Spodoptera frugiperda, commonly known as the fall armyworm (FAW), is a major pest across the globe due to its broad host range and distribution worldwide. We investigated the function of microRNAs (miRNAs) in the detoxification of insecticides, with a specific focus on its susceptibility to chlorantraniliprole which is widely utilized insecticide for its management. miRNAs are small non-coding RNA molecules, crucial for post-transcriptional regulation of gene expression. This study aims to elucidate the impact of these miRNAs on the expression of cytochrome P450 genes, which play a significant role in conferring insecticide resistance. We identified notable changes in the abundance of two specific miRNAs, sfr-miR-10465-5p and sfr-miR- 10476-5p through RNA sequencing, after chlorantraniliprole exposure. These miRNAs exhibited significantly high expression in the fat body tissue, while showing relatively lower expression in the head, midgut, and malpighian tubules. Further analysis suggested that these miRNAs might target specific cytochrome P450 genes, like CYP4C1 and CYP4C21, which are known to play a role in insecticide resistance development. Experimentation with miRNA mimics through microinjection revealed a notable increase in the survival rates of S. frugiperda larvae when subjected to chlorantraniliprole exposure, with a significant reduction in CYP4C1 and CYP4C21 gene expression levels. This suggests a direct connection between the miRNAs and the increased tolerance of Spodoptera larvae to the insecticide. Our research presents the complex function of miRNAs in gene expression regulation related to insecticide resistance, offering valuable insights into the molecular mechanisms of chlorantraniliprole resistance in S. frugiperda. These findings pave the way for further investigations into miRNA roles and their potential in managing pesticide resistance in agricultural pests.

A new fumigant, carbonyl sulfide (COS), has potential for use as a replacement for methyl bromide, yet its mechanism of toxicity to insects remains poorly understood. In this study, transcriptome analysis was performed on Tribolium castaneum malpighian tubules and fat bodies, which are known to play an essential role in energy storage and utilization in insect species. In total, upon exposure to COS, 3,034 and 2,973 genes were differentially expressed in the T. castaneum malpighian tubules and fat body, respectively. These differentially expressed genes comprise a significant number of detoxification-related genes, including 105 P450s, 18 glutathione S-transferases (GSTs), 82 ABC transporters, 25 UDP-glucosyltransferases and 42 carboxylesterases and mitochondrial–related genes, including 9 complex Ⅰ genes, 2 complex Ⅱ genes, 1 complex Ⅲ gene, 9 complex IV genes, 8 complex V genes from both malpighian tubules and fat body tissues. Moreover, KEGG analysis demonstrated that the upregulated genes were enriched in xenobiotic metabolism by ABC transporters and drug metabolism by other enzymes. We also investigated the role of carbonic anhydrases (CAs) in toxicity of COS using dsRNA treatment in T. castaneum. These results show that CA genes have a key role in toxicity of the COS. Furthermore, the results of transcriptomic analysis provide new insights into the insecticidal mechanism of COS fumigation against T. castaneum and eventually contribute to the management of this important stored grain pests.

최근 살진균제는 세계 식량 안보에 없어서는 안될 필수 요소이며, 그 사용량은 증가하고 있다. 살진균제는 직접적 또는 간접적으로 곤충에 영 향을 미쳐 유전자 및 분자 수준의 변화를 일으킨다. 곤충은 다양한 해독 매커니즘을 통해 살진균제를 포함한 농약으로부터 유발되는 활성산소 (ROS) 독성을 제거한다. 본 연구는 살진균제 캡탄의 비치명적 투여량(0.2, 2, and 20 μg/μL)을 주입 후 갈색거저리의 유충에서 해독효소의 mRNA 발현량을 분석했다. 갈색거저리의 전사체 분석을 통해 해독 매커니즘 관련 유전자인 퍼옥시다제(POX), 카탈라제(CAT), 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(SOD) 및 글루타티온-S-트랜스퍼라제(GST)를 발굴하였다. 처리 24시간 후 TmPOX5 mRNA가 유의하게 증가한 것으로 나타났다. 처리 3 시간 후 TmSOD4의 mRNA가 유사하게 증가하였다. 또한 2 μg/μL 처리 24시간 후 TmCAT2의 mRNA 가 유의하게 증가하였다. 캡탄 노출 후 TmGST1 및 TmGST3의 mRNA 발현량도 증가하였다. 결론적으로, TmPOX5 및 TmSOD4 유전자는 갈색거저리에서 캡탄 노출에 대한 바이오마커 또는 생체이물 센서로 작용할 수 있음을 시사한다.

Many insects are able to feed on crucifers despite the presence of a potent activated defense system known as the mustard oil bomb. In damaged tissue, mustard oil glucosides (glucosinolates) are hydrolyzed by the enzyme myrosinase to form toxic mustard oils (isothiocyanates). Here, we analyzed how the the cabbage stem flea beetle Psylliodes chrysocephala, a key pest of oilseed rape, copes with this chemical defense. First, we found that P. chrysocephala prevents the activation of ingested glucosinolates by two different strategies, a) by sequestering glucosinolates and b) by converting glucosinolates to desulfo-glucosinolates. Our next aim was to identify the sulfatase enzyme(s) responsible for the detoxification of glucosinolates in P. chrysocephala. Nine arylsulfatase-like genes were identified in the transcriptome of P. chrysocephala, and five of them showed glucosinolate sulfatase activity upon heterologous expression in Sf9 cells. By using RNAi, we confirmed that PcGSS1 and PcGSS2 are active towards benzenic and indolic glucosinolates in P. chrysocephala adults in vivo. However, in feeding experiments, the proportion of sequestered and desulfated glucosinolates ranged from 26 to 35% which suggests that these strategies alone are likely not sufficient to overcome the chemical plant defense. Indeed, P. chrysocephala additionally conjugates isothiocyanates to glutathione and metabolizes them via the conserved mercapturic acid pathway. In summary, the cabbage stem flea beetle avoids isothiocyanate formation by specialized strategies (sequestration and desulfation), but also relies on a conserved detoxification pathway to prevent toxicity of isothiocyanates.

The effect of the ionization energy on the common house mosquito, Culex pipiens, pupa was investigated as the hatching rate, longevity and detoxification enzyme activity. The longevity of adult emerging in the pupa decreased depending on the exposure dose of Gray (Gy) in Cx. pipiens. The hatching rate of the F1 generation egg derived from Cx. pipiens pupa treated up to 70 Gy did not show any difference with the control, but the eggs did not hatch 100% at 120 Gy exposure. These results showed that Cx. pipiens was sterilized at 120 Gy. Several detoxifying enzyme (GST, non-specific esterase and MFO) activity of Cx. pipiens adult emerged from pupa irradiated with 120 Gy was investigated. The difference in activity was observed in female than in male irradiated with electron beam. As a result, electron beam irradiation seems to affect enzyme activity as well as induce infertility of Cx. pipiens.

The detoxification enzymes activities were investigated to Tetranychus urticae Koch using five acaricide-resistant strains. Activities of detoxification enzymes which are glutathione S-transferase (GST), general esterases (α-naphthyl acetate and β-naphthyl acetate), and cytochrome C oxidase were determined to each resistant strain mite. Acequinocyl-resistant strain and bifenazate-resistant strain of T. urticae were showed 2.1 folds and 1.6 folds higher relative activity (RA) level of GST than susceptible strain. Other three resistant strain mites were not significant different to susceptible strain mite. General esterases and cytochrome C oxidase were not significant to all the strain of T. urticae. Acaricidal activities of acequinocylresistant strain and bifenazate-resistant strain of T. urticae showed cross-resistant both acequinocyl and bifenazate. However, other strain mites were showed susceptible acaricidal activities to two acaricides. In this result suggests that resistance of two acaricides (acequinocyl and bifenazate) might be influenced by glutathione S-tansferase activity.

Capsaicin β-glucoside was isolated from the feces of Helicoverpa armigera, H. assulta and H. zea that fed on capsaicin-supplemented artificial diet. The chemical structure was identified by NMR spectroscopic analysis as well as by enzymatic hydrolysis. The excretion rates of the glucoside were different among the three species; those in the two generalists, H. armigera and H. zea, were higher than in a specialist, H. assulta. UDP-glycosyltransferases (UGT) enzyme activities measured from the whole larval homogenate of the three species with capsaicin and UDP-glucose as substrates were also higher in the two generalists. Compared among five different larval tissues (labial glands, testes from male larvae, midgut, the Malpighian tubules, and fatbody) from the three species, the formation of the capsaicin glucoside by one or more UGT is high in the fat body of all the three species as expected, as well as in H. assulta Malpighian tubules. Optimization of the enzyme assay method is also described in detail. Although the lower excretion rate of the unaltered capsaicin in H. assulta indicates higher metabolic capacity toward capsaicin than in the other two generalists, the glucosylation per se seems to be insufficient to explain the decrease of capsaicin in the specialist, suggesting H. assulta might have another important mechanism to deal with capsaicin more specifically.

3% 갈근 열수 추출액 급여와 카드뮴을 흰쥐에게 4주 동안 급여 한 후 간과 신장 조직의 카드뮴 함량, renin 호르몬 농도, 혈청중의 GPT, GOT 및 LDHase의 함량을 조사하였다. 식이섭취량에서 대조군인 24.62 g에 비하여, 3% 갈근 열수 추출액 급여군은 23.41 g으로, 카드뮴 급여군은 23.76 g에 비하여, 갈근 열수 추출액급여군과 카드뮴 병합 급여군은 22.25 g으로 감소하였으나 유의한 차이는 없었다. 체중 증가량은 대조군이 124.50 g이고, 3% 갈근 열수 추출액급여군은 127.22 g으로 대조군에 비하여 감소하였다. 카드뮴 급여군은 107.57 g에 비하여, 갈근 열수 추출액급여군과 음용수와 카드뮴 병합 급여군은 128.80 g으로 유의적으로 증가하였다. 식이효율은 카드뮴 급여군과 갈근- 카드뮴 병합 급여군 간에는 유의성이 인정되었다. 간의 무게에서 대조근에 비하여 갈근 열수 추출액 급여군이 약간 감소하였으나 유의한 차이는 없었으며 카드뮴 공급군에 비하여 갈근-카드뮴 병합 급여군이 유의적으로 증가하였다. 신장 무게는 카드뮴 공급군에 비하여 갈근 카드뮴 병합 급여군이 유의적으로 증가하였다. 간 조직내에서의 카드뮴 함량은 대조군이 0.15 ug/g으로 갈근 열수 추출액급여군은 0.14 ug/g에 비하여 별다른 차이를 보이지 않았다. 카드뮴 급여군은 3.04 ug/g에 비하여 갈근-카드뮴 음용수 병합 급여군은 2.87 ug/g 유의적으로 감소하였다. 신장 조직내에서 대조군은 0.21 ug/g이었으나, 갈근 열수 추출액급여군 은 0.23 ug/g으로 별다른 차이는 없었다. 카드뮴 급여군은 6.48 ug/g에 비하여 갈근 열수 추출액급여군과 카드뮴 병합 급여군은 4.42 ug/g 4.57ug/g으로 유의적으로 감소하였다. 혈장호르몬인 renin 농도는 갈근차 음용수군은 16.73 ngAl/mL/hr으로 대조군인 15.89 ngAl/mL/hr에 비해서 증가하였다. 카드뮴 급여군은 25.72 ngAl/mL/hr으로 카드뮴과 갈근 열수 추출액 병합 급여군인 18.57ngAl/mL/hr에 비하여 유의성 있게 증가하였다. GOT는 대조군이 96.16 U/L에 비하여 갈근차 단독 급여군은 96.44 U/L로 약간 증가하였다. 카드뮴 급여군은 154.40 U/L인데 비하여 카드뮴과 갈근 열수 추출액 병합 급여군이 118.80 U/L으로 유의적으로 감소하였다. GPT는 대조군이 59.60 U/L에 비하여, 갈근 열수 추출액 급여군은 63.46 U/L으로 약간 증가하였으나 유의한 차이는 없었다. 카드뮴 급여군은 73.54 U/L 인데 비하여 갈근 열수 추출액 급여군과 카드뮴 병합 급여군은 69.80 U/L으로 유의적으로 감소하였다. LDHase는 대조군이 179.00, 갈근 열수 추출액급여군은 198.60 U/L으로 대조군에 비하여 감소하였으나 유의한 차이는 나지 않았다. 카드뮴 급여군은 264.30 U/L 인데 비하여 갈근 열수 추출액급여군와 카드뮴 동시 병합 급여군은 227.30 U/L으로 유의적으로 감소하였다. 카드뮴에 중독된 흰쥐에 대한 갈근 추출물의 해독 효과를 알아 보는 본 연구에서 50 ppm의 카드뮴액과 함께 3% 갈근 추출액을 급여한 흰쥐의 체중증가량과 사료 섭취 효율을 50 ppm의 카드뮴만을 급여한 흰쥐의 이들 측정값과 비교할 때 유의적인 차이가 없었다. 그러나 50 ppm의 카드뮴액과 함께 3% 갈근 추출액을 급여한 흰쥐군은 50 ppm의 카드뮴액만을 급여한 흰쥐군과 비교하여 신장내 카드뮴 함량과 GPT 및 LDH 활성도, renin 활성도가 유의적으로 감소되었고 신장 무게는 정상 흰쥐와 같은 수준으로 회복하였고 GOT 활성도 역시 정상 흰쥐와 같은 수준으로 감소를 보여 갈근이 카드뮴 중독 흰쥐에서 신장 등의 장기내 카드뮴 축적의 감소로 카드뮴 중독 작용의 경감 효과를 갖는 것으로 나타났다.

허브의 일종인 B. sarmienti를 이용하여 숙취 해소 음료를 개발하고 그에 따른 알콜 대사 및 항산화 효소에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 알코올을 섭취한 쥐에 B. sarmienti 음료군(BSP)을 투여 한 경우 타사 제품군인 PC 그리고 B. sarmienti만을 제외한 음료군인 NBS보다 더 뛰어난 알코올 분해능 및 ADH, ALDH에서도 뛰어난 활성을 보였다. 또한 생화학적 검사를 통해 안전성을 확인하였으며, ALP, ALT 그

강원 양양산과 중국산 헛개 나무 열매와의 활성 차이를 비교하기 위해 쥐 와 사람을 대상으로 생체 내 알콜 분해 속도에 대한동력학적 분석을 실시한 결과 양양산이 중국산에 비해 1-2 % 로 극히 적게나마 빠른 알콜 분해 속도를 보였으며 분획물 에서도 이와 유사한 경향을 보였다. 하지만 이 정도의 차이가 두 품종 간 알콜 분해 속도에 차이가 있다고 주장하기에는 유의성이 적어 일반적으로 두 생산지의 차이에 따른 알콜 분해 속도의 차이는 극히 미미한 것으로 나타났다. 두 추출물 모두 알콜만 섭취했을 경우보다 1-2 시간 정도 빠르게 알콜을 분해했으며 유용 성분이 농축된 분획물의 경우 조 추출물보다 1-2 시간 정도 빨라 분획물을 섭취한 경우 알콜만 섭취한 경우보다 약 2 배 정도 빠른 혈중 알콜 분해 속도를 보였다. ADH 와 ALDH 의 활성 증진에 대한 영향을 비교한 결과 조 추출물의 경우 중국산이 양양산 보다 약간 높은 효과를 보였으나 분획물에서는 그리 큰 차이가 없거나 양양산이 다소 높은 경향을 보였다. 특이한 것은 ADH 의 경우는 두 종의 분획물 모두 조추출물 경우 보다 50-60% 이상 활성 증진 효과가 두드러지게 나타났으나 ALDH 의 경우는 두 분획물 모두 활성 증진이 조추출물에 비해 10% 정도의 낮은 활성 증진 정도만 나타났다. 전체적으로 알콜만 섭취한 경우에 비해 헛개나무 열매 추출물을 동시에 섭취한 경우 ADH와 ALDH 효소의 활성이 약 30-60% 이상 증가하는 것이 확인되었으며 두 효소위 활성 촉진 정도가 공히 28-29% 정도를 유지해 ADH 와 ALDH 의 활성이 생체 내에서 균형을 이루고 있음이 입증되었다. 또한 헛개나무 추출물들은 ADH 보다는 ALDH 효소의 활성에 보다 영향을 미치는 것으로 나타나 숙취 원인 물질인 acetaldehyde 의 제거 에 효과적일 것이라는 평가가 가능하다. 이와 함께 간의 해독 작용 촉진 정도를 비교한 결과 중국산 헛개나무 추출물이 양양산 보다 상대적으로 좋은 것으로 나타났다. 0.6 g/L 이상의 농도에서는 효소 활성이 어느 정도 저해되는 현상을 보여 헛개나무 추출물이 간해독작용에 관여하는 효소와 competitive inhibition 관계에 있을 수 있다는 추론을 할 수 있다 . 하지만 두 종 모두 조 추출물과 분획물의 경우 120-300% 이상의 GST 효소 활성 증진 효과를 보여 생산지에 관계없이 간 기능 활성이 중요한 역할을 하고 있음이 입증되었다.

헛개 나무 추출물과 오리나무 추출물들이 쥐 와 사람을 대상으로 실험한 결과 체내 알콜 분해능이있는 것으로 나타났으며, 쥐 실험의 경우 헛개 나무가 32% 의 알콜 분해능이 증진되었으며 오리나무는 13% 정도로 나타났으며 혼합물인 경우 42% 의 높은 것으로 나타났다. 사람을 대상으로 한 경우도 유사한 경향을 보여 혼합물을 섭취한 경우 4 시간만에 음주 전 알콜 농도로 감소했으나 오리나무는 6 시간에도 0.013% 정도의 알콜이 존재했다. 또한 헛개나무는 6 간 정도 후에 정상 치로 감소된 반면 알콜만 섭취한 경우는 6 시간이 되도 0.04% 의 알콜이 존재하고 있어 이 추출물들이 정도의 차이는 있으나 알콜 분해 효과가 있는 것으로 확인되었다. 간의 해독 증진 및 숙취 해소 기능에서도 혼합물, 헛개 나무, 오리나무 순으로 활성이 좋은 것으로 확인되었다. ADH 효소의 활성의 경우 혼합물의 경우 약 60% 정도 증진되는 것으로 나타났으나 헛개 나무의 경우 35.6% 로 상승되었으며는 것이 확인되었다. 하지만 오리나무의 경우는 약 29% 정도로 별 차이가 없는 것으로 측정되었다. GST 활성 증진의 경우 혼합물을 1 g/L의 농도로 투여해 실험한 결과 최대 180% 의 활성 증진이 가능한 것으로 측정되었다. 이에 비해 각 추출물들이 단독으로 작용하는 경우에 는 유사한 활성 증진을 보여 혼합물의 경우 간의 해독 작용 증진에 synergy 효과가 있을 것으로 예측된다. Cathepsin 활성 저해의 경우 역시 혼합물이 55 % 이상 활성 억제 효과를 보였으며 헛개 나무가 약 40%의 억제 기능을 나타냈다. 하지만 오리나무의 경우는 28% 정도의 낮은 억제 효과를 보였다. 이는 오리나무 추출물은 ADH 효소 활성 증진이나 cethepsin 효소 억제 기능이 아닌 다른 기작에 의해 알콜 분해 및 간 기능 증진에 영향을 주는 것으로 예측된다. 모든 경우 다 혼합물이 여러 활성 효과가 높은 것으로 나타나 이 혼합물을 이용한 기능성 식품 개발이 유용할 것으로 평가된다.