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Evolutionary Explanation for Beauveria bassiana Being a Potent Biological Control Agent Against Agricultural Pests

  • Han, Jae-Gu
    • 한국균학회소식:학술대회논문집
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    • 한국균학회 2014년도 춘계학술대회 및 임시총회
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    • pp.27-28
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    • 2014
  • Beauveria bassiana (Cordycipitaceae, Hypocreales, Ascomycota) is an anamorphic fungus having a potential to be used as a biological control agent because it parasitizes a wide range of arthropod hosts including termites, aphids, beetles and many other insects. A number of bioactive secondary metabolites (SMs) have been isolated from B. bassiana and functionally verified. Among them, beauvericin and bassianolide are cyclic depsipeptides with antibiotic and insecticidal effects belonging to the enniatin family. Non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) play a crucial role in the synthesis of these secondary metabolites. NRPSs are modularly organized multienzyme complexes in which each module is responsible for the elongation of proteinogenic and non-protein amino acids, as well as carboxyl and hydroxyacids. A minimum of three domains are necessary for one NRPS elongation module: an adenylation (A) domain for substrate recognition and activation; a tholation (T) domain that tethers the growing peptide chain and the incoming aminoacyl unit; and a condensation (C) domain to catalyze peptide bond formation. Some of the optional domains include epimerization (E), heterocyclization (Cy) and oxidation (Ox) domains, which may modify the enzyme-bound precursors or intermediates. In the present study, we analyzed genomes of B. bassiana and its allied species in Hypocreales to verify the distribution of NRPS-encoding genes involving biosynthesis of beauvericin and bassianolide, and to unveil the evolutionary processes of the gene clusters. Initially, we retrieved completely or partially assembled genomic sequences of fungal species belonging to Hypocreales from public databases. SM biosynthesizing genes were predicted from the selected genomes using antiSMASH program. Adenylation (A) domains were extracted from the predicted NRPS, NRPS-like and NRPS-PKS hybrid genes, and used them to construct a phylogenetic tree. Based on the preliminary results of SM biosynthetic gene prediction in B. bassiana, we analyzed the conserved gene orders of beauvericin and bassianolide biosynthetic gene clusters among the hypocrealean fungi. Reciprocal best blast hit (RBH) approach was performed to identify the regions orthologous to the biosynthetic gene cluster in the selected fungal genomes. A clear recombination pattern was recognized in the inferred A-domain tree in which A-domains in the 1st and 2nd modules of beauvericin and bassianolide synthetases were grouped in CYCLO and EAS clades, respectively, suggesting that two modules of each synthetase have evolved independently. In addition, inferred topologies were congruent with the species phylogeny of Cordycipitaceae, indicating that the gene fusion event have occurred before the species divergence. Beauvericin and bassianolide synthetases turned out to possess identical domain organization as C-A-T-C-A-NM-T-T-C. We also predicted precursors of beauvericin and bassianolide synthetases based on the extracted signature residues in A-domain core motifs. The result showed that the A-domains in the 1st module of both synthetases select D-2-hydroxyisovalerate (D-Hiv), while A-domains in the 2nd modules specifically activate L-phenylalanine (Phe) in beauvericin synthetase and leucine (Leu) in bassianolide synthetase. antiSMASH ver. 2.0 predicted 15 genes in the beauvericin biosynthetic gene cluster of the B. bassiana genome dispersed across a total length of approximately 50kb. The beauvericin biosynthetic gene cluster contains beauvericin synthetase as well as kivr gene encoding NADPH-dependent ketoisovalerate reductase which is necessary to convert 2-ketoisovalarate to D-Hiv and a gene encoding a putative Gal4-like transcriptional regulator. Our syntenic comparison showed that species in Cordycipitaceae have almost conserved beauvericin biosynthetic gene cluster although the gene order and direction were sometimes variable. It is intriguing that there is no region orthologous to beauvericin synthetase gene in Cordyceps militaris genome. It is likely that beauvericin synthetase was present in common ancestor of Cordycipitaceae but selective gene loss has occurred in several species including C. militaris. Putative bassianolide biosynthetic gene cluster consisted of 16 genes including bassianolide synthetase, cytochrome P450 monooxygenase, and putative Gal4-like transcriptional regulator genes. Our synteny analysis found that only B. bassiana possessed a bassianolide synthetase gene among the studied fungi. This result is consistent with the groupings in A-domain tree in which bassianolide synthetase gene found in B. bassiana was not grouped with NRPS genes predicted in other species. We hypothesized that bassianolide biosynthesizing cluster genes in B. bassiana are possibly acquired by horizontal gene transfer (HGT) from distantly related fungi. The present study showed that B. bassiana is the only species capable of producing both beauvericin and bassianolide. This property led to B. bassiana infect multiple hosts and to be a potential biological control agent against agricultural pests.

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강남세브란스병원 토모테라피를 이용한 치료환자의 130예 통계분석 및 경험 (Experiences of the First 130 Patients in Gangnam Severance Hospital)

  • 하진숙;전미진;김세준;김종대;신동봉
    • 대한방사선치료학회지
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    • 제20권1호
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    • pp.45-53
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    • 2008
  • 목 적: 본원에 2007년 10월에 설치된 토모테라피를 이용하여 치료한 환자 130명에 대하여 치료의 통계적 특성을 분석하여 종양의 부위별, 종양표적체적의 변화, 전체치료시간(overall treatment time), 초고압전산화단층촬영(Megavoltage computed tomography; MVCT)을 이용한 환자의 이동 값, 종양의 크기 변화에 따른 보정치료계획(Adaptive plan) 필요성 등에 대한 통계를 분석하여 알아보고자 한다. 대상 및 방법: 본원에서 2007년 10월부터 2008년 8월까지 토모테라피를 받은 130명의 환자를 대상으로 조사하였다. 환자의 평균 연령은 53세(최소 25세, 최고 83세)이고, 치료 부위별로 두경부(22명), 흉부(47명), 복부(25명), 골반부(11명), 골격계(25명) 로 나누었으며 MVCT는 2,702번의 총 분할조사를 치료 전 100% 시행하였고 종양의 크기변화가 큰 27명은 보정치료계획을 시행하였다. 또한 획득된 MVCT와 kV-CT를 일치시킨 후 이동된 값(X, Y, Z, roll, vector)을 치료부위와 사용된 고정기구의 평균 오차범위를 조사하였고 위치잡이(set up), MVCT, 평균 전체치료시간, 표적체적(target volume; TV)을 조사하였다. 결 과: 분석결과 환자가 카우치에 누워있는 평균시간은 22.8분, 평균 치료시간은 13.46분, 평균 보정계수(mm) X=-0.7, Y=-1.4, Z=5.77, roll=0.29, vector=8.66으로 평균 육안적종양체적(gross tumor volume; GTV)=229 $cm^3$, 평균 임상표적체적(clinical tumor volume; CTV)=564 $cm^3$으로 나타났다. 흉부, 복부, 골격계 치료환자보다 두경부 환자의 이동된 vector값이 2.96 mm적음을 알 수 있었다. 치료부위별 이동된 vector값이 두경부>골격계>복부>흉부>골반부 순서로 나타났다. 또한, 보정치료 계획을 시행한 환자는 27명, 종양이 길거나 다발성 종양환자는 39명이며 치료 시 1개의 치료계획으로 치료할 때 전체치료시간은 32분, 2개의 치료계획으로 나누어 치료 시에는 각각 21분, 19분으로 총 40분 소요되는 것을 알 수 있었다. 결 론: 고정용구의 사용과 더불어 MVCT의 적용으로 더욱 정확한 세기조절방사선치료(intensity modulated radiation therapy; IMRT)를 할 수 있었다. 또한 매일 영상을 통해 종양의 변화를 확인하여 보정치료계획을 할 수 있었으며 종양이 길거나 또는 다발성 종양, 손상위험장기(organ at risk; OAR) 근처의 치료와 급격한 선량분포의 변화를 주어야 하는 복잡한 치료를 가능하게 하였다.

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토양 화학성과 지형 및 토양 조사자료를 활용한 밭 토양의 비옥도 평가 (Fertility Evaluation of Upland Fields by Combination of Landscape and Soil Survey Data with Chemical Properties in Soil)

  • 홍순달;김재정;민경범;강보구;김현주
    • 한국토양비료학회지
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    • 제33권4호
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    • pp.221-233
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    • 2000
  • 무비구 고추 및 연초의 생산력 검정으로 밭 토양의 비옥도를 평가하기 위하여 토양의 화학성 이외에 지형 및 토양도 조사자료가 포함된 지리정보시스템의 활용 가능성이 검토되었다. 고추재배 포장 64개소(96년 22개, 97년 20개, 98년 22개)와 연초재배 포장 67개소(96년 23개, 97년 25개, 98년 19개)를 포함한 전체 131개 경작지에서 포장이 1996년부터 1998년까지 3년 동안 충북 청원군, 음성군, 보은군, 괴산군, 진천군, 충주시 등 6개 군에서 다양한 비옥도 특성을 갖도록 선정되어 고추와 연초 각각에 대한 포장시험이 수행되었다. 무비구 고추 건물중과 연초 건엽중 및 양분(질소, 인산, 칼륨) 흡수량은 토양의 비옥도로 고려하여 13개 화학성과 12개 지리정보시스템 자료를 포함한 25개 독립 변수들로 평가하였다. 25개 독립변수들은 15개의 정량적 변수들과 10개의 정성적 변수들로 구분하여 SAS의 REG와 GLM 모델에 의한 다중선형회귀분석으로 비옥도를 평가하였다. 매년 선정된 시험포장의 무비구 고추 건물중과 연초 건엽중은 최대치와 최소치가 약 5배의 차이를 보이며 다양한 비옥도를 나타냈다. 비옥도에 대한 다중선형회귀 평가는 단일 지표에 의한 평가 신뢰도보다 양호하였으며 화학적 지표들 이외에 정량적 및 정성적 GIS 지표들을 포함시킴에 따라 더욱 증진되었다. 그러나 고추와 연초 두 작물간의 다중선형회귀 분석에 의한 평가결과는 차이를 보였으며 고추보다 연초의 평가에서 양호하였다. 실례로 다중선형회귀에 의한 무비구 연초 건엽중의 변이성 예측은 화학성들에 의해 34.2%, 정량적 GIS 변수들의 추가의 35% 그리고 정량적 및 정성적 변수들의 추가로 72.5%까지 설명되어 단일지표 $NO_3-N$에 의한 21.7%에 비하여 크게 증가되었다. 따라서 정량적 및 정성적 변수 둘다를 평가에 포함할 수 있는 다중선형회귀 분석에 의한 비옥도 평가는 보다 신뢰성 있는 접근방법으로 확인되었다.

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