Identification and Characterization of Entomopathogenic Fungi Producing Insect Juvenile Hormone Antagonist

Abstract

Insects not only cause great economic damages to agricultural products, but also pose threats to human health by transmitting various diseases. In general, chemical insecticides have been used to control insect pests. As chemical insecticides have disadvantages such as toxicity to environments and insect resistance, needs for eco-friendly insecticides are on the rise. Insect growth regulators (IGRs) could become an effective alternative to conventional chemical insecticides because they are specific to target insects and have a low toxicity to non-target organisms. Entomopathogenic fungi are an important natural pathogen of insects and have been developed as biological control agents for many important agricultural, forest and medical pests. These fungi produce a wide range of secondary metabolites such as antibiotics, pesticides, growth-promoting or inhibiting compounds, insect attracting agents and antifreeze agents. In this study, to explore novel IGR substances from entomopathogenic fungi, culture extracts of 189 entomopathogenic fungi isolated from Korean soil samples were investigated for their juvenile hormone (JH)-based IGR activities. Whereas none of the culture extracts exhibited JH agonist (JHA) activity, 14 extracts showed high levels of JH antagonist (JHAN) activity. Among them, culture extract of F-145 strain, which was identified as Lecanicillium attenuatum, showed the highest insecticidal against 3rd instar larvae of Aedes albopictus and Plutella xylostella. At liquid culture condition, JHAN activity was observed in culture soup rather than mycelial cake, suggesting that the substances with JHAN activity are released from the F-145 strain during culture. Furthermore, while extract from solid cultured F-145 strain showed insecticidal activities against both A. albopictus and P. xylostella, that from liquid cultured fungi showed insecticidal activity only against A. albopictus. These results suggested that L. attenuatum F-145 strain produces different kinds of secondary metabolites depending on culture onditions.

곤충은 농작물이나 인축에 큰 경제적 피해를 입힐 뿐만 아니라, 질병 매개를 통해 인류의 건강에 큰 위협을 끼치고 있다. 일반적으로 이러한 해충들을 방제하기 위해 화학적 살충제들을 사용해왔다. 하지만 기존의 화학 살충제들은 인축에 유해하고 환경에 대한 독성과 곤충의 저항성 발달 등의 단점을 가지기 때문에 새로운 대안이 필요하다. 곤충생장조절제 (insect growth regulator: IGR) 은 기존의 화학 살충제와는 달리 상대적으로 높은 특이성과 환경에 대해 낮은 독성 등의 장점을 가지기 때문에 화학 농약의 대안으로 떠오르고 있다. 곤충병원성 곰팡이는 많은 중요한 농업, 산림, 의학적 해충의 잠재적인 생물학적 방제제로 개발되어 온 곤충의 중요한 자연적 병원균이다. 이러한 곰팡이는 항생제, 살충제, 생장을 촉진 또는 억제하는 화합물, 유인물 및 퇴치제로서 치료적 가치가 높은 광범위한 이차 대사산물을 생산한다. 본 연구에서는 곰팡이로부터 새로운 IGR 물질을 탐색하기 위해 대량의 곰팡이를 효율적으로 검정할 수 있는 high-throughput culture condition을 확립하였고, 189개의 곤충병원성 곰팡이의 IGR 활성 평가 결과, JHAN (juvenile hormone antagonist) 활성이 0.4 이상인 14개의 균주를 1차적으로 선별하였다. 그들 중, 곰팡이 F-145 균주가 흰줄숲모기와 배추좀나방에서 높은 살충활성을 보였다. 곰팡이 F-145 균주는 형태학적 동정과 분자생물학적 동정을통해 Lecanicillium attenuatum 균주인 것으로 확인되었다. 배양 방식에 따른 활성을 비교하기 위하여, F-145 균주를 고체 및 액체 배지를 이용하여 각각 배양하고 그 추출물의 JHAN 및 살충활성을 조사하였다. 각각의 배양추출물을 대상으로 IGR 활성 평가 결과, JHA 활성을 보이는 배양조건은 없었으며, JHAN 활성의 경우에는 각각의 배양조건에서 모두 0.4 이상의 높은 활성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 액체배양의 경우, 균체보다는 배양액에서 더 높은 활성을 보였다. Lecanicillium attenuatum F-145의 고체배양 추출물은 흰줄숲모기와 배추좀나방에 모두에 대하여 높은 살충활성을 보인 반면, 액체배양의 경우 모기에 대해서만 살충 활성을 보였다. 이러한 결과는 F-145 균주가 만들어내는 이차대사산물이 배지에 따라 다르다는 것을 시사하였다.