ویژگی‌های بیوشیمیایی پروتئازهای گوارشی پروانه سفیده بزرگ کلم Pieris brassicae (Lepidoptera: Pieridae) با تغذیه از میزبان‌های مختلف خردلیان

نوع مقاله: مقاله کامل، انگلیسی

نویسنده

گروه گیاهپزشکی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه

چکیده

پروانه سفیده بزرگ کلم (Pieris brassicae (Lepidoptera: Pieridae یکی از مهمترین آفات مخرب خردلیان در اغلب  کشورهای جهان می‌باشد. هدف از این تحقیق، تعیین آنزیم‌های پروتئولیتیک لارو سن پنجم سفیده بزرگ‌کلم و تأثیر چهار رقم مختلف کلم بر فیزیولوژی تغذیه آن می‌باشد. در این تحقیق ارقام مختلف کلم شامل کلم‌گل، کلم‌برگی سفید، بروکلی و کلم‌برگی‌قرمز استفاده شد. آزمایشات در آزمایشگاه، تحت شرایط دمایی °C2 ± 25، رطوبت نسبی 5 ± 60 درصد و  دوره نوری 16 ساعت روشنایی و 8 ساعت تاریکی انجام گرفت. بیشترین میزان فعالیت پروتئولیتیک عصاره روده‌میانی لارو در ناحیه قلیایی (برابر11) اتفاق افتاد، که بیانگر فعالیت سرین‌پروتئازی می‌باشد. کمترین میزان فعالیت تریپتیکی در کلم قرمز بود، در حالی‌که بیشترین میزان فعالیت ویژه پروتئولیتیکی (01/0 ± 11/0 واحد آنزیمی/ میلی‌گرم)  و کیموتریپتیکی (002/0 ± 45/ واحد آنزیمی/ میلی‌گرم) در لاروهای تغذیه شده از کلم قرمز مشاهده شد، فعالیت پروتئولیتیکی پروانه سفیده کلم روی میزبان‌های مذکور بیانگر نامناسب بودن  کلم قرمز در میان میزبان‌های مورد مطالعه بود  که دلیل آن می‌تواند احتمالا به وجود ترکیبات شیمایی ثانویه و یا مهارکننده های پروتئازی موجود با این رقم مرتبط باشد.  
پروانه سفیده بزرگ کلم (Pieris brassicae (Lepidoptera: Pieridae یکی از مهمترین آفات مخرب خردلیان در اغلب  کشورهای جهان می‌باشد. هدف از این تحقیق، تعیین آنزیم‌های پروتئولیتیک لارو سن پنجم سفیده بزرگ‌کلم و تأثیر چهار رقم مختلف کلم بر فیزیولوژی تغذیه آن می‌باشد. در این تحقیق ارقام مختلف کلم شامل کلم‌گل، کلم‌برگی سفید، بروکلی و کلم‌برگی‌قرمز استفاده شد. آزمایشات در آزمایشگاه، تحت شرایط دمایی °C2 ± 25، رطوبت نسبی 5 ± 60 درصد و  دوره نوری 16 ساعت روشنایی و 8 ساعت تاریکی انجام گرفت. بیشترین میزان فعالیت پروتئولیتیک عصاره روده‌میانی لارو در ناحیه قلیایی (برابر11) اتفاق افتاد، که بیانگر فعالیت سرین‌پروتئازی می‌باشد. کمترین میزان فعالیت تریپتیکی در کلم قرمز بود، در حالی‌که بیشترین میزان فعالیت ویژه پروتئولیتیکی (01/0 ± 11/0 واحد آنزیمی/ میلی‌گرم)  و کیموتریپتیکی (002/0 ± 45/ واحد آنزیمی/ میلی‌گرم) در لاروهای تغذیه شده از کلم قرمز مشاهده شد، فعالیت پروتئولیتیکی پروانه سفیده کلم روی میزبان‌های مذکور بیانگر نامناسب بودن  کلم قرمز در میان میزبان‌های مورد مطالعه بود  که دلیل آن می‌تواند احتمالا به وجود ترکیبات شیمایی ثانویه و یا مهارکننده های پروتئازی موجود با این رقم مرتبط باشد.  

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Biochemical characterization of digestive proteases of Pieris brassicae (Lepidoptera: Pieridae) feeding on cruciferous hosts

نویسنده [English]

  • Fariba Mehrkhou
Department of Plant Protection, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran.
چکیده [English]

Pieris brassicae is one of the most serious pests of cultivated crucifers in the world. The present experiment is intended to determine the proteolytic digestion of fifth instar larvae and the effects of four cruciferous hosts to P. brassicae nutritional physiology. Brassica oleracea var. botrytis, Brassica oleracea var. capitata, Brassica oleracea var. italica and Brassica oleracea var. viridis were assessed  under laboratory conditions at 25 ± 2°C, 60 ± 5% RH and a photoperiod of 16:8 (L: D) h. The maximum total proteolytic activity in the midgut extract was observed at pH 11, suggesting the presence of serine protease. The lowest rate of tryptic activity and both the highest general proteolytic (0.11 ± 0.01 Umg-1) and chymotryptic activities (0.45±0.002 Umg-1) were observed in B. oleracea var. viridis. The proteolytic activity of P. brassicae on this host plant indicates that B. oleracea var. viridis is not a suitable host for the pest likely due to the presence of some secondary chemicals or proteinaceous protease inhibitors.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pieris brassicae
  • Digestive enzymes
  • proteolytic activity
  • Cole crops

Berenbaum, M. (1980) Adaptive significance of midgut pH in larval lepidoptera. The American Naturalist 115(1), 138–146.

Bhalla. O. P. & Pawar, A. D. (1977) A survey study of insect and non-insect pests of economic Importance in Himachal Pradesh. Tiku and Tiku, Kitab Mahal, Bombay, p. 80.

Bhandari, K., Sood, P., Mehta, P. K., Choudhary, A. & Prabhakar, C. S. (2009) Effect of botanical extracts on the biological activity of Granulosis virus against Pieris brassicae. Phytoparasitica 37, 317–322.

Blatt, S. E., Smallegange, R. C., Hess, L., Harvey, J. A., Dicke, M. & van Loon, J. J. A. (2008) Tolerance of Brassica nigra to Pieris brassicae herbivory. Botany, 86, 641–648.

Brioschi, D., Nadalini, L. D., Bengtson, M. H., Sogayar, M., Moura, D. S. & Silva-Filho, M. C. (2007)General up regulation of Spodoptera frugiperda trypsins and chymotrypsins allows its adaptation to soybean proteinase inhibitor. Insect Biochemistry and Molecular Biology 37, 1283–1290.

Broadway, R. M. (1989) Characterization and ecological implications of midgut proteolytic activity in larval Pieris rapae and Tricoplusia ni. Journal of  Chemical Ecology 15, 2101–2113.

Broadway, R. M. (1996)Dietary proteinase inhibitors alter complement of midgut proteases. Archives of Insect Biochemistry and Physiology 32, 39–53.

Chen, M. S. (2008) Inducible direct plant defense against insect herbivores: a review. Journal of Insect Science 15, 101–114.

Chougule, N. P., Doyle, E., Fitches, E. & Gatehouse, J. A. (2008) Biochemical characterization of midgut digestive proteases from Mamestra brassicae (cabbage moth; Lepidoptera: Noctuidae) and effect of soybean Kunitz inhibitor (SKTI) in feeding assays. Journal of Insect Physiology 54, 563–572.

Chown, S. L. & Nicolson, S. W. (2004) Insect Physiological Ecology Mechanisms and Patterns. Oxford University Press, p 254.

Elpidina, E. N., Vinokurov, K. S., Gromenko, V. A., Rudenshaya, Y. A., Dunaevsky, Y. E. & Zhuzhikov, D. P. (2001) Compartmentalization of proteinases and amylases in Nauphoeta cinerea midgut. Archives of Insect Biochemistry and Physiology 48, 206–216.

Gatehouse, A. M. R., Davidson, G. M., Newwll, C. A., Merryweather, A., Hamilton, W. D. O., Burgess, E. P. J., Gilbert, R. J. C. & Gatehouse, J. A. (1997) Trangenic potato plants with enhanced resistance to the tomato moth, Lacanobia oleracea: growth room trials. Molecular Breeding 3, 49–63.

Gatehouse, L. N., Shannon, A. L., Burgess, E. P. J. & Christeller, J. T. (1997). Characterization of major midgut proteinase cDNAs from Helicoverpa armigera larvae and changes in gene expression in response to four proteinase inhibitors in the diet. Insect Biochemistry and Molecular Biology 27, 929-944.

Gatehouse, A. M. R., Norton, E., Davison, G. M., Babbe, S. M., Newell, C. A. & Gatehouse, J. A. (1999) Digestive proteolytic activity in larvae of tomato moth, Lacanobia oleracea; Effects of plant proteinase inhibitors in vitro and in vivo. Journal of Insect Physiology 45, 545–558.

Hasan, F. & Ansari, M. S. (2010a)Effect of different cole crops on the biological parameters of Pieris brassicae (L.) (Lepidoptera: Pieridae) under laboratory conditions. Journal of  Crop Science and Biotechnology 13, 195–202.

Hasan, F. & Ansari, M. S. (2010b)Population growth of Pieris brassicae (L.) (Lepidoptera: Pieridae) on different cole crops under laboratory conditions. Journal of Pest Science 84, 179–186.

Hasan, F. & Ansari, M. S. (2011) Toxic effects of neem-based insecticides on Pieris brassicae (Linn.). Crop Protection 30, 502–507.

Hegedus, D., Baldwin, D., O’Grady, M., Braun, L., Gleddie, S., Sharpe, A., Lydiate, D. & Erlandson, M. (2003). Midgut proteases from Mamestra configurata (Lepidoptera: Noctuidae) larvae: Characterization, cDNA cloning and expressed sequence tag analysis. Archives of Insect Biochemistry and Physiology, 5330–47.

Hemming, J. D. C. & Lindroth, R. L. (2000) Effects of phenolic glycosides and protein on gypsy moth (Lepidoptera: Lymantriidae) and forest tent caterpillar (Lepidoptera: Lasiocampidae) performance and detoxication activities. Environmental Entomology 29, 1108–1115.

Hosseininaveh, V., Bandani, A. R., Azmayeshfard, P., Hosseinkhani, S. & Kazzazi, M. 2007. Digestive Proteolytic and Amylolytic Activities in Trogoderma granarium Everts (Dermestidae: Coleoptera). Journal of  Stored Products Research 43,515– 522.

House, H. L. (1974) Digestion pp. 63–117. in: Rockstein, M. (Eds), Physiology of Insecta. Academic Press, New York,

Jainulabdeen, S. & Prasad, S. K. (2004) Severe infection of cabbage butterfly, Pieris brassicae (L.) on six species of brassica and effect of abiotic factor on its population dynamics. Journal of Entomological Research 28(3), 193–197.

Johnston, K. A., Lee, M. J., Gatehouse, J. A. & Anstee, J. H. (1991) The partial purification and characterization of serin protease activity in midgut of larval Helicoverpa armigeraJournal of Insect Biochemistry 21 (4), 389–-397.

Kumar, R., Bhardwaj, U., Kumar, P. & Mazumdar-Leighton S. (2015). Midgut serine proteases and alternative host plant utilization in Pieris brassicae L. Invertabrate Physiology, doi:10.3389/fphys.2015.00095

Lal, M. N. & Ram, B. (2004) Cabbage butterfly, Pieris brassicae L. An upcoming menance for Brassicae oilseed crop in Northern India. Cruciferae Newsletter 25, 83–86.

Lewis, W. J., Van Lenteren, J.C., Phatak, S. C., & Tumlinson III, J. H. (1997) A total system approach to sustainable pest management. Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America 94, 12243–12248.  

Mehrkhou, F., Mahmoodi, L. & Mousavi, M. (2013) Nutritional indices parameters of large white butterfly Pieris brassicae (Lepidoptera: Pieridae) on different cabbage crops. African Journal of Agricultural Research 8, 3294–3298.

Mehrkhou, F. & Taheri-Sarhozaki, M. (2014) Life table parameters of large white butterfly Pieris brassicae (Lepidoptera: Pieridae) on different cabbage varieties. Archives of  Phytopathology and Plant Protection 47(12), 1444–1453.

Naseri, B., Fathipour, Y., Moharramipour, S., Hosseininaveh, V. & Gatehouse, A. M. R. (2010) Digestive proteolytic and amylolytic activities of Helicoverpa armigera in response to feeding on different soybean cultivars. Pest Management Science 66, 1316–1323.

Oppert, B. (2000) Transgenic plants expressing enzyme inhibitors and the prospects for biopesticide development. pp. 83–95. in Koul, O. & Dhaliwal, G. S. (Eds) Advances in Biopesticide Research, Hardwood Academic, Amsterdam,

Oppert, B., Hartzer, K. & Smith, C. M. (2000) Digestive proteinases of alfalfa weevil, Hypera postica (Gyllenhal) (Coleoptera; Curculionidae). Transactions of the Kansas Academy of Science, (1903) 103 (3/4), 99–110.

Pajmon, A. (1999) Pest of cabbage. Sodob. Kemetij 32: 537–540.

Rahimi-Namin, F., Naseri, B., Arghand, A. & Azizi, M. (2011) Effect of pH and temperature on protease and amylase activities of Pieris brassicae (Lepidoptera: Pieridae). 2nd Iranian Pest Management Congress, Kerman University, p. 93.

Razavi Tabatabaei, P., Hosseininaveh, V., Goldansaz, S. H. & Talebi, K. (2011) Biochemical characterization of digestive proteases and carbohydrases of the carob moth, Ectomyelois ceratoniae (Zeller) (Lepidoptera: Pyralidae). Journal of Asia- Pacific Entomology 14, 187–194.

Raqib, A. (2004) Population dynamic of cabbage butterfly and cabbage aphid on five cultivars of cauliflower at Peshawar. Asian Journal of Plant Science 3, 391–393.

Ryan, C. A. (1990) Proteinase inhibitors in plants: genes for improving defenses against insects and pathogens. Annual Review of Phytopathology 28, 425–449.

Saadat, D., Bandani, A. R. & Dastranj, M. (2014) Comparison of the developmental time of Bracon hebetor (Hymenoptera: Braconidae) reared on five different lepidopteran host species and its relationship with digestive enzymes. European Journal of Entomology 111 (4), 495–500. 

Sachan, J. N. & Gangwar, S. K. (1980) Vertical distribution of important pest of cole crop in Meghalya as influenced by environment factors. Indian Journal of Entomology 42, 414–421.

Saikia, M., Singh, Y. T., Bhattacharya, A. & Mazumdar-Leighton, S. (2011) Expression of

diverse midgut serine proteinases in the sericigenous Lepidoptera Antheraea assamensis (Helfer) is influenced by choice of host plant species. Insect Molecular Biology 1–13.

Sarboland, S., Mehrkhou, F. & Imani, M. (2017) Gut Proteolytic Profile of Larval Callosobruchus maculatus (Coleoptera: Chrysomelidae) in Response to Feeding on Different Fabaceous Host Plants. Journal of Agricultural Science and Technology 19, 121–132.

Sharma, A. & Gupta, R. (2009) Biological activity of some plant extracts against Pieris brassicae (Linn.). Journal of Biopesticide 2(1), 26–31.

Siraj, Q. (1999) Chemical Control and Estimation of Loses Caused by Pieris brassicae on Cauliflower (Seed Crop) in Swat. M.Sc. Thesis, NWFP Agriculture University, Peshawar, Pakistan, p. 40.

 Srinivasan, A., Giri, A. P., Harsulkar, A. M., Gatehouse, J. A.  & Gupta, V. S. (2005) A Kunitz trypsin inhibitor from chickpea (Cicer arietinum L.) that exerts anti-metabolic effect on podborer (Helicoverpa armigera) larvae. Plant Molecular Biology 57, 359–374.

Srinivasan, A., Giri, A. P. & Gupta, V. S. (2006) Structural and functional diversities in lepidopteran serine proteases. Cell Molecular Biology Letters 11, 132–154.

Terra, W. R. & Ferreira, C. (1994) A review, Insect digestive enzymes: properties, compartmentalization and function. Journal of Comparative Biochemistry and Physiology 109 B (1), 1–62.

Velasco, P., Soengas, P., Vilar, M. &Cartea, E. M. (2008) Comparison of Glucosinolate Profiles in Leaf and Seed Tissues of Different Brassica napus Crops.Journal of the American Society for Horticultural Science 133(4),551–558.

Wilhite, S. E., Elden, T. C., Brzin, J. & Smigocki, A. C. (2000) Inhibition of cysteine and aspartyl proteinases in the alfalfa weevil midgut with biochemical and plant-derived proteinase inhibitors. Insect Biochemistry and Molecular Biology 30, 1181–1188.

Yang, L., Fang, Z., Dicke, M., van Loon, J. J. & Jongsma, M. A. (2009) The diamondback moth, Plutella xylostella, specifically inactivates Mustard Trypsin Inhibitor 2 (MTI2) to overcome host plant defence. Insect Biochemistry and Molecular Biology 39, 55–61.

Younas, M., Naeem, M., Raquib, A. & Masud, S. (2004) Population dynamics of Pieris brassica on five cultivar of cauliflower at Peshawar. Asian Journal of Plant Science 3, 391–393.                                                                                                              

Zibaee, A. (2012) Digestive enzymes of large cabbage white butterfly, Pieris brassicae L. (Lepidoptera: Pieridae) from developmental and site of activity perspectives. Italian Journal of Entomology 79 (1), 16–23. 

Zibaee, A. & Hajizadeh, J. (2012) Proteolytic activity in Plagiodera versicolora Laicharting (Coleoptera: Chrysomelidae): Characterization of digestive proteases and effect of host plants. Journal of Asia-Pacific Entomology 16, 329–334.