マツ材線虫Bursaphelenchus xylophilusのβ-ピネンストレスへの適応

Adaptation of pine wood nematode Bursaphelenchus xylophilus to β-pinene stress.

• Yongxia Li
• Yuqian Feng
• Xuan Wang
• Jing Cui
• Xun Deng
• Xingyao Zhang

抄録

背景:

松材線虫（PWN；Bursaphelenchus xylophilus）は、中国の松林生態系において最も有害な生物学的害虫である。しかし、その病原機序は明らかにされていない。揮発性テルペンの過剰代謝によるトラッシェキャビテーションは，B. xylophilusに感染した松の典型的な特徴である。主要な揮発性テルペンの一つであるβ-ピネンは，PWNのコロニー化と繁殖に影響を与え，感染初期の病原性を刺激することが知られている。β-ピネンに対するPWNの応答機構を解明するために、トランスクリプトミクス手法を用いて、異なる濃度のβ-ピネンを用いて、病原性、死亡率および生殖率を調査した。

BACKGROUND: The pine wood nematode (PWN; Bursaphelenchus xylophilus) is the most damaging biological pest in pine forest ecosystems in China. However, the pathogenic mechanism remains unclear. Tracheid cavitation induced by excess metabolism of volatile terpenes is a typical characteristic of pine trees infected by B. xylophilus. β-pinene, one of the main volatile terpenes, influences PWN colonization and reproduction, stimulating pathogenicity during the early stages of infection. To elucidate the response mechanism of PWN to β-pinene, pathogenesis, mortality, and reproduction rate were investigated under different concentrations of β-pinene using a transcriptomics approach.

結果:

低濃度のβ-ピネン（BL, C<25.74mg/ml）はPWNの生殖を阻害したが、高濃度（BH, C>128.7mg/ml）は生殖を促進した。低濃度（BL、21.66mg/ml）および高濃度（BH、214.5mg/ml）のβ-ピネン濃度で48時間後のPWNの発現プロファイルを比較したところ、対照と比較してそれぞれ659個および418個の異なる発現遺伝子（DEG）が同定された。いくつかの重要なDEGは、解毒代謝（チトクロームP450、UDP-グルクロン酸転移酵素、短鎖デヒドロゲナーゼ）、イオンチャネル/トランスポーター活性（uncおよびATP結合カセットファミリー）、および核受容体関連遺伝子を介したβ-ピネンの潜在的な調節因子である。DEGの遺伝子オントロジーエンリッチメント解析を行った結果、BL、BHともに代謝過程が最も重要な生物学的過程であり、触媒活性が最も重要な分子機能であることが明らかになった。また、KEGGオルソロジー（KO）解析の結果、代謝カテゴリーでは、外来物質の分解・代謝、炭水化物代謝、脂質代謝、アミノ酸代謝、補因子・ビタミン代謝、輸送・異化が支配的な用語であることが明らかになった。

RESULTS: A low concentration of β-pinene (BL, C < 25.74 mg/ml) inhibited PWN reproduction, whereas a high concentration (BH, C > 128.7 mg/ml) promoted reproduction. Comparison of PWN expression profiles under low (BL, 21.66 mg/ml) and high (BH, 214.5 mg/ml) β-pinene concentrations at 48 h identified 659 and 418 differentially expressed genes (DEGs), respectively, compared with controls. Some key DEGs are potential regulators of β-pinene via detoxification metabolism (cytochrome P450, UDP-glucuronosyltransferases and short-chain dehydrogenases), ion channel/transporter activity (unc and ATP-binding cassette families), and nuclear receptor -related genes. Gene Ontology enrichment analysis of DEGs revealed metabolic processes as the most significant biological processes, and catalytic activity as the most significant molecular function for both BL and BH samples. Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) Orthology (KO) analysis showed that xenobiotics biodegradation and metabolism, carbohydrate metabolism, lipid metabolism, amino acid metabolism, metabolism of cofactors and vitamins, and transport and catabolism were the dominant terms in metabolism categories.

結論:

PWNは、還元・酸化（レドックス）活性を介した解毒に加えて、アミノ酸代謝、炭水化物代謝、その他成長調節や表皮タンパク質の変化などの経路を介してβ-ピネンに応答し、β-ピネンストレスを克服していると考えられた。この研究は、PWNの病原性メカニズムをさらに研究するための基礎を築くものである。

CONCLUSION: In addition to detoxification via reduction/oxidation (redox) activity, PWN responds to β-pinene through amino acid metabolism, carbohydrate metabolism, and other pathways including growth regulation and epidermal protein changes to overcome β-pinene stress. This study lays a foundation for further exploring the pathogenic mechanism of PWN.