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ISSN : 1225-0171(Print)
ISSN : 2287-545X(Online)
Korean Journal of Applied Entomology Vol.65 No.3 pp.215-231
DOI : https://doi.org/10.5656/KSAE.2026.05.0.012

Transcriptomic Analysis of Gene Expression Changes in Thrips nigropilosus Uzel under Low-Temperature Exposure

Yeongtae Kim, Hyechan Hwang, Dayeon Lee, Chung Ryul Jung1*, Youngjin Park**
Department of Plant Medicals, Gyeongkuk National University, Andong 36729, Korea
1Special Forest Resources Division, National Institute of Forest Science, Suwon 16631, Korea
*Corresponding author:crjung92@korea.kr
**Corresponding author:ypark@gknu.ac.kr
April 3, 2026 May 23, 2026 June 8, 2026

Abstract


Thrips nigropilosus Uzel is a polyphagous thrips species causing economic damage to medicinal and horticultural crops, yet its molecular responses to low temperature remain unclear. Here, we analyzed the transcriptome of adults exposed to 4°C for 24 h (LOW) compared with a control at 25°C (CON). Illumina NovaSeq sequencing generated 7.38 × 108 paired-end reads, and de novo assembly produced 124,562 unigenes (N50 = 948 bp; average length = 611.4 bp). Functional annotation showed that 37.2% of unigenes matched at least one public database, with Gene Ontology terms mainly related to metabolic process and binding. Differential expression analysis identified 1,881 DEGs (860 up- and 1,021 down-regulated in LOW), indicating overall transcriptional suppression under cold stress. Cold-related genes, including acyl-CoA desaturase, cuticle protein, cytochrome P450, glutathione S-transferase, trehalose transporter, juvenile hormone esterase, and lipase, were significantly regulated, whereas vitellogenin was strongly down-regulated, suggesting a shift from reproduction to survival. RT-qPCR confirmed expression patterns consistent with RNA-seq results. This study provides the first transcriptomic resource characterizing the acute cold exposure response in T. nigropilosus and supports the development of improved thrips management strategies.


Thrips nigropilosus , Cold stress , Transcriptome , Differentially expressed genes , Cold adaptation

저온에 노출된 미나리총채벌레(Thrips nigropilosus Uzel)에서 나타나는 유전자 발현 변화에 대한 전사체 기반 연구

김영태, 황혜찬, 이다연, 정충렬1*, 박영진**
국립경국대학교 식물의학과
1국립산림과학원 산림특용자원연구과

초록


미나리총채벌레는 다양한 약용작물과 원예작물에 경제적 피해를 유발하는 광식성 총채벌레이지만, 저온에 대한 분자적 반응은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 4°C에서 24시간 처리한 성충(LOW)의 전사체를 25°C에서 사육한 대조구(CON)와 비교 분석하였다. Illumina NovaSeq 분석을 통해 총 7.38 × 108개의 paired-end read를 확보하였으며, de novo 전사체 조립 결과 평균 길이 611.4 bp, N50 948 bp의 124,562개 unigene이 생성되었다. 기능 주석 분석에서는 전체 unigene의 37.2%가 하나 이상의 공공 데이터베이스와 일치하였으며, Gene Ontology 분석 결과 대사 과정과 결합 기능에 관련된 항목이 주로 확인되었다. 차등발현 분석에서는 총 1,881개의 차등발현유전자가 확인되었으며, 저온 처리구에서 860개가 상향 조절되고 1,021개가 하향 조절되어 저온 스트레스에 따른 전반적인 전사 억제 경향을 나타냈다. Acyl-CoA desaturase, cuticle protein, cytochrome P450, glutathione S-transferase, trehalose transporter, juvenile hormone esterase 및 lipase 등 저온 적응과 관련된 유전자들의 발현이 유의하게 조절되었다. 반면, vitellogenin은 현저하게 하향 조절되어 저온 조건에서 생식보다 생존에 에너지를 우선적으로 배분하는 생리적 전환이 이루어졌음을 시사하였다. RT-qPCR 분석 결과는 RNA-seq에서 확인된 유전자 발현 양상과 일치하였다. 본 연구는 미나리총채벌레의 급성 저온 노출 반응을 규명한 최초의 전사체 정보를 제공하며, 총채벌레의 효율적인 관리 전략을 개발하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.


미나리총채벌레 , 저온 스트레스 , 전사체 , 차등발현유전자 , 저온 적응

    서 론

    곤충은 변온동물로서 온도 변화에 직접적인 영향을 받으며, 이러한 온도 변화는 곤충의 생리, 대사, 발달, 번식 및 생존에 광범위한 영향을 미친다(Hoffmann et al., 2003). 특히 저온 스트레스는 곤충이 직면하는 주요 환경 요인 중 하나로, 갑작스러운 기온 강하나 계절적 추위는 곤충 개체군의 생존율을 급격히 변화시키며 지역적 분포와 발생시기를 결정하는 중요한 요인이 된다(Lee, 2010;Bale and Hayward, 2010). 곤충은 이러한 환경적 제약을 극복하기 위해 다양한 생리적·분자적 적응 전략을 발달시켜 왔으며, 대표적으로 신속한 저온 순화, 항산화 방어체계 활성화, 막지질 조성의 동종점성 적응(homeoviscous adaptation), 그리고 동결보호물질 축적 등이 보고되어 있다(Clark and Worland, 2008). 곤충의 저온 적응 관련 전사체 연구에서 반복적으로 강조되는 경로는 크게 세 가지로 요약된다. 단백질 안정성 유지를 위한 열충격단백질 및 chaperone의 발현 증가(Sørensen et al., 2003)와 항산화 방어체계 강화로 superoxide dismutase, catalase, glutathione S-transferase 등의 효소 발현이 증가하여 활성산소종(Reactive Oxygen Species) 축적을 억제한다(Yuan et al., 2021). 그리고 에너지 대사 및 보호성 당 축적으로 trehalose transporter, glycerol kinase, fatty acid desaturase 등이 관여하여 세포의 손상을 줄이고 막 항상성을 유지한다(Clark and Worland, 2008).

    총채벌레류는 이러한 온도 적응과는 별도로 농업에서 매우 중요한 해충집단이다. 전 세계적으로 꽃, 채소, 곡물 등 500여 종 이상의 작물을 가해하며, 흡즙으로 인한 피해뿐 아니라 토마토반점위조바이러스(TSWV) 등 다양한 식물바이러스의 매개체로 작용하며(Reitz et al., 2020), 국제적으로는 검역대상 해충이자 방제 우선종으로 지정되는 사례가 많다. 지금까지 꽃노랑총채벌레(Frankliniella occidentalis)와 파총채벌레(Thrips tabaci)의 생태적, 분자생물학적 연구(Reitz et al., 2020;Song et al., 2024;Diaz-Montano et al., 2011;Gao et al., 2024)를 활발히 진행해 왔다.

    ‘Chrysanthemum thrips’ 또는 ‘pyrethrum thrips’라고 부르는 미나리총채벌레(Thrips nigropilosus)는 유럽이 원산지로 전 세계의 온대지역에 분포하는 광식성 총채벌레(Nakahara, 1993)로 국화과, 박과 및 가지과 식물 등을 기주로 한다. 아프리카 케냐의 제충국(Chrysanthemum cinerariaefolium) 재배지에서 대규모로 발생하여 피해를 준 것이 첫 보고(Glynne and Sylvester, 1966)이며 미국, 영국 및 일본에서는 국화(C. morifolium)의 주요 해충으로 보고되어 있다(Stannard, 1968;Mound et al., 1976;Ganaha-Kikumura et al., 2012). 국내에서는 쑥(Artemisia princeps)을 포함한 국화과(Asteraceae) 16종과 당근(Daucus carota)을 포함한 산형과(Apiaceae) 6종 등 총 11과 35종에서 발생하며, 약용작물인 천궁(Cnidium officinale)에서는 8종의 총채벌레류 중 우점종으로 보고하였다(Lee et al., 2004;Yoon et al., 2023). 이처럼 많은 작물에서 피해가 발생하지만, 현재까지 분자수준에서의 연구는 매우 부족하다.

    국내 총채벌레류는 원예·채소작물에서 주요 해충으로 지속적인 피해를 일으켜 왔다. 국내 연구는 주로 발생생태와 기주식물 특성(Kim et al., 2014), 작물별 피해 및 방제 전략, 그리고 살충제 저항성 및 방제 기술에 초점을 맞추어 왔다. 미나리총채벌레는 국내에서 국화 재배지의 주요 해충으로 보고하였고 발생시기와 약제 반응성에 관한 연구를 일부 진행한 바 있으며, 형태 분석(Yoon et al., 2023)과 일부 분자 동정이 이루어졌다(Jung et al., 2019). 하지만 국내 미나리총채벌레의 전사체 수준 연구는 전무하며, 연구 대부분은 생태와 방제 중심으로 국한되어 있다.

    본 연구에서는 미나리총채벌레의 전사체를 de novo 방식으로 최초 구축하고, 기능 주석 및 차등발현 유전자(Differentially expressed gene, DEG) 분석을 통해 급성 저온 스트레스에 반응하는 주요 경로와 유전자를 구명하고자 하였다. 이를 통해 미나리총채벌레의 저온적응 기작에 대한 분자 수준의 정보를 제공할 수 있다는 점에서 의의가 크다. 또한, 다양한 유전정보를 바탕으로 하는 총채벌레류 해충의 관리 전략 수립을 위한 기초 분자표적의 자료를 마련하고자 한다.

    재료 및 방법

    시험곤충 및 온도처리

    실험실에서 미나리총채벌레의 사육은 (Nakao, 1993)의 논문을 일부 변형하였다. 사육조건은 아크릴 사육케이지(45 × 45 × 50 cm; W × D × H) 안에서 온도 25 ± 1°C, 상대습도 60~65%, 광주기 16:8 (L:D)의 조건을 유지하였다. 사육케이지 안에 1달 동안 재배한 단호박(아지지망 품종, 아시아종묘, 서울)을 2주 간격으로 대체먹이로 제공하며 미나리총채벌레를 계대 사육하였다. 저온처리에 따른 미나리총채벌레의 전사체 비교 분석을 위해 저온처리구(LOW)에서는 성충을 4°C에서 24시간 노출시켰으며, 대조구(CON)는 25°C에서 사육 중인 성충을 대상으로 하였다. 전사체 분석을 위해 각 처리별 3반복으로 구성하였으며, 각 반복당 우화 후 2일 이내의 단시형 성충 50마리를 사용하였다.

    cDNA 라이브러리 제작

    각 처리별 시료는 1 ㎖의 TrizolTM 용액이 담긴 1.5 ㎖ 튜브에 넣고 멸균된 pestle을 이용하여 마쇄한 후 TrizolTM Plus RNA Purification Kit (Thermo Fisher Scientific, MA, USA)를 이용하여 3반복으로 mRNA를 추출하였다. 추출한 시료의 mRNA는 DEPC를 처리한 멸균수 100 ㎕에 녹인 후 −80°C에 보관하면서 실험에 사용하였다. 일부 mRNA는 전사체 분석을 위해 Random primer를 이용한 TruSeq stranded total RNA library prep gold Kit (Illumina Inc., CA, USA)를 사용하여 cDNA 라이브러리를 제작하였다.

    RNA sequencing 및 De novo transcriptome assembly

    합성한 cDNA에 어댑터를 연결한 후 PCR을 실시하고 200~400 bp 범위의 삽입 크기를 가진 라이브러리를 Illumina NovaSeq 시스템(Illumina, CA, USA) 플랫폼에서 paired-end 101 bp로 시퀀싱하였다. 데이터 품질 평가 및 Trimming FastQC (v0.11.7)을 이용하여 원시 시퀀싱 데이터의 품질을 확인하였으며, Trimmomatic (v0.38)을 이용하여 저품질의 read, 어댑터, 짧은 시퀀스를 제거하여 평균적으로 각 시료에서 Q30률은 94% 수준이었다. 필터링을 완료한 모든 시료의 read를 병합하여 Trinity (version trinityseq_r20140717)를 이용한 de novo 방식으로 전사체 조립을 수행하였다. 이 과정에서 Bowtie v1.1.2를 함께 사용하였다. CD-HIT_EST를 통해 중복된 isoform을 제거하고 longest isoform 기반의 unigene 클러스터를 구성하였으며, 조립한 전사체를 기반으로 RSEM (v1.3.1, Bowtie v1.1.2)을 활용하여 염기서열을 매핑하고 발현량을 확인하였다.

    유전자 기능 주석 및 Open Reading Frame (ORF) 예측

    200 bp 이상인 unigene의 기능 주석 및 유전자 동정을 위해 DIAMOND v2.1.6 (http://github.com/bbuchfink/diamond) 및 NCBI BLASTN과 BLASTX 프로그램을 활용하였다. 기능 주석을 위해 E-value ≤ 10−5의 기준을 적용하였으며, Gene Ontology (GO; Ashburner et al., 2000), Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG; Kanehisa et al., 2004), NCBI Nucleotide (NT), NCBI nonredundant Protein (NR; Deng et al., 2006), UniProt/Swiss-Prot (Apweiler et al., 2004), Pfam (Finn et al., 2011), Cluster of Orthologous Groups of proteins (COG; Tatusov et al., 2000), EggNOG (Powell et al., 2013) 등의 데이터베이스를 기반으로 상동서열 검색을 실시하여 unigene의 기능 주석 및 분류를 진행하였다. Open Reading Frame (ORF)의 예측은 TransDecoder (v3.0.1)을 사용하여 100개 이상의 아미노산을 대상으로 ORF를 탐색하였다.

    차등발현 유전자 분석

    모든 시료에 대해 유전자 발현 분석 전 품질 검사를 수행하였으며, 하나 이상의 read count 값이 0인 유전자는 후속 분석에서 제외하였다. 유전자 발현량의 정규화 및 차등발현 분석은 R 통계 프로그램(version 4.3.1; R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria)에서 DESeq2 package를 이용하여 수행하였다. 시퀀싱 과정에서 발생할 수 있는 library size 및 조성 편향을 보정하기 위해 Relative Log Expression (RLE) 방법을 사용하여 size factor를 추정하였다. 통계적 유의성 검정은 negative binomial Wald test를 기반으로 수행하였으며, 다중검정에 따른 오류를 보정하기 위해 Benjamini–Hochberg의 허위발견율(false discovery rate, FDR) 조정을 적용하였다. 전체 발현 데이터의 군집 경향 및 분산은 multidimensional scaling (MDS) analysis를 통해 평가하였다. 유의한 차등 발현 유전자(differentially expressed genes, DEGs)는 보정된 P-value (FDR) < 0.05 및 |log2 fold change| > 2 기준에 따라 선발하였다. 처리군 간 유전자 발현 패턴은 R 프로그램의 ggplot2 package를 이용하여 volcano plot으로 시각화하였으며, 발현량 비교를 위한 막대그래프는 SigmaPlot software (version 14.5; Systat Software Inc., San Jose, CA, USA)를 사용하여 작성하였다.

    Quantitative RT-PCR (RT-qPCR)

    저온 스트레스 반응 유전자의 발현량 분석을 위해 5종 6개의 유전자 특이 primer 세트(Table 1)를 사용하여 RT-qPCR을 실시했다. cDNA 합성은 Oligo dT primer가 포함된 Maxime RT Premix kit (iNtRON Biotechnology, Korea)을 이용하였다. ExicyclerTM Quantitative Thermal Block (Bioneer Corporation, Daejeon, Korea)을 이용하여 SYBR Green 형광물질과 형광분석방법을 가미한 RT-qPCR 반응으로 측정하였다. RT-qPCR 반응은 Accupower® GreenstarTM qPCR PreMix (Bioneer Corporation, Daejeon, Korea)로 진행하였다. 총 20 ㎕의 반응물은 1× GreenStarTM master mix, 10 mM MgCl2, 0.5 μM의 각 프라이머, 200 ng의 cDNA를 포함한다. 반응조건은 HotStart Taq DNA polymerase를 활성화하기 위해 95°C에서 15분간 가열하였으며, 이후 94°C에서 30초, 55°C에서 30초, 72°C에서 30초의 반응 순으로 40회 과정으로 진행하였고, 증폭한 PCR 산물의 형광반응을 실시간으로 측정하였다. 각 처리는 3반복으로 각 반복은 독립된 반응으로 수행하였다. Reference 유전자는 elongation factor 2 (EF2)를 이용하였다(Table 2). 이 유전자 증폭산물을 각 유전자 반응의 정량적 표준화 대조군으로 이용하였다. 확보한 PCR 증폭물의 형광량은 ExicyclerTM 프로그램을 이용하여 실시간으로 도식화하였고, 정량적 임계반응 횟수(critical threshold, Ct)를 산출하였다. 다시 각 유전자의 Ct value는 EF2 유전자 Ct에 대한 차이(ΔCt)로 산출한 후, 이를 상대적 수치( 2 − ΔΔCt )로 환산하여 비교하였다(Livak and Schmittgen, 2001).

    통계분석

    그래프의 통계값은 평균 ± 표준편차를 이용하여 나타내었다. 평균은 SAS 프로그램(SAS Institute Inc., 1989)을 이용하여 one-way ANOVA 분석을 하였다. 처리 평균 간 비교는 LSD 검정을 사용하여 제1형 오류확률 0.05를 기준으로 하였다.

    결 과

    RNA sequencing 분석

    미나리총채벌레의 전사체를 Illumina 플랫폼으로 분석한 결과, 738백만 개의 paired-end read를 생성했으며, trimming 과정을 거친 후에도 700백만 개 이상의 고품질 read를 확보했다. De novo 조립 결과, 총 185,821개의 read를 조립했고, 중복 read를 제거한 후 N50 = 948 bp, 평균길이 611.4 bp의 124,562개의 unigene으로 구성된 7.61 Gb의 서열정보를 확보했다(Table 2). De novo 방식으로 read mapping을 실시한 결과, 대조구에서는 77.97~78.81%, 저온처리구에서는 79.22~80.25%로 시험구 간에 유사한 비율로 염기서열이 매칭되었다(Table 2). 대조구와 저온처리구의 전체 발현양상을 P-value를 이용한 heatmap을 작성하여 시각화하였다(Fig. 1).

    차등발현 유전자(DEG) 분석

    124,562개의 전체 unigene 중 저품질 필터링과 RLE 정규화 과정을 거친 24,242개의 DEG를 분석한 결과, 유전자 발현이 2배 이상 차이가 나며 유의수준(P-value)이 0.05 미만 기준으로 선발한 unigene은 DEG 분석 unigene 중에서 약 7.75% (1,881개) 정도만 유의미한 차등발현을 나타내었다(Fig. 2). 유전자의 발현 변화 정도와 통계적 유의성을 동시에 시각화하고자 volcano plot 분석을 하였다(Fig. 2A). 저온처리구에서는 unigene 860개의 발현은 2배 이상 증가하였고, 1,021개 유전자는 2배 이상 감소하여 저온에 반응하여 활성이 저하되는 유전자가 더 많이 나타났다(Fig. 2B). DEG 분석에서는 하나의 read count 값이 0보다 클 경우는 분석에서 제외하여 전체 124,562개의 contig에서 100,320개를 제외한 24,242개의 contigs를 분석에 이용하였다(Fig. 2C).

    유전자 기능 분석 및 주석

    단백질 ORF 예측 결과, 전체 unigene 중 15.21% (18,947개)가 단일 또는 복수 ORF로 예측되었으며, 전체 ORF는 20,595개로 이 중 42.49% (8,751개)가 완전한 형태의 ORF이었다(Table 3). Unigene의 주석을 위해 7개의 annotation 데이터베이스를 이용하여 탐색한 결과, 전체 unigene의 약 37.2% (46,297개)는 적어도 하나의 데이터베이스에서 유의하게 정렬되었다. 유전자 기능 분석의 분포는 GO 19.79%, UniProt 17.89%, NR 31.55%, Pfam 18.48%, EggNOG 24.17%, 및 KO_EUK 21.05%이었다(Table 4). GO term 분류 결과, Biological Process, Cellular Component, 그리고 Molecular Function으로 나타내었다(Fig. 3). Biological Process 항목에서 Metabolic process 군이 27.84%로 가장 높은 분포를 보였고(Fig. 3A), Cell Component 항목에서는 Cell part 군이 42.32% (Fig. 3B), Molecular process 항목에서 Binding 군이 40.94% (Fig. 3C)으로 발현량이 가장 높은 것으로 나타났다.

    저온반응 주요 유전자 분석

    Hierarchical clustering 분석을 통해 두 시료 간의 뚜렷한 발현 차이를 확인하였으며 heatmap 분석으로 발현량을 가시화하였다(Fig. 4). 저온에 반응하는 유전자 중 Biological Process에서 8개(Fig. 4A), Cellular Component에서 5개(Fig. 4B), Molecular Function에서 17개(Fig. 4C)의 유전자를 선발하여 발현량을 분석하였다. 저온자극 환경에서 생리적 적응에 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 acyl-CoA desaturase, cuticle protein (CP), cytochrome P450 (CYP), glutathione S-transferase (GST), glycerol kinase (GK), heat shock protein (HSP), juvenile hormone esterase (JHE), lipase, proline rich proteins (PRPs), superoxide dismutase (SOD), trehalose transporter (Tret), vitellogenin (Vg) 등 12개 유전자의 유의미한 발현 변화를 확인하였고 기능별로 분류하였다(Table 5 and Table 6). 전체적으로 발현 증가 비율이 감소 비율보다 더 높았다. DEG 전체 분석에서 극적인 발현 변화를 보이는 전사체 10개는 최대 67배 증가하거나 최소 49배 감소하였다(Table 7).

    RT-qPCR에 의한 유전자 발현 검증

    Illumina RNA-Seq 분석으로 저온 스트레스에 반응하는 유전자의 발현 검증을 위해 FPKM (Fragment Per Kilobase of transcript per Million mapped reads) 값 기준으로 대조군 대비 저온처리군의 발현량이 2배 이상 차이를 나타낸 8개의 유전자[Tret 1 (c229914_g1_i1), GK (c221933_g1_i1), HSP (c237954_g4_i1), CYP (c212986_g1_i1), GST (c239053_g1_i2), SOD (c224109_g1_i1), JHE (c245225_g1_i3), 및 Vg (c246556_g1_i1)]를 대상으로 RT-qPCR을 실시하여 DEG 분석으로 발현량을 비교 검증하였다. FPKM 값과 RT-qPCR의 Ct 값 모두 P-value 값 0.05 이하에서 서로 동일한 수준을 나타내어 DEG 분석값을 신뢰할 수 있는 결과를 얻었다(Fig. 5). 따라서, RNA-seq 기반 발현량 예측의 정확성을 뒷받침하고 주요 유전자의 발현 변화에 대한 신뢰성을 확인할 수 있었다.

    고 찰

    곤충은 외부온도 변화에 매우 민감하게 반응하므로 일정온도 범위에서 생리작용이 원활하게 이루어진다. 적정온도 범위를 벗어나서 온도가 너무 낮거나 높으면 소화, 호흡, 성장 등 모든 생리작용이 느려지거나 멈출 수 있어 생존율은 급격히 감소할 수 있다. 여러 곤충종에서 저온 스트레스에 적응하기 위해서 에너지 대사, 세포막 유동성 조절, 단백질 구조 보호, 산화스트레스 방어, 발달 및 호르몬 조절 등의 다양한 생리 경로를 동시에 변화시킨다(Izadi, 2025).

    이 연구는 비모델 곤충종 중에서 급성 저온 스트레스에 반응하는 미나리총채벌레의 특이 유전자 발굴과 분자생리적 기작 구명을 위한 탐색 연구로써 전사체 발현 분석에 관한 최초의 보고이다. 전사체 분석을 위해 고품질의 read를 확보하고 de novo 방식으로 조립하여 124,562개의 unigene을 확보한 점은 기존의 모델곤충에서 흔히 관찰되는 수준의 양호한 unigene의 조립이 이루어졌음을 의미한다. 대조구와 저온처리구 간 매핑율이 유사한 점은 처리 간 체계적 편향이 크지 않음을 알 수 있고 DEG 분석의 해석 신뢰도를 높일 수 있다. GO, UniProt, NR, Pfam, EggNOG, NT, KO_EUK의 7개 database를 통해 유의하게 주석된 46,297개의 unigene의 비율(37.17%)과 GO 분석(19.79%) 역시 비모델 곤충 전사체에서 일반적으로 보고되는 수준이며, 미주석 영역은 종 특이 유전자 또는 기능이 밝혀지지 않은 유전자 pool일 가능성이 높다. Table 7처럼 발현 수준이 극적인 변화를 보이는 전사체의 기능은 아직 밝혀져 있지 않다. 이러한 미지의 영역은 곤충의 저온 적응에서 새로운 경로를 발굴할 가능성을 제공한다. DEG 분석에서 유의미한 DEG는 약 7.75% (1,881개)였고, 그 중 발현 감소(1,021개)가 증가(860개)보다 많았던 것은 저온노출 시 대사 억제, 성장, 번식 관련 경로의 조절 감소가 상대적으로 우세해지는 경향과 일치한다(Zhao et al., 2025). 여러 곤충종에서 저온이나 급랭 적응과정 동안 에너지 절감과 대사율 저하를 반복적으로 보고하고 있다(Zhang et al., 2024). 또한 차등발현된 unigenes의 GO 분석에서 Biological Process의 GO term 항목의 metabolic process의 비중이 가장 크고, Molecular Function 범주의 binding GO term 항목의 비중이 큰 것은 저온 상황에서 핵심대사, 효소활성과 결합성 단백질(운반체, chaperone 등)의 재조정이 중심이 될 수 있다는 해석이 가능하다.

    저온은 인지질 이중층을 경직시켜 막 유동성을 저하시키는데 곤충은 Δ9 desaturase, acyl-CoA desaturase 등을 통해 불포화도를 높여 막 유동성을 회복하는 전략을 보인다. 저온 자극 반응에서 fatty acid synthase (FAS) 및 기타 지질대사 유전자의 발현이 증가한다는 결과(Xue et al., 2024;Vatanparast and Park, 2021)와 부합되는 결과를 이 연구를 통해 확인하였다. Desaturase, FAS 유전자의 유의적인 발현 증가는 저온 스트레스에 적응하기 위해 막 지질 조성을 조정하려는 반응, 동점성 적응(homeoviscous adaptation)을 분자적 수준에서 뒷받침한다(Min et al., 2017;Helmkampf et al., 2015). FAS의 발현 증가는 곤충이 저온에 노출될 때 막지질 조성 변화 및 에너지 대사 재편성과 밀접히 관련된 중요한 신호로 해석할 수 있다. 곤충이 저온에 노출되면 세포막이 딱딱해지므로 FAS와 Δ9-desaturase를 함께 조절하여 포화 및 불포화 지방산 비율을 조절하는데, 이는 세포막 유동성 및 기능 유지에 핵심이다.

    Tret1과 GK 등의 동결보호물질은 냉해 회피나 냉해 내성과 관련되어 있는데 Tret1은 단백질과 세포막 보호와 밀접하게 연결된 대사 경로에 관여하며, 혈림프와 조직 간 당 수송의 병목지점으로서 관련 가능성이 있다. 이 연구에서 나타난 Tret1과 글리세롤 관련 유전자의 의미있는 변동은 저온 시 보호성 당의 재분배와 축적을 시사한다(Kikawada et al., 2007;Kanamori et al., 2010;Gokulanathan et al., 2024). 저온처리구에서 Tret1 발현이 증가하는 양상을 나타났는데 Zhang et al., 2023과 Zhou et al., 2022은 Tret1이 서서히 저온에 적응하는 급속내한성(Rapid Cold Hardening, RCH)에서 조직 간 trehalose 재분배 필요성이 커져 발현이 증가하는 경향이 있다고 보고하였다. GK는 곤충이 RCH나 월동시기처럼 저온에 적응하는 과정에서 GK 전사가 유도되어 유전자 발현이 증가하고 글리세롤이 축적되어 세포를 저온손상으로부터 보호하여 생존율을 높이는 기능적으로 연결되는 사례가 보고되어(Park and Kim, 2014;Vatanparast and Park, 2022a), GK가 발현되지 않으면 글리세롤이 충분히 축적되지 못해 저온내성이 떨어지고 그 결과 생존율이 감소한다. 또한, 동면 종료기처럼 이미 축적한 글리세롤을 에너지 대사나 삼투조절을 위해 분해 및 소모해야 하는 시기에는, GK 발현 증가가 글리세롤을 이용하는 쪽으로 작동할 수 있다(Kihara et al., 2009). 이처럼 GK 발현은 시기와 상황에 따라 저온을 대비한 글리세롤 축적기와 동면 해제 같은 이용기 사이에서 조절 방향이 달라질 수 있다. 이 연구에서 저온처리구의 GK 발현이 크게 감소(−6.7)하였는데 이는 기존 RCH나 월동기의 발현 증가 보고와는 상반되지만, 콩나방(Leguminivora glycinivorella) 유충의 동면기에 GK가 유의하게 발현량이 감소한다는 보고(Shi et al., 2025)와 일치한다. 따라서, GK 발현 감소는 저온적응 시 이미 축적한 글리세롤 이용을 억제하는 상태로 전환하거나 다른 동결보호물질 중심의 저온 대응체계가 구성되는 것으로 해석할 수 있다. 또한, 종 특이성, 처리시간, 발달단계에 따라 GK 발현 조절 방향이 달라질 수 있다는 점도 가정할 수 있다.

    HSP는 저온상태에서 단백질의 부분 접힘과 같은 변성에 대한 스트레스를 완화하고 단백질의 재접힘(refolding)과 단백질 분해효소 복합체(proteasome) 경로를 보조한다. 또한, 세포막 단백질의 안정화, 세포사멸 억제, 휴면이나 월동 시 생리적 안정성 유지 및 RCH를 통한 생존율 향상과 같은 곤충 생존에 핵심적인 역할을 한다. Wang et al., 2024의 보고에서 HSP70의 발현이 수 배 이상 증가하고, 이 유전자를 RNA 간섭(RNA interference)로 발현을 억제했을 때 생존율이 낮아지는 실험 결과는 HSP가 곤충의 저온 적응에 기능적으로 필수역할을 한다는 점을 잘 보여준다. 그러나 이 연구에서는 HSP beta-6 (HSPB6) 유전자의 발현이 감소하였는데 이 유전자에 상응하는 단백질은 small heat shock proteins (sHSPs) 계열에 속하는 분자량 약 17~20 kDa 정도의 작은 chaperone으로 인간과 여러 동물에서 발견되며 다른 HSP70이나 HSP90 계열과는 구분되는 작은 스트레스단백질이다(Table 6). 저온처리구에서 HSPB6는 발현이 약 2.5배 감소되어 저온환경에서 오리엔탈과실파리(Bactrocera dorsalis, Wang et al., 2024), 담배가루이(Bemisia tabaci, Barman et al., 2023) 및 초파리(Drosophila melanogaster, Štětina et al., 2015)에서 발현이 증가하는 경향과 상반된 결과를 나타내었으나, 깔따구류의 한 종인 Belgica antarctica 유충(Teets et al., 2019)의 RCH 처리구에서 HSP의 발현 수준이 더 낮았다는 결과와 동일하다. 이처럼 저온자극에서 HSP의 발현 감소 현상은 극저온, 급냉이나 장기저온 환경에서 세포대사를 전반적으로 억제해 에너지를 절약하여 불필요한 합성을 줄이고 필수경로만 유지하기 위한 경우이거나, 초기 저온 시점에서는 HSP 발현이 상승하여 단백질의 손상을 막지만, 저온적응이 안정화될 경우 발현이 감소하는 경향으로 해석이 가능하다.

    저온처리구에서 CYP450의 발현은 2.2~4.7배까지 증가하는 경향을 나타내었는데 이는 열대거세미나방(Spodoptera frugiperda)의 고온과 저온 비교에서 저온처리구에서 일부 CYP450이 유의미하게 증가(Vatanparast and Park, 2022b)하고 저온 스트레스 회복 단계에서 증가한다는 Zhou et al., 2019의 보고와 동일한 결과를 보여주었다. 그러나 무당벌레의 일종인 Cryptolaemus montrouzieri의 저온처리에서는 CYP450의 발현이 감소한다고 보고하고 있다(Zhang et al., 2015). 여러 보고에서 CYP450는 발현증가와 발현감소 모두 나타나는데 이는 종 특이성, 발달단계, 온도, 노출시간, 회복단계 유무와 같은 처리조건과 조직부위에 따라 달라질 수 있다. 발현이 증가하는 경우는 저온과 재가온 과정에서 ROS와 지질과산화가 증가할 수 있어 CYP450와 GST 등이 함께 조절된다(Zhou et al., 2019). 저온에 노출 후 회복단계이거나 비교적 장시간 저온처리하면 회복과정에서 대사, 피막 관련 조절과 수분 손실 억제 기전과 연계 가능성이 필요해 CYP450이 활성화되어 발현이 증가하는 경향을 보이나, 단시간에 급냉처리한 경우는 발현이 감소하는 경향을 보인다. 급냉 직후에는 전반적 대사 억제, 에너지 절약이 우세해 해독이나 외래물질 대사 관련 CYP450가 일시적으로 감소할 수 있지만(Zhang et al., 2015), 회복 적응기에는 증가하는 양상을 나타낸다.

    GST는 Glutathione을 이용해 유해 대사산물 4-Hydroxy-2-nonenal (4-HNE)을 결합하여 무독화하거나, 유기 과산화물 환원기능을 수행해 세포막 손상과 단백질 산화를 줄이며, 저온에 적응하는 과정을 거칠 때 glutathione을 중심으로 한 대사활동에서 자주 발견되며, 이 과정이 추위에 잘 견디게 만드는 중요한 기작이 된다(MacMillan et al., 2016). 저온처리구에서 GST의 발현증가는 Gryllus pennsylvanicus (Des Marteaux et al., 2017), 초파리(MacMillan et al., 2016), 벗초파리(Drosophila suzukii; Enriquez and Colinet, 2019), 고자리파리(Delia antiqua; Storey and Storey, 2012) 등의 보고와 동일한 양상이었다. GST의 발현증가는 산화손상 방어 기전으로 해석되며 흔히 기능적 강화로 이어지는 것으로 생물적으로 의미가 있다.

    CP 유전자의 발현은 저온처리구에서 증가와 감소 발현의 이원적인 양상이었으나 전반적으로 상승하는 양상을 보였다. 세부적인 발현양상은 16개는 증가, 2개는 감소하였는데 이는 뒷흰가는줄무늬밤나방(Mythimna loreyi, Duan et al., 2024)의 보고와 동일하였다. CP는 큐티클의 강도, 유연성, 친수성과 소수성 등을 조절해 탈수와 빙핵 형성을 억제하여 조직 손상을 줄이고 저온 스트레스 대응에서 큐티클 개조가 중요한 축으로 보고되고 있으며, 일부 CP는 표피의 통합 및 경화과정과 맞물려 저온 시 외피 안정성을 높이는 방향으로 전사체가 조정된다(Zhang et al., 2024). 저온노출 시 곤충종이나 시기에 따라 증가와 감소 발현이 혼재하나 상당수 CP는 발현이 증가하는 경우가 많으며(Duan et al., 2024), RCH나 회복단계에서 CP 관련 유전자가 공통으로 증가하는 패턴이 반복된다(Zhou et al., 2019). 배추좀나방(Plutella xylostella)의 전사체 분석에서 수컷은 CP 발현이 증가하고 암컷은 감소하는 성 의존 CP 반응을 보고하였고(Wang et al., 2023), 일부 벗초파리에서는 CP 신호가 두드러지지 않고, 이온 수송과 신경 및 막 유동성 유전자가 중심이 될 때도 있어 CP가 항상 핵심지표가 되진 않는다(Enriquez and Colinet, 2019).

    저온처리구에서 JHE 유전자의 유의미한 발현 증가는 열대거세미나방의 결과와 동일하였다(Vatanparast and Park, 2022a). 이는 단계별 JH의 수송과 분해 같은 신호조절이 저온적응에 관여했음을 시사한다(Duan et al., 2024). JHE가 증가하면 JH가 낮아져 생식이 억제되고, 에너지와 지질이 저장 쪽으로 전환되는데 이는 저온 적응이나 휴면 유도에 흔히 동반되는 변화이다. 많은 곤충에서 겨울 적응이나 휴면 유도 시 JHE의 강화로 JH가 저하되고 이것이 핵심신호로 작동해 생식 억제, 대사 저하, 지질 축적 등 저온 생존형 체제로 전환한다.

    SOD는 저온, 월동기 생존과 생식기관 보호에 중요하게 작용(Sim and Denlinger, 2013)하는 것으로 이 연구에서 발현이 감소되는 것을 확인하였다. 이는 Vg의 감소, GST와 HSP의 증가, 그리고 desaturase의 증가 양상과 함께 나타났는데 생식 억제 및 생존 우선 전략으로 전환, 막과 대사의 재구성 및 강화라는 전형적인 저온 적응반응과 일치하며 초파리에서 저온 순응 시 전사체가 대규모로 재편되고, 글루타치온과 막 관련 경로가 두드러진다는 MacMillan et al., 2016의 보고와도 일치한다. Lipase 발현의 증가는 저온 스트레스 하에서 지방 비축을 신속히 동원해 에너지와 막의 재구성 재료 글리세롤 전구체를 공급하는 전형적 저온 순응반응으로 생존 우선의 대사 전환 스위치가 켜졌다는 신호이다(Arrese and Soulages, 2010). 또한, lipase 유전자의 발현량 증가는 저온이나 섭식 저하 상황에서 지방체를 분해해 에너지원인 유리지방산과 동결보호 글리세롤을 공급하려는 생존전략으로 곤충의 지방 대사에서 지질 동원은 lipase가 주도한다(Hasanvand et al., 2020). 저온처리구에서 PRP의 발현이 4.4배 강하게 증가하는 것으로 나타나 초파리의 장기저온 순응과정에서 전사체와 대사체가 광범위하게 재편되어 proline 농도의 상승 경향(MacMillan et al., 2016)과 일치함을 확인하였다. Proline은 빙점강하와 수분활성 감소 같은 양적효과뿐 아니라 세포막과 단백질과의 직접 상호작용으로 안정화하는 질적 보호기능도 입증되었고 trehalose와 혼합 시너지가 특히 강하게 나타난다(Toxopeus et al., 2019).

    Vg는 이 연구에서 저온자극 반응과 관련된 유전자 중에서 가장 낮은 수준으로 발현량이 감소(−23.8)가 되어 다른 유전자들과 뚜렷하게 구분되었다. 많은 곤충이 저온 스트레스에서 생식 관련 유전자들이 광범위하게 감소하여 난황형성과 난소 성숙 같은 생식 프로그램을 일시적으로 중지하여 아미노산과 지질을 막 안정화, 삼투나 당대사, 손상 복구 등으로 전환한다(Tao et al., 2023). Vg 전사는 JH와 20-Hydroxyecdysone에 의해 강하게 유도되는데, 저온 휴면 유도에서는 JH 생합성이 낮아져 Vg 전사가 급락한다(Sheng et al., 2011;Wu et al., 2021). 저온에서 Vg 전사가 급격히 감소하는 것은 JH 생성이 억제되어 생존방어 쪽으로 전환하는 전형적 반응을 의미한다. 또한, Vg의 발현 감소는 막과 외피의 재구성(CP 및 acyl-CoA desaturase), 동결보호물질 경로(Tret, GK 및 proline), 단백질 안정화 및 해독(Hsp 및 GST) 관련 유전자들과 함께 활성화된 전형적 저온 순응 신호로 보여 총채벌레류에서 저온생리를 대표하는 핵심적인 분자 표지가 될 수 있다.

    이를 종합하면, 저온처리한 미나리총채벌레에서 제시된 12개의 핵심 전사체 중 8개 유전자는 전반적으로 발현이 증가하였고, 4개 유전자는 발현이 감소하였다(Table 6). 특히, CP, proline, CYP450, Hsp 및 lipase 등이 많이 증가했지만, Vg와 SOD는 유의하게 감소하였다. 이러한 각 유전자별 발현량 차이는 당과 아미노산, 그리고 polyol 기반의 저온 보호, 막 유동성 및 지질 재편성, 막과 표피 재편성, 단백질 안정화 및 저온 스트레스에 대한 해독계 가동이라는 곤충의 저온 적응의 일반적인 양상과 전반적으로 일치한다. Trehalose 운반(Tret1 계열)과 글루타치온 대사 축의 관여는 다수의 종에서 저온내성 향상과 일치하는 신호로 보고하였다(Ryabova et al., 2020;Zhou et al., 2022). 이와 동시에 JHE의 상승과 Vg의 강한 억제는 생식 억제와 에너지 절약 쪽으로의 내분비 재프로그래밍을 시사한다. 이는 저온과 단일 일장조건에서 여러 곤충에서 보이는 생식 정지 및 유사 휴면과 논리적으로 맞으며 JH 신호 저하는 Vg 억제라는 해석과도 부합한다(Tatar and Yin, 2001;Sim and Denlinger, 2013). 다만, 이 연구에서는 다수 종에서 보고되는 항산화 효소 SOD의 발현량 증가와 달리 발현이 감소하였는데 이는 SOD 전사체 수준의 감소가 항산화 관련 반응의 변화를 시사할 수 있으나 전체 항산화 상태 및 ROS 조절기작을 명확히 이해하기 위해서는 추가적인 생화학 분석이 필요하다.

    이 연구결과는 동결보호물질의 활성화, 지질 재편성, 표피 개선, 해독 및 chaperone 가동 및 내분비적 생식 억제라는 저온 적응에 관여하는 곤충의 저온생리 기능과 폭넓게 합치하면서, SOD의 발현감소와 Vg의 극단적 억제라는 두드러진 특성으로 에너지 절약과 생식 지연형 적응전략을 강하게 시사한다.

    사 사

    이 성과는 산림청 국립산림과학원 연구개발사업(과제번호: FE0100-2022-03-2024)의 지원과 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. RS-2024-00357273).

    저자직책 및 역할

    • 김영태: 국립경국대학교, 전문연구원; 전사체 분석 및 논문작성

    • 황혜찬: 국립경국대학교, 학부연구원; 결과 시각화

    • 이다연: 국립경국대학교, 학부연구원; 실험수행

    • 정충렬: 국립산림과학원, 임업연구사; 실험설계, 전사체 분석 및 논문작성

    • 박영진: 국립경국대학교, 교수; 실험설계, 자료분석 및 논문작성

    모든 저자는 원고를 읽고 투고에 동의하였음

    Figure

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    Heatmap of differential expression of cold metabolism-related genes between control (CON) and low-temperature exposed (LOW) groups in Thrips nigropilosus. The heatmap was generated using log Fragmented per Kilobase of transcript per Million mapped reads (FPKM) values.

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    Analysis of differentially expressed genes (DEGs) in Thrips nigropilosus after exposure to cold stress. (A) Volcano plot comparing control (CON) and low-temperature exposed (LOW) fold-change (FC) values and -Log P-values were used to generate the volcano plot. (B) DEGs between CON and LOW, selected with threshold levels of > 2 FC and P-value < 0.05 in Fragments per Kilobase of transcript per Million mapped reads (FPKM) values. (C) Distribution of contigs with different numbers of zero counts across samples. Contigs were classified according to the number of samples showing zero read counts among the six analyzed samples. The x-axis represents the number of zero-count observations per contig, and the y-axis represents the corresponding number of contigs. Red and blue bars indicate contigs that passed and failed the filtering criterion, respectively.

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    Gene Ontology (GO) classification of annotated unigenes in Thrips nigropilosus. Unigenes were categorized into Biological Process (A), Cellular Component (B), and Molecular Function (C). Bars represent the ratio (%) of unigenes assigned to each GO term.

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    Heatmap of differential expression of cold metabolism-related genes between control (CON) and low-temperature exposed (LOW) groups in Thrips nigropilosus. The heatmap was generated using log Fragmented per Kilobase of transcript per Million mapped reads (FPKM) values.

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    Comparative validation of RNA-Seq derived fold change (FC) values for differentially expressed genes (DEGs) using RT-qPCR. Twelve genes showing differential expression levels were used in this experiment: acyl-CoA desaturase, cuticle protein (CP), cytochrome P450 (CYP), glutathione S-transferase (GST), glycerol kinase (GK), heat shock protein (HSP), juvenile hormone esterase (JHE), lipase, proline rich proteins (PRPs), superoxide dismutase (SOD), trehalose transporter (Tret), vitellogenin (Vg). Asterisks above standard deviation bars indicate significant difference between groups at Type I error = 0.05 (LSD test). The letter “ns” stands for a non-significant difference between groups. All the samples were replicated independently three times.

    Table

    Primer information for RT-qPCR of cold metabolism-related genes in Thrips nigropilosus

    RNA-Seq results of Thrips nigropilosus under control (CON) and low-temperature (LOW) conditions

    Statistics of open reading frame (ORF) prediction

    Statistics of annotation analysis of unigenes

    Differential expression of major cold stress-responsive genes in Thrips nigropilosus

    Gene ontology analysis of cold metabolism-related genes in Thrips nigropilosus

    Gene list of highly changed Fragments per Kilobase of transcript per Million mapped reads (FPKM) values in differentially expressed genes

    Reference

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    Vol. 40 No. 4 (2022.12)

    Journal Abbreviation Korean J. Appl. Entomol.
    Frequency Quarterly
    Doi Prefix 10.5656/KSAE
    Year of Launching 1962
    Publisher Korean Society of Applied Entomology
    Indexed/Tracked/Covered By