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병원체-살충제-숙주 상호작용:  Nosema ceranae 에 의한 세포사멸 조절은  살충제 cyantraniliprole에 대한 꿀벌의 감수성을 증가시킵니다.

추상적인

꿀벌은 살충제와 병원균을 포함한 여러 스트레스 요인에 직면합니다. 살충제인 시안트라닐리프롤은 리아노딘에 민감한 칼슘 채널을 표적으로 삼아 곤충의 죽음을 초래합니다.  Apis mellifera 의 병원균인  노세마 세라네(Nosema ceranae) 는 노세마증을 유발하고 숙주의 중장 상피에서 세포자멸사를 억제하는 것으로 알려져 있습니다. 이 연구는 N. ceranae에 의한 세포자멸사 억제가 꿀벌의 시안트라닐리프롤에 대한 감수성을 증가시킨다는 가설을 검증했습니다. 구체적으로, 우리는 중장에서 세포자멸사 수준과 조직병리학적 변화를 평가했습니다. 감염된 꿀벌은 시안트라닐리프롤에 노출된 후 생존율이 감소했습니다. 살충제에 감염되고 노출된 꿀벌은 살충제에만 노출된 꿀벌에 비해 전방 중장에서 더 많은 세포자멸사 소화 세포를 보였고, 후방 중장에서만 감염된 꿀벌보다 더 큰 세포자멸사를 보였습니다. 살충제 단독 노출군보다 동시 노출된 벌의 중장과 후장 중장에서 세포자멸사가 더 낮았습니다. 이러한 결과는 세포자멸사의 영역 특이적 조절을 시사합니다. 조직병리학적 특징은 두 스트레스 요인 모두에 반응했습니다. 전반적으로,  중장에서 N. ceranae의 다양한  군집 형성 패턴은 세포자멸사를 조절하여 시안트라닐리프롤에 대한 벌의 반응에 영향을 미칩니다. 병원균 군집이 심한 중장 영역에서는 이러한 조절이 제대로 이루어지지 않아 조직 기능이 손상됩니다. 따라서  N. ceranae는  시안트라닐리프롤에 대한 꿀벌의 취약성을 증가시켜 여러 스트레스 요인이 관련된 상황에서 중요한 역할을 할 수 있습니다.

그래픽 초록

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소개

꿀벌은 대부분의 꽃식물에 수분 서비스를 제공하는 데 중요한 역할을 하며 생태계와 생물다양성 보존에 필수적입니다[17], [26]. 꿀벌의 중요성은 농업 시스템에도 확장됩니다.  Apis mellifera  Linnaeus(벌목: Apidae)는 상업용 작물의 수분에 가장 널리 사용되는 종으로, 수분에 의존하는 인간 식단의 최대 1/3 생산에 기여합니다[39]. 또한 이 종은 꿀, 왁스, 프로폴리스, 로얄 젤리, 아피톡신[74]과 같은 귀중한 제품을 생산하여 생태학적, 경제적, 사회적 중요성을 강조합니다.

그러나 수분매개자 개체수와 다양성의 지속적인 감소는 관리된 벌 종과 야생 벌 종 모두에 영향을 미치는 우려가 커지고 있으며, 여기에는 꿀벌(  Apis mellifera  [66])도 포함됩니다. 이러한 감소는 종간 경쟁, 영양실조, 서식지 손실 및 단편화, 기후 변화, 병원균 확산, 농업 관행에서의 살충제 사용 등 여러 요인에 기인합니다. [29], [45], [7].

살충제 중 살충제는 치사량으로 처리될 경우 전체 현장 개체군을 감소시켜 벌 군집에 부정적인 영향을 미칩니다([78]; Seitz et al., 2022). 아치사량 효과는 벌의 형태, 생리 및 행동을 변화시키는 심각한 위험을 초래합니다. 여기에는 후각 장애, 학습 및 기억 장애, 마비, 생존율 감소 및 방향 감각 상실이 포함되며, 이는 수분 서비스와 군집 유지에 영향을 미칩니다(Basu 및 [11]). 추가적인 아치사량 효과에는 산화 스트레스 증가[15] 및 면역 역량 감소로 인한 병원체에 대한 감수성 증가[5], [73]가 포함됩니다. 급성 및 만성 아치사량 노출 모두 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다(vanEngelsdorp 및 Meixner, 2010; [3]). 특히 현장에 실제적이지 않은 농도를 사용한 연구에서 연구 결과의 적용 가능성에 대한 우려가 제기되었기 때문입니다[4]. 결과적으로 만성 노출 시나리오에서 현장에 실제적인 농도를 사용하는 연구가 점점 더 시급해졌습니다.

살충제 중 시안트라닐리프롤과 같은 안트라닐릭 디아미드는 칼슘 채널의 리아노딘 수용체에 작용합니다[43]. 이 화합물은 전신 활성을 가지며 꿀벌 수분에 의존하는 대두와 커피 작물의 해충 방제에 효과적입니다. 칼슘 채널은 주로 근육 수축에서의 역할로 알려져 있지만 칼슘 항상성은 수많은 필수 세포 기능에 관여합니다[50], [54]. 따라서 안트라닐릭 디아미드의 특정 작용 모드에도 불구하고, 더 제한된 세포 경로를 표적으로 삼는 네오니코티노이드와 같은 다른 살충제와 달리 다양한 세포 유형에서 칼슘 신호 전달이 광범위하게 관여하기 때문에 그 효과가 증폭될 수 있습니다[49], [58].

중장과 같은 비표적 기관의 손상은 이 기관이 소화 및 영양소 흡수[6]뿐만 아니라 꿀벌의 해독 과정에서도 핵심적인 역할을 하기 때문에 점점 더 큰 우려가 되고 있습니다[28], [69]. 경구로 섭취된 살충제와 접촉하는 주요 기관인 중장은 이러한 화합물이 표적 부위에 도달하기 위해 장 장벽을 통과해야 하기 때문에 독성 효과에 특히 취약합니다(검토: [14]). 살충제는 세포 사이의 세포간 경로 또는 세포 자체를 통한 세포간 경로를 통해 중장 상피에 침투할 수 있습니다[14].

중장에서 관찰된 세포독성 효과에는 세포 사멸의 지표인 농축핵을 가진 세포의 존재와 세포질 공포화의 증가가 포함되며, 둘 다 세포 독성의 주요 지표로 간주됩니다[50], [59]. 살충제로 인한 미세 구조 변화도 보고되었는데, 기저 미로의 파괴[67], 소포체의 변성, 일반적인 세포소기관의 악화([65]; Gomez-Virgilio et al., 2022)와 같은 것입니다. 주목할 점은 일부 조직병리학적 반응이 특정 중장 영역에서 주로 또는 더 심하게 나타나는 것으로 보입니다. 예를 들어, 세포질 돌출부의 수 증가와 후부 중장에서의 세포 조각 방출[3]입니다. 이러한 손상은 세포 사멸 및 자가포식을 포함한 프로그램된 세포 사멸 경로를 유발할 수 있습니다[46].

곤충 중장의 세포사멸은 발달[35]과 조직 유지([19]; ​​Martin-Hernandezet et al., 2017) 모두에서 여러 기능을 합니다. 따라서 세포사멸은 조직 재생으로 간주되는 내재적 대사 활동으로 인한 스트레스로 인해 발생하는 노화 세포의 제거 및 처분에 필수적입니다[44]. 또한 병원균 및 독성 분자와 같은 외인성 스트레스 요인으로 인해 발생하는 세포의 제거에 중요한 역할을 합니다[20], [35], [46]. 세포 내 병원균은 세포를 감염시켜 세포 사멸 프로그램을 활성화하여 손상된 세포와 감염 미생물을 주기와 증식이 끝나기 전에 모두 제거하여 장 내강으로 버립니다[13]. 세포 사멸은 병원균에 대한 방어뿐만 아니라 독성학적 맥락에서도 오염되고 중독된 세포와 생존 불가능한 세포를 제거하여 조직 항상성을 회복하는 데 기여합니다([55]; Bertherloot et al., 2021).

살충제 노출로 인한 벌 면역 역량 감소는 또 다른 주요 우려 사항입니다[73]. 특히 병원균이 벌 개체수 감소에 기여하는 주요 요인 중 하나라는 점을 고려할 때 더욱 그렇습니다. 이 위험은 살충제와 병원균의 결합 효과로 인해 악화되며, 이는 벌의 독성 영향에 대한 민감성을 증가시킵니다. 벌을 감염시키는 많은 병원균 중 단세포 미생물인  Nosema ceranae는  전 세계적인 위협으로 인식되었습니다[32], [51].  Nosema ceranae  감염은 변화된 행동과 비행 활동, 감소된 생존, 산화 스트레스 및 세포 독성을 특징으로 하는 노세마증으로 이어질 수 있습니다([18], [23]; Goblirsch et al., 2013).

영어: 꿀벌 사이 의  Nosema  spp. 전파는 영양축양, 이종 그루밍 및 오염된 음식과의 접촉을 통해 발생합니다(Marín-García et al., 2020). 중장 루멘 내부에서 포자가 발아하여 소화 세포에 정착하며[39], 중장 상피의 후방 부분을 선호합니다[60]. 이 감염은 중장에서 세포 사멸을 억제하는 병원체의 능력에 의해 촉진됩니다[37], [38], [41], [44], [61], [68]. 실제로  N. ceranae  에 내성이 있는  A. mellifera 균주는  중장 세포에서 감소된 세포 사멸을 나타내지 않습니다[41], [44]. 이는 세포 내 감염의 성공에 미포자충에 의한 세포 사멸 조작의 중요한 역할을 나타냅니다. 이는 세포자멸사가 조직 해독 및 항상성에 기여한다는 점을 고려할 때 특히 중요합니다([55]; Bertherloot et al., 2021). 따라서  N. ceranae 에 의한 세포자멸사 억제는  벌을 약화시키거나 경구 섭취된 살충제의 효과를 증폭시킬 수 있습니다. 병원균과 살충제 간의 생리적 상호작용은 아직 충분히 이해되지 않았지만,  N. ceranae 에 의해 유도되는 세포자멸사 억제가 살충제 감수성 증가에 기여하는지 여부를 조사하는 것은 이 병원균이 벌의 건강을 어떻게 해치는지 규명하는 데 중요한 단계입니다.

본 연구는 병원균인  N. ceranae가 살충제 시안트라닐리프롤에 대한 아데노바이러스 (A. mellifera)  의 준치사량 노출에 대한 감수성을 증가시키는  지 조사했습니다. 검증된 가설은 병원균에 의한 중장 상피세포의 세포자멸사 억제가 아데노바이러스 (A. mellifera)  의 살충제  약화를 유발하는 매개 기전이라는 것입니다  .

섹션 스니펫

곤충

새로 출현한 아프리카화  A. mellifera  일벌은 브라질 미나스제라이스주 비소사 연방대학교 중앙 양봉장의 5개 군집에서 채취한 애벌레 틀에서 채집되었습니다. 모든 군집은 건강했으며, 임상적으로 질병 징후가 보이지 않았고, 높은 식물 다양성과 다화성 자원이 특징인 대서양림 지역 근처에 위치하며 살충제 노출이 없는 지역에 위치했습니다. 군집은 각각 약 20개의 벌통이 있는 랑스트로스 벌통에서 유지되었습니다.

농도-사망률 생물 검정

Probit 농도-사망률 모형은 적절한 것으로 판단되었으며(χ² = 12.20;  P  > 0.05), 24시간 후 시안트라닐리프롤의 치사 농도를 추정할 수 있었다(표 1). 대조군에서는 사망이 관찰되지 않았다.

만성 노출 하의 생존 생물 검정

LC₅₀/ 10 + Nosema 처리군 에서 대조군에 비해 생존율이 유의미하게 감소했습니다  (그림 1). 다른 처리군에 노출된 벌들은 대조군과 비교하여 생존율에 유의미한 차이를 보이지 않았습니다(그림 1).

중장에서의 세포사멸 검출

면역형광

논의

사망률 생물검정 결과는 아프리카화 Apis mellifera 일벌에 대한 시안트라닐리프롤의 급성 독성을 확인시켜 줍니다. 추정된 LC₅₀ 값 0.039 mg L⁻¹은 농업 해충 방제에 권장되는 농도 범위 내에 있으며, 이는 치사적 영향을 유발할 수 있는 현실적인 현장 노출을 나타냅니다. 이전의 급성 독성 연구에서도 A. mellifera 유충이 현장 관련 농도에서 시안트라닐리프롤에 대한 감수성이 입증되었으며[40],

결론

시안트라닐리프롤 단독으로는 치사량에 가까운 농도에서는 벌에 영향을 미치지 않지만, 병원균인  N. ceranae 와 결합하면 아프리카화 A. mellifera  의 생존을 감소시키는 유해한 영향을 미칩니다  . N. ceranae 의 세포자멸사 억제 능력은   이러한 유해한 상호작용의 핵심 요인으로, 벌의 방어 반응을 약화시키고 살충제에 대한 감수성을 증가시킬 수 있습니다.

전반적으로 이 연구는 상호작용에 대한 이론적, 경험적, 방법론적 통찰력을 제공합니다.

환경적 영향

이 연구는 병원균인 노제마 세라네(Nosema ceranae)와 살충제인 시안트라닐리프롤(cyantraniliprole) 간의 상호작용이 꿀벌의 두 스트레스 요인에 대한 취약성을 증가시킨다는 것을 보여줌으로써 중요한 환경적 함의를 제시합니다. 중장의 세포자멸사 조절은 조직 무결성을 손상시키며, 특히 병원균의 집락이 심한 지역에서 더욱 그렇습니다. 이러한 결과는 이전 감염이 살충제의 효과를 악화시켜 수분매개자 개체군 감소에 기여할 수 있음을 시사합니다.

CRediT 저자 기여 진술서

João Victor de Oliveira Motta:  조사, 방법론, 형식 분석.  Lenise Silva Carneiro:  조사, 방법론, 형식 분석.  Diego dos Santos Souza:  검증, 조사, 방법론.  Resende Matheus Tudor Candido Santos:  집필 - 초안, 조사, 개념화, 집필 - 검토 및 편집, 방법론, 형식 분석.  Serrao Jose Eduardo:  집필 - 검토 및 편집, 지도, 형식 분석, 집필 - 초안, 연구비 확보

경쟁 이해관계 선언

저자는 이 논문에 보고된 내용에 영향을 줄 수 있는 경쟁적 재정적 이해관계나 개인적 관계가 없다고 선언합니다.

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