화를 보여주는 단백질 spots를 선정하였다.
결 과
Apoptosis 패턴 분석
훈증제 단독 처리보다 저온과의 복합 처리 시 벗초파리 살충 효과가 증진되는 이유를 분석하고자 Tunel assay를 이용하여 apoptosis 진행 여부를 확인하였다(Fig. 1). 그 결과, 무처리(1.1%) 대비 저온(5.6%), PH3(4.2%), EF (19.1%) 각각을 단독으로 처리 시에 세포의 apoptosis 경향이 증가하는 것을 볼 수 있었고, PH3+저온(11.7%), EF+저온(20.5%)로 각각의 훈증제와 저온의 복합 처리 시에 apoptosis가 더 많이 증가하는 것을 볼 수 있었다. 단, 그룹별 약간의 pattern 차이를 보였다.
MALDI-TOF/TOF를 이용한 단백체 분석
훈증제(PH3, EF) 단독 처리 및 저온과의 병합 처리 후 벗초파리 내 단백질 발현변화를 알아보기 위해 번데기 샘플을 각각 2DE lysis solution에 suspension하여 단백질을 추출하였다. 시료당 900 ug을 사용하여 2DE를 하고, Colloidal CBB로 염색하였다. 그 결과 평균적으로 약 800개의 spot이 관찰되었고(Fig. 2), 무처리구 시료를 기준으로 훈증제 단독 처리, 저온과의 병합 처리 시료 중 어느 한 시료에서라도 normalize된 spot intensity를 기준으로 2배 이상의 증가 또는 감소를 보이는 spot은 모두 515개였다.
그 중 가장 변화폭이 심한 42개 spot을 동정한 결과, 일부는 동정이 되지 않았고 PH3 단독 처리보다 저온과의 복합 처리에서 발현량이 증가한 단백질(7종)은 tubulin glycylase 3B, Cathepsin D, Gliolectin, Glycerol-3-phosphate acyltransferase 4, isoform E, Paramyosin, long form, Glutamyl-tRNA(Gln) amidotransferase subunit C, mitochondrial, Heat shock protein 83 이다(Table 1). 또한 PH3 단독 처리보다 저온과의 복합 처리에서 발현량이 감소한 단백질(6종)은 Isoform C of Galactosylgalactosylxylosylprotein 3-beta-glucuronosyltransferase P, Larval serum protein 2, Delta-1-pyrroline-5-carboxylate synthase, Odorant receptor 43a, Staphylococcal nuclease domain-containing protein 1, Malate dehydrogenase이다. EF 단독 처리보다 저온과의 복합 처리에서 발현량이 증가한 단백질(4종)은 Regucalcin homologue, Prolyl endopeptidase, Probable cytochrome P450 304a1, Tubulin alpha-1 chain이다. 그리고 EF 단독 처리보다 저온과의 복합 처리 후 발현량이 감소한 단백질(2종)은 Fructose- bisphosphatase와 Pyruvate dehydrogenase E1 component subunit alpha이다.
고 찰
본 연구에서는 훈증제와 저온 단독, 그리고 이들의 복합처리에 의한 벗초파리 체내 단백질 발현 변화를 조사했다. 이전 결과에서(Jeon et al., 2022;Seok et al., 2022) 훈증제 또는 저온 단독처리보다 이들을 복합처리 했을 때 벗초파리의 살충효과가 훨씬 높게 나타난 이유를 규명하기 위해 먼저 apoptosis를 확인했다. 그 결과, 무처리, 단독 처리, 복합 처리 순으로 apoptosis 경향이 증가하는 것을 볼 수 있었다. COX (Cytochrome c oxidase) 억제가 산화 스트레스에 대한 미토콘드리아 세포사멸 반응을 가속화하는 것을 고려한다면(Schüll et al., 2015), EF와 PH3가 COX의 활성을 억제하는 생화학적 메커니즘과(Haritos and Dojchinov, 2003;Nakakita, 1976;Nath et al., 2011) 연결되는 결과로 볼 수 있다. 저온 복합 처리에서 apoptosis가 더 많이 발현한 것 또한 상온에 비해 저온의 미토콘드리아에서 succinate oxidase system의 더 높은 비활성이 관찰되는(Wodtke, 1981) 결과가 있었기 때문에, 저온과 훈증제의 상승 효과로 추측할 수 있다. 흥미롭게도 EF와 PH3의 apoptosis pattern은 약 간의 차이를 보였는데, 이러한 결과는 변화된 지질체나 단백체의 영향 또는 세포 내 반응 경로의 변화 등 여러 가능성이 있음을 시사하며, 추후 연구에서 추가적인 분석이 필요하다. MALDITOF/ TOF를 이용한 단백체 분석을 통하여 2배 이상의 증감을 보인 spot 중에 가장 변화폭이 심한 42종을 확인하였고, 이 중 19종을 동정하였다.
PH3 단독 처리보다 저온과의 복합 처리에서 발현량이 증가한 단백질(7종)은 tubulin glycylase 3B, Cathepsin D, Gliolectin, Glycerol-3-phosphate acyltransferase 4, isoform E, Paramyosin, long form, Glutamyl-tRNA (Gln) amidotransferase subunit C, mitochondrial, Heat shock protein 83이다(Table 1). 또한 PH3 단독 처리보다 저온과의 복합 처리에서 발현량이 감소한 단백질(6종)은 Isoform C of Galactosylgalactosylxylosylprotein 3- beta-glucuronosyltransferase P, Larval serum protein 2, Delta- 1-pyrroline-5-carboxylate synthase, Odorant receptor 43a, Staphylococcal nuclease domain-containing protein 1, Malate dehy- drogenase이다. EF 단독 처리보다 저온과의 복합 처리에서 발현량이 증가한 단백질(4종)은 Regucalcin homologue, Prolyl endopeptidase, Probable cytochrome P450 304a1, Tubulin alpha-1 chain이다. 그리고 EF 단독 처리보다 저온과의 복합 처리 후 발현량이 감소한 단백질(2종)은 Fructose-bisphosphatase 와 Pyruvate dehydrogenase E1 component subunit alpha이다.
이 중 apoptosis와 연관된 단백체는 2종류로, PH3에서 증가한 Cathepsin D는 p53-dependent apoptosis에 참여하며(Kågedal et al., 2001), 직접적으로 세포사멸을 유도할 수 있다고 보고되었다(Deiss et al., 1996;Roberg et al., 2002;Schestkowa et al., 2007). 또한 Heat shock protein 83도 증가하는데, 이는 산화 스트레스의 증가로 연결된다(Paula et al., 2016).
그 외 동정된 단백질 중 증감한 단백체의 다수는 apoptosis와 직접적으로 연관되어 있지 않다. 하지만 이러한 단백체들은 세포의 생리학적 기능과 대사 경로를 조절하여 세포의 생존과 기능을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. PH3에서 증가한 Gliolectin은 배아 신경 세포 간의 상호 작용을 조절하고, 세포 간의 분자 인식을 중재하여 신경 발달과 세포 간 신호 전달을 조절한다(Tiemeyer and Goodman, 1996). PH3에서 감소한 Larval serum protein 2는 주요 유충 혈청 단백질(hexamerin)을 암호화한다 (Mousseron-Grall et al., 2004). Hexamerin은 일반적으로 영양소 저장 및 영양 신호 전달에 관여하는 것으로 알려져 있다(Burmester and Scheller, 1999). EF에서 증가한 Prolyl endopeptidase 는 중추신경계에서 신경 펩티드 분해 역할을 할 수 있는 단백질 분해 효소이다(Irazusta et al., 2002).
연구의 종합적인 결과는 벗초파리에 대한 훈증제 처리가 생화학적 및 단백질 수준에서 다양한 변화를 초래한다는 것을 시사하며, 벗초파리의 생리학적 변화를 확인하는 중요한 지표가 될 수 있다. 이들의 역할은 훈증제의 작용 기전을 자세히 밝힐 수 있는 증거를 제공한다. 따라서 본 연구는 수출입 검역 과정에서 훈증 또는 저온 처리가 필요한 지의 여부를 판단할 수 있는 바이오 마커의 개발에 유용한 자료로 사용될 수 있다.