[논문 리뷰] Exploring the Dynamics of Virulent and Avirulent Aphids: A Case for a "Within Plant" Refuge

Aniket Banerjee, Ivair Valmorbida외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 01.

Insect and Pesticide Research참고 문헌 50인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 저항성 있는 콩 식물에서 유전자형이 강한( virulent ) 및 약한( avirulent ) 콩나방이 공존할 수 있는 메커니즘을 탐구하기 위해 비국소 미분방정식 모델을 제안한다. 연구 결과, 강한 나방이 식물의 생리적 조작을 통해 저항성을 억제함으로써 '식물 내부의 피난처'를 만들며, 이로 인해 약한 나방이 생존할 수 있음을 보여준다. 모델은 강한 나방의 식물에 대한 침식이 증가할수록 약한 나방의 생존율이 높아지는 것을 보여주며, 이는 자가유지 가능한 피난처 메커니즘이며, 통합 해충 관리에서 저항성 콩의 내구성을 향상시킬 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The soybean aphid, Aphis glycines (Hemiptera: Aphididae), is an invasive pest that can cause severe yield loss to soybeans in the northcentral United States. A tactic to counter this pest is the use of aphid-resistant soybean varieties. However, the occurrence of virulent biotypes can alter plant physiology and impair the use of this management strategy. Soybean aphids can alter soybean physiology primarily by two mechanisms, feeding facilitation and the obviation of resistance, favoring subsequent colonization by additional conspecifics. We developed a non-local, differential equation population model, to explore the dynamics of these biological mechanisms on soybean plants co-infested with virulent and avirulent aphids. We then use demographic parameters from laboratory experiments to perform numerical simulations via the model. These simulations successfully mimic various aphid dynamics observed in the field. Our model showed an increase in colonization of virulent aphids increases the likelihood that aphid-resistance is suppressed, subsequently increasing the survival of avirulent aphids, producing an indirect, positive interaction between the biotypes. These results suggest the potential for a "within plant" refuge that could contribute to the sustainable use of aphid resistant soybeans.

연구 동기 및 목표

• 저항성 콩 식물에서 식물 저항성에도 불구하고 약한 나방이 지속 가능한지 조사하기 위해.
• 강한 나방이 식물 생리학을 어떻게 변화시켜 약한 생형과의 공존을 가능하게 하는지 조사하기 위해.
• 약한 나방이 저항성 콩 식물에서 강한 나방에 의해 유도된 저항성 억제로 인해 생기는 '식물 내부의 피난처'가 통합 저항성 관리(IRM)에 지속적으로 기여할 수 있는지 평가하기 위해.
• 이 피난처 메커니즘이 콩나방 방제에서 Rag 유전자 기반 저항성의 장기적 내구성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 저항성 여부에 따라 콩 식물에서 나방의 역학을 시뮬레이션하기 위해 비국소 미분방정식 기반의 인구 모델을 개발하였다.
• 두 가지 핵심 메커니즘을 통합: 섭취 촉진(일반적인 식물 생리적 변화) 및 저항성 회피(특정 강한 나방에 의한 식물 저항성 억제).
• 감수성 및 저항성 콩에서의 나방 인구 증식에 관한 실험실 실험 데이터를 사용하여 모델의 매개변수를 校정하였다.
• 공존 임계값과 인구 궤적을 평가하기 위해 강한 및 약한 나방 인구의 다양한 초기 조건을 시뮬레이션하였다.
• 저항성 임계값(R)을 정의: 섭취 촉진을 통해 저항성 억제를 유도하기 위한 최소한의 약한 나방 밀도로 정의하였다.
• 초기 인구 밀도가 공존 결과와 피크 인구 시점에 미치는 영향을 탐구하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 생형이 식물에 침식할 경우, 식물의 생리적 변화로 인해 저항성 콩 식물에서 약한 나방이 생존하고 지속 가능한가?
• RQ2 섭취 촉진을 통해 저항성 억제를 유도하기 위해 필요한 약한 나방 밀도의 임계값은 얼마인가?
• RQ3 강한 나방의 존재가 저항성 식물에서 약한 나방의 인구 역학과 생존에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 약한 나방이 저항성 콩 식물에서 전체 생육기 동안 지속 가능한 '식물 내부의 피난처'가 형성될 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 자연적 적(포식자 및 기생충)은 이러한 식물 내부 피난처의 안정성과 효과성에 어떤 영향을 미칠 수 있는가?

주요 결과

• 강한 나방은 콩 식물의 저항성 억제 가능성을 높이며, 이로 인해 일반적으로 저항성인 식물에서도 약한 나방이 생존할 수 있다.
• 약한 나방의 밀도가 저항성 임계값(R)을 초과할 경우, 섭취 촉진 메커니즘이 강한 생형과의 지속적 공존을 가능하게 한다.
• 두 생형의 피크 인구 밀도는 초기 인구 비율과 관계없이 동시에 발생하며, 이는 동기화된 역학을 나타낸다.
• 초기 강한 나방의 밀도가 높을수록 총 인구 밀도는 증가하지만, 저항성 임계값을 충족하면 약한 나방 인구 역시 지속된다.
• 모델은 현실적인 생물학적 조건 하에서 '식물 내부의 피난처'가 가능하다는 것을 입증하며, 저항성 콩 식물에서 약한 나방의 장기적 지속 가능성을 뒷받침한다.
• 결과적으로 이러한 피난처 메커니즘이 통합 저항성 관리(IRM) 프로그램에서 저항성 콩의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 외부 피난처에 대한 의존도 감소시킬 수 있다.