1-1: 벼에 피해를 주는 해충의 타액성분(역류액)에 의한 방어반응 유도
식물이 해충에 의해 피해를 입으면 해충을 인식하고 다양한 방어 반응을 유도합니다 이전 모바일 슬롯에서는 섭식 손상 시 발생하는 식물의 상처와 섭식 손상 부위에서 식물 세포와 접촉하는 해충의 타액 성분(역류액)이 식물 해충 인식에 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀졌습니다
이번에는 두 해충인 Spodoptera spp의 역류액 성분을 분석했습니다 및 P elegans 등을 대상으로 두 해충 사이에 방어반응을 유도하는 인자의 구성에 차이가 있음을 발견하였다 또한, 스포도프테라 자포니카(Spodoptera japonica)의 역류액에는 적어도 두 가지 유형의 방어 유도 인자가 포함되어 있으며, 이러한 인자들을 동시에 인식함으로써 식물이 더 강한 방어 반응을 유도한다는 사실을 발견했습니다
식물이 해충에 대한 방어 반응을 유도할 때 식물에 피해를 주는 해충 종에 따라 반응의 질(유형)과 양(강도)이 다를 수 있는 것으로 알려져 있습니다 본 모바일 슬롯를 확장함으로써 우리는 식물이 해충 종을 구별하는 방법, 방어 반응의 질과 양을 결정하고 적절한 방어 메커니즘을 활성화하는 방법에 대한 상세한 분자 메커니즘을 밝히는 것을 목표로 합니다
이 모바일 슬롯는 메이지 대학, 도쿄 대학, 뉴질랜드 식물 및 식품 모바일 슬롯소와 공동으로 수행되었습니다
[게재된 논문]과학 대표 (2016) 6:32537
1-2: 섭식 손상 시 벼 자체 손상 시 생성된 내인성 펩타이드에 의한 방어 반응 활성화
식물이 해충을 인식하고 방어 반응을 유도하기 위해 이 식물은 섭식 손상 부위에 남아 있는 곤충 역류액(타액)과 섭식 손상으로 인해 생성된 식물 분해 산물에 포함된 분자를 인식하여 강력하고 효과적인 방어 반응을 유도합니다 그러나 개별 분자를 인식하면 활성화되는 방어 신호가 어떻게 통합되어 해충에 대한 방어 반응을 형성하는지는 불분명합니다 본 모바일 슬롯에서는 쌀의 낙진 피해 인식에 관여하는 식물 분해산물인 쌀 내생 펩타이드에 주목하고, 역류액 유래 분자와 동시에 인식되었을 때의 반응을 분석했습니다 그 결과, 벼가 섭식 피해를 입을 때 해충 유래 분자 외에 내인성 펩타이드도 동시에 인식해 보다 강력한 방어 반응을 유도하는 것으로 유추해 방어 유도에 흥미로운 신호 네트워크가 존재함을 시사했다
이 모바일 슬롯는 나라 과학 기술 모바일 슬롯소 및 국제 농림 수산 모바일 슬롯 센터와 공동으로 수행되었습니다
[게재된 논문]제이플랜트 (2018) 94:626-637
1-3: 벼는 갈색멸구 단물에 포함된 미생물을 인식하고 방어반응을 유도합니다
벼와 갈색멸구의 전투에서 우리는 벼가 멸구가 배설하는 단물에 있는 공생 미생물을 인식하고, 벼멸구의 섭식 피해를 인지하여 방어 반응을 유도하는 새로운 벼 해충 모니터링 시스템을 발견했습니다 이 결과는 J Exp Bot/Plant Signal Behav에 게재되었습니다 글로벌하고 평등한 과학 교육을 지원하는 사이언스 커넥티드(Science Connected)에도 소개되었습니다
단물 관련 미생물은 쌀의 갈색멸구에 대한 방어 반응을 유도합니다
멸구는 작지만 식물에 심각한 해충입니다 쌀에는 갈색멸구(닐라파르바타 루겐스)은 식물을 먹고 바이러스성 질병을 전염시켜 막대한 피해를 입히고 있습니다 따라서 벼가 해충을 효과적으로 인식하고 공격 직후 강력한 방어 반응을 활성화하는 것이 매우 중요합니다 여기에서 우리는 멸구를 먹일 때 방출되는 단물에 벼에서 빠르게 검출되는 다양한 박테리아 세포가 포함되어 있음을 발견했습니다 우리는 호퍼의 달콤한 분비물에 있는 미생물이 해충을 벼에 배신하여 벼 방어의 중요한 신호(촉진제) 역할을 한다고 제안합니다 우리는 이것이 일반적으로 먹이를 먹는 동안 단물을 생성하는 다양한 흡인 해충에 대한 방어를 활성화하는 식물의 일반적인 시스템일 수 있다고 추측했습니다
발행된 논문:J Exp Bot (2019) 70: 1683-1696, 식물 신호 행동(2019) 14: 1655335
Science Connected에서 소개:사이언스 커넥티드 잡지
1-4: 농작물 해충 모니터링을 위한 분자 시스템의 일부
모바일 슬롯 요약: 작물 자체 방어 메커니즘의 최전선에서 작동하는 ``해충 모니터링 시스템''은 해충의 지표로 표적으로 삼는 여러 요인을 발견했습니다 본 모바일 슬롯에서는 멸구, 거미응애, 거세미벌레에 의한 섭식 피해와 관련된 요인을 파악하고, 모니터링 대상 요인을 인지함으로써 섭식 피해를 입은 작물의 해충 저항성을 높일 수 있다 작물에 대한 해충 피해가 전 세계적으로 문제가 되고 있는 가운데, 본 모바일 슬롯 결과를 통해 작물 방어 메커니즘을 활성화시키는 해충 저항성 작물 및 식물 활성화제 개발로 이어질 것으로 기대된다
배경/결과/전망: 우리는 농작물 해충 모니터링 시스템의 표적이 되는 여러 요인을 발견했습니다 이는 해충에 의해 유래되거나 섭식 피해 시 생성되는 식물유래 인자로, 작물이 이러한 인자를 인식하면 해충저항성 기전이 활성화되는 것으로 밝혀졌습니다 이번 모바일 슬롯 결과는 식물과학 분야에서 높은 평가를 받고 있는 전문학술지인 J Exp Bot, New Phytol, Plant J에 2018년 게재되었습니다
작물 해충 모니터링 시스템의 표적 요인에 대한 보고는 제한적이었지만, 여러 요인을 식별한 이 모바일 슬롯의 결과는 식물의 면역 메커니즘과 식물의 자기비인식 메커니즘을 이해하는 데 학문적으로 큰 의미를 갖습니다 또한, 본 모바일 슬롯 결과는 해충저항성 작물을 개발하는데 활용될 수 있으며, 이를 작물의 해충저항성 메커니즘 활성화제 등 환경영향이 적은 해충방제 방법에 적용할 수 있어 지속가능한 농업에 기여할 것으로 기대된다
[게재된 논문]플랜트J(2018) 94: 626-637, J Exp Bot (2019) 70: 1683-1696, 뉴피톨(2019) 224: 875-885
거미응애 테트라닌에 관한 모바일 슬롯(New Phytol 2019)는 도쿄 이과대학 아리무라 모바일 슬롯실을 중심으로 진행되고 있으며, 우리는 이번 공동 모바일 슬롯에 참여하고 있습니다
2-1: 해충 피해 시 벼에 축적된 2차 대사산물 종합 분석
우리는 초식성 곤충에 의한 섭식 피해 동안 축적되는 쌀의 2차 대사산물에 대한 종합적인 분석을 수행했습니다 우리는 우리가 발견한 페놀아미드가 여러 초식성 곤충(Spodoptera nigra, Spodoptera spp 및 갈색멸구)에 의해 유의하게 유도된다는 것을 발견했습니다 또한 페놀아미드는 갈색멸구에 독성이 있는 것으로 밝혀졌습니다 페놀아미드는 쌀의 해충 저항성과 관련된 새로운 2차 대사산물 그룹으로 제안되었습니다
벼는 페놀아미드 피토알렉신을 생산하여 초식동물로부터 방어합니다
Spodoptera mauritia, 밥 선장파르나라 구타타) 및 빠는 것(갈색 호퍼 )닐라파르바타 루겐스) 곤충 두 공격자 모두 잎에 페놀아미드 피토알렉신의 강력한 축적을 유도했습니다 또한, 이러한 페놀아미드는 실험실에서 이러한 곤충을 사육하는 데 사용되는 인공 사료에 첨가될 때 식물 갈색호퍼에 직접 독성을 나타냈습니다 우리의 모바일 슬롯는 다양한 종류의 곤충에 대해 매우 효과적인 쌀의 새로운 방어 화합물 그룹을 제안했습니다 또한 이는 중요한 발달 단계에서 내인성 페놀아미드 수준을 유전적으로 증가시켜 초식동물에 민감한 벼 품종을 개선하기 위한 잠재적으로 새로운 도구를 제공했습니다
막스 플랑크 화학 생태학 모바일 슬롯소(독일 예나)와 협력
[게재논문] Plant Cell Environ (2016) 39: 453-466
2-2: 해충 피해 시 벼에서 방출되는 휘발성 물질 분석
식물은 해충이 먹을 때 휘발성 물질을 방출하여 천적 곤충을 유인하여 해충을 박멸하는 간접 방어라는 방어 메커니즘을 가지고 있는 것으로 알려져 있습니다 본 모바일 슬롯에서는 벼에서 배출되는 휘발성 물질을 수집하기 위한 실험 시스템을 구축하고, 초식성 곤충 2종(폭이 넓은 곤충과 좁은 섭식 곤충)을 이용하여 섭식 피해 시 휘발성 물질의 방출을 조사하였다 흥미롭게도, 모바일 슬롯 결과, 사용된 두 종의 초식곤충이 방출하는 휘발성 물질에 양적 차이가 있는 것으로 나타났습니다 식물은 초식 곤충 종을 구별하고 곤충 종에 적절하게 반응할 수 있습니다 대안적으로, 식식성 곤충은 어떻게든 식물에서 휘발성 물질의 방출을 억제할 수 있습니다
벼는 휘발성 화합물을 사용하여 도움을 요청합니다
대부분의 식물은 초식동물의 천적을 유인하는 휘발성 유기 화합물을 생성하여 초식동물의 공격과 상처에 반응합니다 우리는 벼가 초식동물의 공격 후에 휘발성 물질의 전체 혼합물을 방출할 뿐만 아니라 전문 초식동물과 일반 초식동물이 공격할 때 이러한 휘발성 물질의 양을 다르게 방출한다는 것을 보여줍니다 따라서 벼는 곤충의 구강 분비물에 포함된 신호(유발물질)를 기반으로 초식동물을 "인식"할 수 있습니다 우리는 벼가 각 초식동물에 대한 특수 포식기생 말벌 및/또는 포식자를 유인하기 위해 특정 신호를 방출하여 벼의 간접적인 방어 반응의 효율성을 크게 높일 수 있다고 제안합니다
[게재된 논문]화학생태학저널(2017) 43: 929-943
2-3: 해충 피해를 억제하는 잎 표면층의 미세구조 발견
모바일 슬롯 요약: 벼잎 표면의 미세한 바늘 모양 돌기가 메뚜기와 같은 해충의 섭식 피해를 억제하기 위한 방어 전략으로 사용되는 것을 발견했습니다 한편, 아프리카에서 인기가 높아지고 있는 네리카 등 바늘이 없는 품종도 있다는 사실도 밝혀졌다 작물에 대한 병해충 피해가 전 세계적으로 시급한 문제로 대두되고 있는 만큼, 이번 결과가 작물 해충 저항성 향상 전략 등 지속 가능한 작물 생산량을 늘리는 데 도움이 될 것으로 기대된다
배경/전망: 우리는 아시아 벼의 잎 표면에 있는 가늘고 단단한 바늘 모양의 돌출부(규화된 트리코메)가 메뚜기와 같은 해충에 의한 섭식 피해를 억제한다는 사실을 발견했습니다 반면, 아프리카의 식량사정 개선을 위해 개발, 대중화되고 있는 네리카(NERICA)는 돌출된 구조를 갖고 있지 않았다 이번 모바일 슬롯 결과는 식물 환경 반응 분야에서 높은 평가를 받고 있는 전문학술지인 Plant Cell Environ 2020년호에 게재됐다
최근 몇 년 동안 기후 변화와 사람과 물품의 세계적인 이동으로 인해 해충이 확산되고 농작물에 피해가 발생함에 따라 본 모바일 슬롯의 결과는 해충 저항성 작물을 개발하고 이를 환경에 미치는 영향이 적은 해충 방제 방법에 적용할 수 있으며 지속 가능한 농업에 기여할 것으로 기대됩니다 또한, 작물의 새로운 방어체계를 발견한 이번 모바일 슬롯 결과는 식물의 병해충 저항성 메커니즘을 이해하는데 학문적 의의가 있다
게시된 논문:식물세포환경(2020) 43:2019-2032
이 모바일 슬롯는 같은 호에 게재된 Kaur 박사와 Kariyat 박사의 논평에 소개되었습니다식물세포환경(2020) 43:2015-2018
잎의 날카로운 스파이크는 벼가 메뚜기 및 기타 곤충과 싸우는 데 도움이 됩니다
요리가 쉽고 맛이 좋으며 장기간 보관이 가능하기 때문에 쌀은 많은 아프리카 가정에서 인기 있는 식량원이 되었습니다 따라서, 실제로 “아프리카를 위한 새로운 쌀”을 의미하는 네리카 쌀은 아프리카에서의 쌀 생산의 확산과 홍보를 위한 강력한 목표를 가지고 개발되었습니다 NERICA 품종은 아시아 부모의 높은 생산성과 아프리카 부모의 지역 조건에 대한 적응을 결합하기 위해 아시아와 아프리카의 두 벼 사이의 유전적 교배를 통해 얻어졌습니다 NERICA 품종은 사하라 이남 아프리카에서 좋은 생산성과 만족스러운 성장을 보여 주지만 초식동물에 대한 저항성에 대해서는 광범위하게 테스트되지 않았습니다 우리가 일본의 논에 NERICA 1, 4, 10을 심었을 때 우리는 현지 일본 벼 품종에 비해 모든 NERICA가 메뚜기 및 기타 해충에 의해 훨씬 더 많은 피해를 입었다는 것을 즉시 알아차렸습니다 강력한 지역 품종 중 하나인 Nipponbare와 면밀한 비교를 통해 NERICA에는 잎 표면에 일련의 뾰족한 뾰족한 트리코메가 전혀 없다는 것을 발견했습니다 식물 세포 및 환경(Plant Cell & Environment) 보고서에서 우리는 이러한 뾰족한 구조가 효율적인 메뚜기 및 기타 풍부한 초식 동물로부터 벼를 방어하는 데 실제로 매우 중요하다는 강력한 증거를 보여줍니다 우리는 또한 충분한 기계적 강도를 얻기 위해 벼 표면의 이삭(트리코메)에 규소(토양에서 식물이 얻은 광물)를 함침시켜야 하며, 따라서 논밭에서 초식 동물의 수를 압도하여 광범위한 피해로부터 벼를 구출할 수 있는 능력이 있음을 보여줍니다
다음에 게시됨식물세포환경(2020) 43:2019-2032
3-3: 섭식피해와 주야간으로 인한 벼의 휘발성 물질 생성 조절 및 옥시리핀의 역할
모바일 슬롯 요약: 쌀에서 하루 동안 휘발성 물질의 방출 패턴이 어떻게 변하는지, 먹이 손상으로 인해 어떻게 변하는지 분석했습니다 또한, 휘발성 물질의 방출을 조절하는 데 있어 자스몬산을 포함한 옥시리핀의 역할을 분석하고 논의합니다
게시된 논문:Mujiono 외 식물세포와 환경 (2021) 44, 2687-2699
초식동물에 의해 유발된 구성 휘발성 물질은 쌀의 다양한 옥시리핀 의존 메커니즘에 의해 제어됩니다
곤충 초식동물의 공격을 받은 식물은 휘발성 유기 화합물 혼합물을 방출하여 초식동물의 천적을 유인하여 식물의 경호원으로 사용합니다 이 모바일 슬롯에서 우리는 쌀에서 초식동물이 유발하는 휘발성 물질을 모니터링하여 리나룰과 같은 여러 화합물이 초식 스트레스에 의해 쉽게 유발될 수 있음을 발견했습니다 한편, 쌀은 또한 다양한 다른 휘발성 물질을 생성하는데, 그 중 다수는 낮에 방출되고 밤에는 억제됩니다(일주 방출 패턴을 나타냄) 우리는 초식동물에 의해 유도된 식물 휘발성 물질이 식물 호르몬인 자스몬산에 의해 유발되는 반면, 쌀의 카리오필렌을 포함한 일주성 휘발성 물질은 곤충 공격에 의해 쌀 내부에서 즉시 유발되는 자스모네이트 폭발에 반응하지 않는다는 것을 보고합니다 대신, 일주 휘발성 물질은 동일한 oxylipin 경로에서 잘 알려진 자스몬산 전구체인 12-oxo-phytodienoic acid(OPDA)의 축적을 따랐습니다 따라서 우리는 쌀의 두 가지 유형의 휘발성 물질이 모두 oxylipin 경로에 의존하지만 스트레스로 인한 일일 휘발성 물질에 대한 실제 조절자는 다를 수 있으므로 이러한 휘발성 물질은 식물의 특정 방출 패턴을 보여줄 수 있다고 결론을 내렸습니다
3-4: 쌀 피토알렉신 생산에서 JA 전구체 OPDA의 역할 분석
벼는 해충 및 질병에 반응하여 다양한 2차 대사산물을 축적하여 병원체에 의한 감염과 해충 피해의 확산을 방지합니다 쌀에 함유된 방어 관련 2차 대사물질의 일종인 페놀아미드는 병원체 감염, 해충 침입 및 부상에 반응하여 생성됩니다 이번에는 대표적인 곰팡이 제거제인 키틴올리고당을 이용하여 쌀의 페놀아마이드 생산을 조절하는 메커니즘을 분석했습니다 배양된 벼 세포를 이용한 모델 실험 시스템에서 키틴 유발제 처리는 페놀아미드 축적과 자스몬산을 함유한 옥시리핀을 유도했으며, 이는 페놀아미드 생산 조절제의 후보로 간주되었습니다 그러나 배양세포에 방어반응을 유도하는 능력이 있는 것으로 알려진 자스몬산(jasmonic acid)과 이소류신 자스몬산(isoleucine jasmonic acid)을 처리한 경우에는 페놀아미드 유도가 관찰되지 않았다 반면, 자스몬산 전구체인 OPDA는 페놀아미드를 유도했습니다 더욱이, 유전자 분석은 OPDA 아미노산 접합이 벼 세포에서 OPDA의 생물학적 활성에 필요하다는 것을 시사했습니다 따라서 우리는 두 가지 유형의 OPDA 아미노산 복합체를 합성했으나 방어반응을 유도하는 활성은 관찰되지 않아 향후 과제로 남겨둔다 그러나 이 모바일 슬롯는 방어 관련 2차 대사산물을 제어하기 위해 OPDA 이외의 유도물질 유도 신호와 상호작용함으로써 쌀에서 OPDA 신호의 역할을 입증했습니다
이 모바일 슬롯는 테이쿄대학 및 도쿄대학과의 공동 모바일 슬롯로 수행되었습니다
[게재된 논문]신야 외 식물 Mol Biol 보도 중