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ISSN : 1225-0171(Print)
ISSN : 2287-545X(Online)
Korean Journal of Applied Entomology Vol.65 No.1 pp.29-40
DOI : https://doi.org/10.5656/KSAE.2025.11.0.053

Brain Transcriptomic Analysis of Fall Armyworm, Spodoptera frugiperda under Cold Exposure

Yeongtae Kim, Hyechan Hwang, Dayeon Lee, Youngjin Park*
Department of Plant Medicals, Gyeongkuk National University, Andong 36729, Korea
*Corresponding author:ypark@gknu.ac.kr
October 16, 2025 November 17, 2025 December 31, 2025

Abstract


To elucidate the molecular mechanisms underlying cold tolerance in Spodoptera frugiperda, a transcriptomic analysis was conducted on brain tissue following exposure to 4°C as cold temperature. A total of 266,051 unigenes were identified, among which 6,917 genes were significantly differently expressed under cold temperature. More genes were down-regulated than up-regulated overall in response to cold. Notably, several genes associated with cold stress were identified including those involved in protein stability, membrane protection, and energy metabolism. Among the differentially expressed genes (DEGs), Hsp and PEDS1 genes exhibited over 50-fold up-regulation, while RN7SK gene showed a dramatic 175-fold down-regulation in the cold-exposed group. Quantitative RTPCR validation of major DEGs confirmed expression trends consistent with RNA-Seq analysis. These findings provide a deeper molecular understanding of cold adaptation physiology in insects and offer potential molecular markers for studying cold resistance and environmental adaptation mechanisms in pest management.


Brain , Cold stress , DEG , Transcriptome , Spodoptera frugiperda

저온에 노출한 열대거세미나방 뇌의 전사체 발현 분석

김영태, 황혜찬, 이다연, 박영진*
국립경국대학교 자연과학대학 식물의학과

초록


열대거세미나방의 저온 내성에 관여하는 분자적 기작을 규명하기 위하여, 4°C 저온 처리 후 뇌 조직을 대상으로 전사체 분석을 수행하였 다. 그 결과 총 266,051개의 유니진(unigene)이 확보되었으며, 저온 처리군에서 6,917개의 유전자가 차등발현을 보였다. 저온 반응에서는 상향 조절 유전자보다 하향 조절 유전자가 전반적으로 더 많이 나타났다. 차등발현 유전자 중에서는 저온 스트레스 반응과 관련있는 단백질 안정화, 세포막 안정성, 및 에너지 대사 관련 유전자들이 다수 확인되었다. 특히 Hsp와 PGPEP1은 50배 이상 상향 조절되었고, RN7SK는 저온 처리군에 서 175배 수준으로 현저히 하향 조절되었다. 주요 차등발현 유전자에 대한 정량적 RT-PCR 분석 결과, RNA-Seq 분석과 일치하는 발현 경향이 확인되었다. 본 연구는 열대거세미나방의 저온 적응에 대한 분자생리학적 이해를 확장하며, 저온 저항성 및 환경 적응 연구를 위한 후보 분자마커 를 제시한다.


뇌 , 저온 스트레스 , 차등발현유전자 , 전사체 , 열대거세미나방

    온도는 곤충의 분포, 생존율, 개체군 밀도에 영향을 미친다 (Tobin et al., 2003). 곤충의 발달은 일정한 온도 범위에서만 가 능하며(Howe, 1967), 생리적 적온(thermal optimum)에 근접할 경우 대사율이 증가하여 발육 속도와 생존율이 향상된다(Jaworski et al., 2013;Begon et al., 2006). 그러나 적온 범위를 벗어난 고온이나 저온 환경에서는 발육 지연, 탈피 횟수 변화, 생존율 저하 등 부정적 영향이 나타난다(Aguilon et al., 2015). 이에 따 라 곤충은 행동적 회피, 이동, 휴면 등의 기작을 통해 불리한 환 경조건을 극복한다(Gullan and Cranston, 2010).

    나비목의 열대거세미나방(Spodoptera frugiperda)은 미주 지역의 열대 및 아열대 기후대를 원산지로 하고 있으며, 옥수수 등 화본과 작물을 포함한 넓은 기주범위를 가지고 있다(Sparks, 1979;Casmuz et al., 2010;CABI, 2019). 열대거세미나방은 고 온 환경에는 잘 적응하지만, 휴면 기작이 없어 저온기의 생존에 는 상대적으로 취약하다(Du Plessis et al., 2020). 따라서 이 종 은 겨울철에 더 온화한 지역으로 장거리 비행을 통해 이동하는 전략을 취한다(Gullan and Cranston, 2010). 따라서, 이러한 강 한 이동성으로 열대거세미나방은 2016년 아프리카에서 처음으 로 이 해충의 침입이 보고된 이후(Goergen et al., 2016), 중국, 한국, 일본, 호주 등 아시아와 태평양 지역으로 급속히 확산하고 있다(Du Plessis et al., 2020).

    곤충의 중추신경계(central nervous system, CNS)는 복부신 경삭과 뇌로 구성되며(Klowden, 2010), 온도 변화에 대한 생리 적 조절의 핵심 역할을 담당한다. 메뚜기(Locusta migratoria) 와 초파리(Drosophila melanogaster)를 대상으로 한 저온 노출 연구에서 운동마비(chill coma)는 주로 뇌를 포함한 중추신경계 에서의 확산 탈분극(spreading depolarization)과 칼륨 이온의 항 상성 교란으로 유발되며(Srithiphaphirom et al., 2022;Robertson et al., 2017;Armstrong et al., 2012), 급속내한성 유기(rapid cold hardening, RCH)나 저온 적응(cold acclimation)에 따라 온도에 반응하는 CNS의 민감도가 변한다고 보고되었다(Robertson et al., 2023). 이러한 결과는 곤충의 저온에 대한 반응이 단순한 근육 반응이 아닌 뇌 수준에서 이온 항상성과 신경내분 비 등의 조절로 강하게 좌우된다는 점을 시사한다.

    최근 RNA-Seq 기반의 전사체 분석은 곤충의 온도 스트레스 대응 기작을 유전자 수준에서 규명하는 핵심 연구 도구로 자리 잡고 있다(Li et al., 2020;Ahmed et al., 2025). 기존의 열대거세 미나방을 대상으로 한 저온생리 연구는 저온 환경에서 생존율 을 높이기 위해 RCH 기작을 통한 혈중 글리세롤(glycerol) 축적 을 통한 초냉각점(supercooling point) 하강과 글루코스(glucose) 로의 대사 전환의 촉진을 통한 에너지 항상성 유지를 통해 내한 성이 강화됨을 확인하였다(Vatanparast and Park, 2022;Gokulanathan et al., 2024). 이처럼 저온에 대응하는 열대거세미나방 의 체내 대사과정의 적응은 알려졌지만, 저온생리 반응을 조절하 는 중추신경계 수준의 상위 조절 기작은 아직 규명되지 않았다.

    본 연구에서는 전 세계적으로 분포범위를 확장하고 있는 열 대거세미나방의 뇌를 대상으로 저온 노출 시 일어나는 전사체 변화를 분석하여 중추신경계 수준에서의 저온 반응을 유전자 수준에서 규명하고자 하였다. 본 연구 결과는 곤충 뇌의 저온 적 응과 신경 조절 기작을 이해하는 데 기초 자료로 활용될 수 있으 며, 향후 열대거세미나방의 발생 예측 및 방제 전략 수립에도 기 여할 것으로 기대된다.

    재료 및 방법

    전사체 분석을 위한 열대거세미나방 유충의 온도 처리 및 뇌 조직 해부

    열대거세미나방(Spodoptera frugiperda) 유충은 온도 25 ± 1°C, 상대습도 60–65%, 광주기 16:8 (L:D)의 조건에서 인공 사료(F9772, Frontier Agricultural Services, Newark, DE, USA) 를 이용하여 실험실에서 사육하였다(Vatanparast and Park, 2022). 사육한 유충 중 6령 2일차 개체를 실험에 사용하였다. 저 온 처리군은 4°C에서 24시간 동안 노출시켰으며, 대조군은 동 일한 사육 조건(25°C)에서 유지하였다. 유충의 뇌는 해부현미 경(Leica EZ4, Leica Microsystems, Germany) 하에서 해부하 였다. 뇌 조직의 산화를 방지하기 위해 얼음 위에서 차가운 인산 완충액을 사용하여 유충의 머리를 분리하고, 외골격으로부터 뇌를 신속히 추출하였다. 각 처리는 3회 반복하였으며, 처리당 30마리의 유충을 사용하였다.

    RNA 추출 및 cDNA 라이브러리 제작

    저온 처리군과 무처리군으로부터 RNA를 추출하기 위해 시 료를 1.5 mL 튜브에 넣고 0.5 mL의 TRIzol 용액(Invitrogen, USA)을 첨가하였다. 멸균된 pestle로 균질화한 후 4°C에서 5분 간 원심분리하여 상층액을 분리하였다. 상층액에 0.1 mL의 chloroform을 첨가하여 혼합하고, 4°C에서 15분간 원심분리하 여 상층액을 다시 회수하였다. 회수된 상층액에 동량의 isopropanol을 첨가하여 실온에서 10분간 반응시킨 후, 4°C에서 10분 간 원심분리하여 RNA를 침전시켰다. 상층액을 제거한 후, RNA 침전물을 75% 에탄올로 세척하고 건조한 다음, DEPC가 처리된 멸균수 30 μL에 용해하였다. 추출된 RNA는 -80°C에서 보관하였으며, Oligo (dT) primer가 포함된 Maxim RT Premix Kit (Intron Biotechnology, Seongnam, Korea)를 사용하여 cDNA를 합성하였다.

    Illumina sequencing 및 De novo transcriptome assembly

    합성한 cDNA에 어댑터를 연결한 뒤 PCR을 수행하여 200– 400bp 크기의 삽입 서열을 가진 라이브러리를 제작 후 Illumina NovaSeq 시스템(Illumina, California, USA) 플랫폼에서 pairedend 101bp로 시퀀싱하였다. 시퀀싱 원시 자료(raw data)의 품질 은 FastQC (v0.11.7)로 평가하였으며, Trimmomatic (v0.38)을 사용하여 저품질, 어댑터 서열, 및 짧은 시퀀스 read를 제거하였 다. 확보한 clean read는 Trinity (version trinityseq_r20140717) 와 Bowtie (v1.1.2)를 이용하여 정제된 시퀀스를 de novo 방식 으로 조립하였다. 이후 조립된 전사체를 기반으로 RSEM (v1.3.1, Bowtie v1.1.2)을 활용하여 염기서열의 위치를 정렬하 고 유전자 발현량을 분석하였다. 각 3반복으로 진행한 무처리와 저온처리에서 각각 73.47 ± 4.75 million reads와 69.72 ± 7.18 million reads의 원시 서열(raw reads)이 생성되었다.

    유전자 기능 주석

    200bp 이상의 unigene에 대해 DIAMOND v2.1.6 (http://git hub.com/bbuchfink/diamond)과 NCBI의 BLASTN과 BLAST X 프로그램을 이용하여 기능 주석 및 유전자 동정을 수행하였 다. 기능 주석에는 E-value ≤ 10-5의 기준을 적용하였다. 상동 서열 검색은 Gene Ontology (GO; Ashburner et al., 2000), Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG; Kanehisa et al., 2004), NCBI Nucleotide (NT), NCBI nonredundant Protein (NR; Deng et al., 2006), UniProt/Swiss-Prot (Apweiler et al., 2004), Pfam (Finn et al., 2011), Cluster of Orthologous Groups of Proteins (COG; Tatusov et al., 2000), EggNOG (Powell et al., 2013) 등의 데이터베이스를 활용하여 수행하였으며, 이를 기반으로 unigene의 기능을 주석하고 분류하였다.

    유전자 발현량 산출 및 차등 발현 유전자 분석

    유전자 발현 분석을 위해 모든 시료에 대해 품질 검사를 수행 하고, 하나 이상의 read 카운트 값이 0인 유전자는 분석에서 제 외하였다. 유전자 발현량은 DESeq2 R 패키지를 이용하여 정규 화하였으며, 시퀀싱 과정에서 발생할 수 있는 체계적 편향을 보 정하기 위해 Relative Log Expression (RLE) 방법으로 사이즈 팩 터(size factor)를 추정하였다. P-value는 Benjamini–Hochberg 의 허위 발견율(False Discovery Rate, FDR) 절차에 따라 조정 하였다. 정규화된 발현 값을 기반으로 시료 간 유사성을 확인하 기 위해 계층적 군집 분석(Hierarchical Clustering Analysis)을 수행하였고, 전체 발현 데이터의 분산은 다차원 척도 분석(Multidimensional Scaling Analysis, MDS)으로 평가하였다. 유의한 차등 발현 유전자(Differentially Expressed Genes, DEGs)를 판 정하기 위한 기본 기준은 P < 0.05 및 |log2 fold change (FC)| > 2 로 설정하였다. 두 처리군 간 유전자 발현 차이는 R 통계 프로그 램(버전 4.3.1, R Foundation for Statistical Computing, Austria) 의 ggplot2 패키지를 이용하여 volcano plot으로 시각화하였으 며, SigmaPlot(버전 14.5, Systat Software, San Jose, CA, USA) 을 사용하여 막대그래프로 발현량을 나타내었다.

    Quantitative RT-PCR (RT-qPCR)

    저온 스트레스에 특이적으로 반응하는 유전자의 발현을 분 석하기 위해 6개의 유전자에 특이적인 프라이머(Table 1)를 이 용하여 RT-qPCR을 수행하였다. 실시간 유전자 증폭은 CFX Duet Real-Time PCR System (Bio-Rad, Hercules, CA, USA) 을 사용하였으며, SYBR Green 형광물질을 이용하여 형광 신호 를 실시간으로 검출하였다. PCR 반응은 SolgTM 2× Real-Time PCR Smart mix (SolGent, Daejeon, Korea)를 사용하였으며, 총 반응액(20 μL)은 10 μL의 PCR mix, 각 프라이머 1 μL, 및 200 ng의 cDNA로 구성하였다. 증폭 조건은 95°C에서 3분간 초 기 변성 후, 95°C에서 30초, 55°C에서 35초, 72°C에서 30초의 과정을 40회 반복하였으며, 최종적으로 72°C에서 10분간 연장 반응을 수행하였다. 각 처리는 3회 반복하였으며, 모든 반복은 독립적으로 수행하였다. Reference 유전자는 Elongation factor 1-alpha (EF1-α)을 사용하여 각 유전자의 상대 발현량을 표준 화하였다(Vatanparast and Park, 2022). 형광 신호는 Bio-Rad CFX Maestro 소프트웨어를 이용하여 실시간으로 분석하였고, 이를 통해 정량적 임계값(Critical Threshold, Ct)을 산출하였다. 다시 각 유전자의 Ct는 EF1-α 유전자 Ct에 대한 차이 (ΔCt)로 산출한 후, 이를 상대적 수치 (2-ΔΔCt)로 환산하여 비교하였다 (Livak and Schmittgen, 2001).

    통계분석

    그래프의 통계값은 평균±표준편차를 이용하여 나타내었다. 평균은 SAS 프로그램(SAS Institute Inc., 1989)을 이용하여 one-way ANOVA 분석을 하였다. 처리 평균 간 비교는 LSD 검 정을 사용하여 제1형 오류확률 0.05를 기준으로 하였다.

    결과

    RNA-Seq 분석

    열대거세미나방 6령 유충을 저온에 노출하였을 때 발현되는 전사체를 Illumina 플랫폼으로 분석하여 266,051개의 unigene 으로 구성된 12.2Gb의 염기서열을 확보했다(Table 2). 각 시료 의 Phred 품질지수(Q30)는 94% 이상으로 모든 시료에서 양호 하였다. 151bp의 read로 조립된 unigene의 평균 길이는 775bp 였으며, 전체 unigene 가운데 약 5.50%인 14,556 unigene이 단 백질 ORF로 예측되었다(Table 3). De novo 방식으로 read 정렬 을 한 결과, 열대거세미나방 무처리(25°C) 집단의 뇌에서 51.53 –54.70%, 저온처리(4°C)에 노출된 집단에서 52.49–57.91% 로 염기서열이 매칭되었다(Table 2). 상온(무처리) 대비 저온 처 리에 노출된 열대거세미나방 뇌의 전체 발현양상을 P-value를 이용한 heatmap으로 작성하여 시각화하였다(Fig. 1).

    차등 발현 유전자(DEG)의 분석 및 주석

    차등 발현 유전자 분석 결과, 유전자 발현량이 2배 이상 차이 가 나며 P-value가 0.05 미만인 유전자는 총 6,917개로 확인되 었으며, volcano plot 분석을 통해 차등 발현 유전자가 구분되었 다(Fig. 2A). 저온처리 집단은 상온의 대조군과 비교하여 2,980 개 유전자에서 발현량이 2배 이상 증가하였으며, 3,937개 유전 자에서는 발현량이 2배 이상 감소하였다(Fig. 2B). 유전자의 동 정과 기능 분석을 위해 7개의 annotation 데이터베이스를 탐색 하였으며, 기능 분석으로 GO, 유전자 동정으로는 NCBI의 NT 검색을 수행하였다(Table 4). GO의 유전자 기능 분석에서 전체 unigene 중 9.31%만 biological process, cellular component, 및 molecular function의 GO term에 해당함을 확인하였다(Fig. 2C). 세부적인 GO 분석 결과, biological process 부분에서 50종 의 유전자가 검출되었고 이 가운데 cellular process group이 14,454개의 read count로 가장 발현량이 많은 것으로 나타났다. Cellular components 부분에서는 19종의 유전자가 검출되었고 이 가운데 cell part group이 15,832개의 read count로 가장 많았 다. Molecular function 부분에서는 27종의 유전자가 검출되었 고, 이 가운데 binding group이 11,134개의 read count로 가장 많이 검출되었다. 차등 발현 유전자 분석 결과, 저온처리에 반응 하는 곤충 대사 관련 유전자가 검출되었으며 이에 대한 heatmap 분석으로 발현량을 시각화하였다(Fig. 3, Table 5). Biological process 영역에서 4개, molecular function 영역에서 19개의 유 전자가 확인되었다.

    저온 스트레스에 반응하는 유전자의 발현 분석

    저온 조건에서 적응과 생존에 관련 있는 5개의 특징적인 유 전자 그룹을 확인하였으며, 여기에는 Heat shock protein (Hsp), Plasmanylethanolamine desaturase (PEDS1), Trehalose transporter (Tret1), Aquaporin (Aqp), 및 Circadian clock-controlled protein daywake (DYW)가 해당하였다(Table 6). Hsp68과 관 련하여 4개의 유전자(c122111_g2_i1, c56860_g1_i2, c60851 _g1_i1, 및 c107859_g2_i1)가 확인되었으며, 저온 처리군에서 모두 상향 발현하였다. PEDS1는 1개의 유전자(c123489_g3_i1) 가 확인되었으며, 저온에서 하향 발현하였다. Tret1은 2개의 유 전자 c109636_g1_i (Tret1a)와 c100847_g3_i1 (Tret1b)가 확 인되었다. 이 중 Tret1a는 저온에서 상향 발현하지만, Tret1b는 하향 발현하였다. Aqp는 1개의 유전자(c108043_g1_i1)가 확인 되었으며, 저온에서 하향 발현하였다. DYW는 3개의 유전자 (c59282_g1_i2, c150726_g1_i1, 및 c97494_g1_i1)가 확인되 었으며, 모두 저온에서 하향 발현하였다. 또한, 전체 전사체 가 운데 발현량이 가장 높은 유전자는 Hsp68 (c122111_g2_i1)과 Pyroglutamyl-peptidase 1 (c124165_g1_i1)로 각각 53배와 54 배로 상향 발현하였으나, RNA component of 7SK nuclear ribonucleo protein (RN7SK) 유전자(c225797_g1_i1)는 173배 로 가장 크게 하향 발현하였다(Table 7).

    RT-qPCR에 의한 유전자 발현 검증

    RNA-Seq 분석에 의한 저온 스트레스에 반응하는 유전자들 의 발현 검증을 위해 Fragments Per Kilobase of transcript per Million mapped reads (FPKM) 값을 기준으로 대조군 대비 저 온 처리군의 발현량이 2배 이상 차이를 나타낸 Hsp68 (c122111 _g2_i1)과 Tret1a (c109636_g1_i2)의 2개 유전자와 2배 이상 발현이 감소된 PEDS1 (c123489_g3_i1), Tret1b (c100847_g3_ i1), Aqp (c108043_g1_i1), 및 DYW (c59282_g1_i2)의 4개 유 전자를 대상으로 RT-qPCR을 실시하여 DEG 분석에 의한 발현 량을 비교 검증하였다. FPKM 값과 RT-qPCR의 Ct 값 모두 P-value가 0.05 이하에서 서로 동일한 수준을 나타내어 DEG 분 석값을 신뢰할 수 있는 결과를 얻었다(Fig. 4). 따라서, RNA-Seq 기반 발현량 예측의 정확성을 뒷받침하고 주요 유전자의 발현 변화에 대한 신뢰성을 확인할 수 있었다.

    고찰

    다양한 곤충 종에서 저온 스트레스 반응 시 동결보호물질의 축적(Chen et al., 2023)과 HSP와 같은 단백질의 발현은 저온 저 항성과 관련되어 있다(Izadi et al., 2024;Kozeretska et al., 2022;Rozsypal, 2022). 본 연구는 온도 스트레스 반응 시 특이 유전자 의 발현과 저온 적응의 분자생리 기작을 파악하기 위해 열대거 세미나방을 저온에 노출시켜 전사체 발현 분석을 실시했다. De novo 방식으로 조립된 unigene은 대조군 및 저온 처리군에서 총 266,051개를 확보하였으며, 이 중 약 5.5%가 단백질 코딩 유전 자로 예측되었다. 이는 비모델 곤충에서 de novo transcriptome 분석의 한계를 반영함과 동시에, 기능이 규명되지 않은 새로운 단백질 유전자의 존재 가능성을 시사한다. Read mapping 비율 은 대조군에서 51–54%, 저온 처리군에서 52–56%로 유사하 게 나타났으며, RNA 품질 및 시퀀싱 데이터의 일관성이 확보되 어 DEG 결과의 신뢰도를 높였다. 이는 저온 스트레스가 전체 전사체 구조에 급격한 변화를 유발하지 않으면서도 특정 유전 자 수준에서 선택적 조절이 이루어지고 있음을 의미한다.

    DEG 분석 결과 6,917개의 유전자가 유의미한 발현 변화를 보였으며, 이 중 2,980개는 증가하였으나, 3,937개는 감소하여 저온 적응에 관여하는 유전자들의 폭넓은 반응이 확인되었다. 저온 반응 유전자의 감소가 더 많은 것은 스트레스에 노출 시 생 리적 에너지 절약 및 대사 억제 경향이 우세함을 뒷받침하며, 이 는 토마토뿔나방(Tuta absoluta)의 성충에서도 하향 발현 유전 자가 상향 발현 유전자보다 약 3배 이상 많았다는 Zhao et al. (2025)의 보고와 유사하다. 본 연구에서도 호흡활성, 에너지 보 존, 및 해당 후 산화적 인산화 경로를 억제하는 유전자의 하향 발현이 상향 발현보다 높았다(Table 7). 저온 스트레스 동안 에 너지 소비를 최소화하고, 산화적 대사를 일시적으로 억제하는 생리기작에 관여하는 Cytochrome c oxidase subunit 4 유전자 와 같이 Superoxide dismutase (c73821_g1_i1)와 Coppertransporting ATPase 1 (c127168_g2_i7) 유전자의 발현이 열대 거세미나방에서 각각 8.26배와 2.12배 감소하였으며, Sodiumcoupled monocarboxylate transporter 1 (c121232_g1_i1) 유전 자의 발현이 3.20배 하향 발현하여 산화적 인산화 경로를 억제 할 것으로 판단된다. 이 외에도 Sodium/Monocarboxylate Cotransporter Member 8 유전자와 동일하게 Monocarboxylate transporter 10 (c124465_g1_i3) 유전자가 2.79배 하향 발현되 어 에너지 기질의 세포 내 수송억제를 통한 대사 억제에 관여할 수 있음이 확인되었다. 이와 같이 곤충 종과 발육단계와 상관없 이 저온처리 후 발현이 억제된 유전자가 더 많은 것은 대사 억제 및 에너지 절약, 스트레스 대응 유전자의 특이적 활성화, 생존 우선 및 비필수 기능의 일시적 중단 등 저온 스트레스에 대응하 여 전반적인 대사 활동을 억제하고 에너지 소비를 최소화하는 현상으로 해석된다.

    유전자 기능 파악을 위한 GO 분석에서 전체 unigene 중 약 9.31%만 GO term에 할당된 점은 아직 기능이 알려지지 않은 유 전자가 많음을 보여주며, 새로운 저온 반응 유전자의 발굴 가능 성을 내포한다. Metabolic process, cell part, catalytic activity, binding 등 세포 대사, 구조 유지, 생화학적 반응 촉매, 단백질 간 상호작용 관련 기능이 높은 비율로 나타났으며, 이는 해당 유전 자가 저온 환경에서 생리적 항상성과 에너지 대사 균형을 유지 하는데 관여함을 시사한다. 특히, Hsp68와 Hsp12 유전자는 각 각 53배와 6배로 발현이 증가하였고, Transcripts Per Million (TPM) 기준 Hsp68은 대조군 평균 3.7 TPM에서 저온 처리군 평균 206.5 TPM으로 약 55.4배 증가하였다. 이는 세포 내 단백 질 보호 및 항상성 유지 기작이 저온 스트레스 하에서 활성화된 것을 보여준다(King and MacRae, 2015;Sørensen et al., 2003). 그러나 PEDS1와 Aqp는 세포막 보호와 관련한 유전자에 속하 면서도 저온 조건에서 모두 하향 발현하였다. 이는 저온 환경에 서 세포막의 경화 방지와 세포 내 수분 손실을 최소화하려는 물 리·화학적 안정화 전략으로 해석된다. 이 두 유전자는 배추좀나 방(Plutella xylostella)과 굴파리류의 일종인 Liriomyza trifolii 에서도 발현이 확인되었으며 세포막과 수분 조절 체계의 하향 조절은 세포 에너지 소모를 줄이면서 저온 조건에서 세포의 구 조적 안정성 유지에 관여하는 것으로 보인다(Kim and Lee, 2019;Zhang et al., 2024). 저온 노출에 따른 대사 관련 유전자 중 Tret1은 발현 양상이 상반되는 이중 조절 양상을 보였다. 본 연구에서 확인된 Tret1 유전자 가운데 Tret1a는 상향 발현하지 만, Tret1b는 하향 발현하여 트레할로스 대사 경로에서 동일 유 전자의 isoform 간 차등 조절 가능성을 시사한다. 이러한 현상은 서로 다른 transcript isoform의 존재와 스트레스 조건에 따른 차 등 조절 때문일 수 있다(Ueda et al., 2024;Vatanparast and Park, 2022). 또한, 대사 관련 유전자인 DYW도 저온 조건에서 하향 발 현하였다. 이는 곤충의 활동 조절 및 생체 리듬 관련 유전자로서 저온 조건에서 열대거세미나방의 행동 억제를 통한 대사율 저 하를 불러와 생존율을 높이려는 저온 특이적인 유전자로 판단 된다(Liao et al., 2024). 그러나 전사 조절 관련 유전자인 RN7SK 는 오히려 저온처리 시 173배 하향 발현하였다. 이같이 온도 스 트레스가 small noncoding RNA의 발현량 변화에 관여한다는 보고가 콜로라도잎벌레(Lepinotarsa decemlineata)에서 있었 다(Youssef et al., 2022). 이는 극단적인 전사 억제를 통해 저온 스트레스 하에서 생존에 필수적인 유전자의 활성을 선택적으로 조절하려는 저온 적응적 전사 억제 기작으로 해석된다. 이와 같 은 현상은 자외선 및 산화 스트레스 조건에 노출된 포유류에서 보고되었으나(Peterlin et al., 2012), 아직 곤충에서는 아직 그 기능이 명확하게 규명되지 않았다. 한편, PGPEP1 유전자는 54 배 이상 상향 발현하였으며, 이 유전자는 저온 노출 시 신경 펩 타이드의 안정성 유지 및 회복에 기여한다(Dando et al., 2003).

    차등 발현 유전체 정보의 기능적 해석에 기반하여 열대거세 미나방의 뇌 전사체 결과를 종합하면 저온 노출 시 세포 보호 및 신경계 회복을 위한 적극적 대응 기작과 에너지 절약 및 비필수 기능 억제를 통한 상반된 조절 전략을 병행하여 스트레스 환경 에서의 생존 효율을 극대화하는 것으로 판단된다.

    RNA-Seq 기반 DEG 분석과 RT-qPCR 검증 결과는 대부분 의 유전자에서 통계적으로 유의한 일치를 보였으나, Tret1b와 DYW 유전자는 RNA-Seq에서는 하향, RT-qPCR에서는 상향 으로 나타나 일부 발현 방향의 불일치가 관찰되었다. 이러한 차 이는 RNA-Seq이 전체 전사체 수준의 정량, RT-qPCR은 특정 exon 혹은 isoform 표적 정량을 수행하기 때문에 발생할 수 있 으며, 이는 Everaert et al. (2017)이 보고한 alternative splicing 및 primer 위치 차이에 따른 발현 방향 불일치 현상과도 유사하 였다. 아울러, 이 연구에서 발굴한 주요 유전자들은 향후 곤충의 내한성 기작 규명 및 분자 기반 방제 전략 개발을 위한 유전자 마 커(gene marker)로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

    사사

    이 연구는 한국연구재단의 우수신진연구(RS-2024-00357273) 와 농촌진흥청의 신농업기후변화대응체계구축 사업(RS-2024- 00399279)의 지원을 받아 수행하였습니다.

    저자 직책 & 역할

    • 김영태: 국립경국대학교, 전문연구원; 자료 분석 및 논문 작 성 및 검토

    • 황혜찬: 국립경국대학교, 학부생연구원; 실험수행 및 자료 정리

    • 이다연: 국립경국대학교, 대학원생연구원; 실험수행

    • 박영진: 국립경국대학교, 교수; 연구기획, 실험설계, 및 논문 작성 및 검토

    모든 저자는 원고를 읽고 투고에 동의하였음.

    Figure

    KJAE-65-1-29_F1.jpg

    Heatmap of differential expression of cold metabolismrelated genes between control (CON) and low-temperature exposed (LOW) groups in Spodoptera frugiperda. The heatmap was generated using log Fragmented Per Kilobase of transcript per Million mapped reads (FPKM) values.

    KJAE-65-1-29_F2.jpg

    Analysis of differentially expressed genes (DEGs) in Spodoptera frugiperda after exposure to cold stress. (A) Volcano plot comparing control (CON) and low-temperature exposed (LOW) fold-change (FC) values and -Log P-values were used to generate the volcano plot. (B) DEGs between CON and LOW, selected with threshold levels of > 2 FC and P-value < 0.05 in Fragments Per Kilobase of transcript per Million mapped reads (FPKM) values. (C) Gene Ontology (GO) analysis of DEGs performed for biological process, cellular component, and molecular process.

    KJAE-65-1-29_F3.jpg

    Heatmap of differential expression of cold metabolism-related genes between control (CON) and low-temperature exposed (LOW) groups in Spodoptera frugiperda. The heatmap was generated using log Fragmented Per Kilobase of transcript per Million mapped reads (FPKM) values. The genes were selected from Table 5.

    KJAE-65-1-29_F4.jpg

    Comparative validation of RNA-Seq results by reverse transcription-quantitative PCR (RT-qPCR) for differentially expressed genes (DEGs). Hsp68; Heat shock protein 68, PEDS1; Plasmanylethanolamine desaturase 1, Tret1a/b; Trehalose transporter a/b, Aqp; Aquaporin, DYW; Circadian clock-controlled protein daywake. Asterisk above the asterisk above the bar indicates a significant difference between the treatment and the control group (P < 0.05, least significant difference (LSD) test). “ns” indicates a nonsignificant difference (P ≥ 0.05). All the samples were replicated independently three times.

    Table

    Primer set for RT-qPCR of cold metabolism-related genes in Spodoptera frugiperda

    RNA-Seq results of Spodoptera frugiperda under control (CON) and low-temperature (LOW) conditions

    Statistics of open reading frame (ORF) prediction

    Statistics of annotation analysis of unigenes

    Gene ontology analysis of cold metabolism-related genes in Spodoptera frugiperda

    Differential expression of cold stress-responsive genes in Spodoptera frugiperda

    Gene list of highly changed Fragments Per Kilobase of transcript per Million mapped reads (FPKM) values in differentially expressed genes

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    Vol. 40 No. 4 (2022.12)

    Journal Abbreviation Korean J. Appl. Entomol.
    Frequency Quarterly
    Doi Prefix 10.5656/KSAE
    Year of Launching 1962
    Publisher Korean Society of Applied Entomology
    Indexed/Tracked/Covered By