효과적으로모기를 통제하다그리고 이들이 옮기는 질병의 발생률을 줄이기 위해서는 화학 살충제에 대한 전략적이고 지속 가능하며 환경 친화적인 대안이 필요합니다. 본 연구에서는 생물학적으로 불활성인 글루코시놀레이트의 효소 가수분해를 통해 생성되는 식물 유래 이소티오시아네이트의 공급원으로 특정 십자화과(십자화과)의 종자박을 평가하여 이집트숲모기(L., 1762) 방제에 활용하고자 했습니다. 5가지 탈지 종자 식사(Brassica juncea (L) Czern., 1859, Lepidium sativum L., 1753, Sinapis alba L., 1753, Thlaspi arvense L., 1753 및 Thlaspi arvense - 열 불활성화 및 효소 분해의 세 가지 주요 유형 화학 제품 알릴 이소티오시아네이트, 벤질이소티오시아네이트 및 4-하이드록시벤질이소티오시아네이트의 독성(LC50)을 결정하기 위해 24시간 노출 시 이집트숲모기 유충에 대한 독성 = 0.04 g/120 ml dH2O). 겨자, 흰겨자 및 말꼬리풀의 LC50 값. 종자박의 농도는 알릴 이소티오시아네이트(LC50 = 19.35 ppm)와 비교했을 때 각각 0.05, 0.08, 0.05였으며, 4.-하이드록시벤질이소티오시아네이트(LC50 = 55.41 ppm)는 처리 후 24시간 동안 0.1 g/120 ml dH2O보다 유충에 더 큰 독성을 나타냈습니다. 이러한 결과는 알팔파 종자박 생산과 일치합니다. 벤질 에스테르의 높은 효율은 계산된 LC50 값과 일치합니다. 종자박을 사용하면 효과적인 모기 방제 방법을 제공할 수 있습니다. 십자화과 씨앗 분말과 그 주요 화학 성분의 모기 유충에 대한 효과를 확인하고, 십자화과 씨앗 분말에 함유된 천연 화합물이 모기 방제를 위한 유망한 환경 친화적 살충제 역할을 할 수 있음을 보여줍니다.
숲모기(Aedes)에 의한 매개체 매개 질병은 여전히 전 세계적인 주요 공중보건 문제입니다. 모기 매개 질병의 발생은 지리적으로 확산되고1,2,3 재발하여 심각한 질병의 발생으로 이어집니다4,5,6,7. 인간과 동물 간의 질병 확산(예: 치쿤구니아, 뎅기열, 리프트밸리열, 황열병, 지카 바이러스)은 전례 없는 수준입니다. 뎅기열만으로도 열대 지역에서 약 36억 명이 감염 위험에 처해 있으며, 매년 약 3억 9천만 건의 감염이 발생하여 6,100명에서 24,300명이 사망합니다8. 남미에서 지카 바이러스가 재발하여 발병한 것은 감염된 여성에게서 태어난 아기의 뇌 손상으로 인해 전 세계적인 관심을 불러일으켰습니다2. 크레머 외 연구진은 이집트숲모기의 지리적 분포가 계속 확대될 것이며, 2050년까지 전 세계 인구의 절반이 모기가 매개하는 아르보바이러스에 감염될 위험에 처하게 될 것이라고 예측했습니다.
최근 개발된 뎅기열과 황열병 백신을 제외하고, 대부분의 모기 매개 질병에 대한 백신은 아직 개발되지 않았습니다.9,10,11 백신은 아직 제한된 수량으로만 공급되고 있으며, 임상 시험에만 사용됩니다. 합성 살충제를 이용한 모기 매개체 방제는 모기 매개 질병의 확산을 억제하는 핵심 전략이었습니다.12,13 합성 살충제는 모기를 박멸하는 데 효과적이지만, 합성 살충제의 지속적인 사용은 비표적 생물에 부정적인 영향을 미치고 환경을 오염시킵니다.14,15,16 더욱 우려스러운 것은 화학 살충제에 대한 모기의 내성이 증가하는 추세입니다.17,18,19 살충제와 관련된 이러한 문제들은 질병 매개체를 방제하기 위한 효과적이고 환경 친화적인 대안에 대한 연구를 가속화했습니다.
다양한 식물이 해충 방제를 위한 식물성 살충제 공급원으로 개발되어 왔습니다20,21. 식물성 물질은 생분해성이고 포유류, 어류, 양서류와 같은 비표적 생물에 대한 독성이 낮거나 미미하기 때문에 일반적으로 환경 친화적입니다20,22. 허브 제제는 모기의 다양한 생활 단계를 효과적으로 방제하기 위해 다양한 작용 기전을 가진 다양한 생리활성 화합물을 생성하는 것으로 알려져 있습니다23,24,25,26. 에센셜 오일 및 기타 활성 식물 성분과 같은 식물 유래 화합물이 주목을 받고 있으며, 모기 매개체를 방제하는 혁신적인 도구의 길을 열었습니다. 에센셜 오일, 모노테르펜, 세스퀴테르펜은 기피제, 섭식 억제제, 살란제 역할을 합니다27,28,29,30,31,32,33. 많은 식물성 기름은 모기 유충, 번데기, 성충의 죽음을 초래하며,34,35,36 곤충의 신경계, 호흡계, 내분비계 및 기타 중요한 기관에 영향을 미칩니다.37
최근 연구들은 겨자 식물과 그 씨앗을 생리활성 화합물의 공급원으로 활용할 수 있는 잠재력에 대한 통찰력을 제공했습니다. 겨자씨 가루는 생물훈증제38,39,40,41로 시험되었으며, 잡초 억제42,43,44 및 토양 매개 식물 병원균45,46,47,48,49,50, 식물 영양, 선충41,51, 52, 53, 54 및 해충55, 56, 57, 58, 59, 60 방제를 위한 토양 개량제로 사용되었습니다. 이러한 씨앗 분말의 살균 활성은 이소티오시아네이트38,42,60라는 식물 보호 화합물에 기인합니다. 식물에서 이러한 보호 화합물은 비생리활성 글루코시놀레이트 형태로 식물 세포에 저장됩니다. 그러나 식물이 곤충의 섭식이나 병원균 감염으로 손상을 받으면, 글루코시놀레이트는 미로시나아제에 의해 가수분해되어 생리활성이 있는 이소티오시아네이트로 전환됩니다.55,61 이소티오시아네이트는 광범위한 항균 및 살충 활성을 가진 것으로 알려진 휘발성 화합물이며, 그 구조, 생물학적 활성 및 함량은 십자화과 식물 종마다 매우 다양합니다.42,59,62,63
영어: 겨자씨 가루에서 추출한 이소티오시아네이트는 살충 활성이 있는 것으로 알려져 있지만 의학적으로 중요한 절지동물 매개체에 대한 생물학적 활성에 대한 데이터는 부족합니다. 본 연구에서는 네 가지 탈지 종자 분말의 모기 유충 살충 활성을 조사했습니다. 이집트숲모기(Aedes aegypti) 유충. 이 연구의 목적은 모기 방제를 위한 환경 친화적 생물 살충제로서의 잠재적인 용도를 평가하는 것이었습니다. 종자 가루의 세 가지 주요 화학 성분인 알릴 이소티오시아네이트(AITC), 벤질이소티오시아네이트(BITC), 4-하이드록시벤질이소티오시아네이트(4-HBITC)도 모기 유충에 대한 이러한 화학 성분의 생물학적 활성을 시험하기 위해 시험했습니다. 이 보고서는 네 가지 양배추 씨앗 분말과 그 주요 화학 성분의 모기 유충에 대한 효과를 평가한 최초의 보고서입니다.
실험실에서 Aedes aegypti(Rockefeller 균주) 군체를 26°C, 상대 습도(RH) 70%, 광주기 10:14시간으로 유지했습니다. 교미한 암컷은 플라스틱 케이지(높이 11cm, 지름 9.5cm)에 수용하고, 구연산 처리된 소 혈액(HemoStat Laboratories Inc., Dixon, CA, USA)을 병에 담아 공급했습니다. 혈액 공급은 순환 수조 튜브(HAAKE S7, Thermo-Scientific, Waltham, MA, USA)에 연결된 멤브레인 다중 유리 공급기(Chemglass, Life Sciences LLC, Vineland, NJ, USA)를 사용하여 평소와 같이 37°C로 온도를 조절하며 진행했습니다. 각 유리 공급 용기(면적 154mm²) 바닥에 Parafilm M 필름을 펼쳤습니다. 그런 다음, 각 공급기를 교미하는 암컷이 있는 케이지를 덮는 상단 격자 위에 놓았습니다. 약 350~400 μl의 소 혈액을 Pasteur 피펫(Fisherbrand, Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)을 사용하여 유리 피더 깔때기에 넣고 성충을 최소 1시간 동안 배수시켰습니다.그런 다음 임신한 암컷에게 10% 자당 용액을 주고 개별 초투명 수플레 컵(1.25 fl oz 크기, Dart Container Corp., Mason, MI, USA)에 안감 처리된 촉촉한 여과지에 알을 낳게 했습니다.물이 담긴 케이지.알이 담긴 여과지를 밀봉된 봉지(SC Johnsons, Racine, WI)에 넣고 26°C에 보관합니다.알을 부화시키고 약 200~250마리의 유충을 토끼 사료(ZuPreem, Premium Natural Products, Inc., Mission, KS, USA)와 간 분말(MP Biomedicals, LLC, Solon, OH, USA)을 섞은 플라스틱 트레이에서 키웠습니다. 생선 필레(TetraMin, Tetra GMPH, Meer, Germany)를 2:1:1의 비율로 첨가했습니다. 생물검정에는 후기 3령 유생을 사용했습니다.
이 연구에 사용된 식물 종자 재료는 다음과 같은 상업적 및 정부 공급원에서 얻었습니다: Brassica juncea(갈색 겨자-Pacific Gold) 및 Brassica juncea(흰색 겨자-Ida Gold)는 미국 워싱턴 주 Pacific Northwest Farmers' Cooperative에서 구입했습니다; (Garden Cress)는 미국 일리노이 주 Peoria의 Kelly Seed and Hardware Co.에서 구입했습니다; Thlaspi arvense(Field Pennycress-Elisabeth)는 미국 일리노이 주 Peoria의 USDA-ARS에서 구입했습니다. 이 연구에 사용된 종자는 살충제로 처리되지 않았습니다. 모든 종자 재료는 지역 및 국가 규정에 따라, 그리고 모든 관련 지역 및 주, 국가 규정을 준수하여 이 연구에서 가공 및 사용되었습니다. 이 연구는 형질전환 식물 품종을 조사하지 않았습니다.
브라시카 준세아(PG), 알팔파(Ls), 흰겨자(IG), 탈라스피 아르벤세(DFP) 종자를 0.75 mm 메시, 스테인리스 스틸 로터(12개 톱니, 10,000 rpm)가 장착된 레치(Retsch) ZM200 초원심분리기(Retsch, Haan, Germany)를 사용하여 미세 분말로 분쇄하였다(표 1). 분쇄된 종자 분말을 종이 골무에 옮겨 담고 속슬렛(Soxhlet) 장치에서 헥산으로 24시간 동안 탈지하였다. 탈지된 겨자 시료를 100°C에서 1시간 동안 열처리하여 미로시나아제를 변성시키고, 글루코시놀레이트의 가수분해를 방지하여 생물학적 활성을 가진 이소티오시아네이트를 생성하였다. 열처리된 말꼬리 종자 분말(DFP-HT)을 미로시나아제를 변성시켜 음성 대조군으로 사용하였다.
탈지 종자박의 글루코시놀레이트 함량은 이전에 발표된 프로토콜 64에 따라 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 사용하여 3회 반복하여 측정했습니다. 간단히 말해, 250mg의 탈지 종자 분말 샘플에 메탄올 3mL를 첨가했습니다. 각 샘플을 수조에서 30분 동안 초음파 처리한 후 23°C의 어두운 곳에 16시간 동안 두었습니다. 유기층 1mL를 0.45μm 필터를 통해 자동 샘플러로 여과했습니다. Shimadzu HPLC 시스템(LC 20AD 펌프 2개, SIL 20A 자동 샘플러, DGU 20As 탈기 장치, 237nm에서 모니터링하는 SPD-20A UV-VIS 검출기, CBM-20A 통신 버스 모듈)에서 작동하여 종자박의 글루코시놀레이트 함량을 3회 반복하여 측정했습니다. Shimadzu LC Solution 소프트웨어 버전 1.25(Shimadzu Corporation, Columbia, MD, USA)를 사용했습니다. 컬럼은 C18 Inertsil 역상 컬럼(250 mm × 4.6 mm; RP C-18, ODS-3, 5u; GL Sciences, Torrance, CA, USA)을 사용했습니다. 초기 이동상 조건은 12% 메탄올/88% 0.01 M 테트라부틸암모늄 하이드록사이드(TBAH; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) 용액으로 1 mL/min의 유속으로 설정했습니다. 시료 15 μl를 주입한 후, 초기 조건을 20분 동안 유지한 후 용매 비율을 100% 메탄올로 조정하여 총 시료 분석 시간을 65분으로 했습니다. 새로 제조한 시나핀, 글루코시놀레이트, 미로신 표준물질(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)을 연속 희석하여 표준 곡선(nM/mAb 기반)을 작성하여 탈지 종자박의 황 함량을 추정했습니다. 시료의 글루코시놀레이트 농도는 Agilent 1100 HPLC(Agilent, Santa Clara, CA, USA)에서 동일한 컬럼을 장착한 OpenLAB CDS ChemStation 버전(C.01.07 SR2 [255])과 이전에 기술된 방법을 사용하여 분석했습니다. 글루코시놀레이트 농도는 HPLC 시스템 간에 비교 가능하도록 측정했습니다.
알릴 이소티오시아네이트(94%, 안정)와 벤질이소티오시아네이트(98%)는 Fisher Scientific(Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)에서 구입했습니다. 4-하이드록시벤질이소티오시아네이트는 ChemCruz(Santa Cruz Biotechnology, CA, USA)에서 구입했습니다. 미로시나아제에 의해 효소적으로 가수분해되면 글루코시놀레이트, 글루코시놀레이트, 글루코시놀레이트는 각각 알릴 이소티오시아네이트, 벤질이소티오시아네이트, 4-하이드록시벤질이소티오시아네이트를 형성합니다.
실험실 생물 검정은 Muturi et al. 32의 방법을 수정하여 수행했습니다. 연구에는 DFP, DFP-HT, IG, PG 및 Ls의 다섯 가지 저지방 종자 사료가 사용되었습니다. 20마리의 유충을 120mL의 탈이온수(dH2O)가 담긴 400mL 일회용 3방향 비이커(VWR International, LLC, Radnor, PA, USA)에 넣었습니다. 모기 유충 독성에 대해 일곱 가지 종자 가루 농도를 시험했습니다. DFP 종자 가루, DFP-HT, IG 및 PG의 경우 0.01, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1 및 0.12g 종자 가루/120ml dH2O. 예비 생물 검정은 탈지된 Ls 종자 가루가 시험한 다른 네 가지 종자 가루보다 독성이 더 강한 것을 나타냅니다. 따라서 우리는 Ls 종자박의 7가지 처리 농도를 다음 농도로 조정했습니다: 0.015, 0.025, 0.035, 0.045, 0.055, 0.065, 및 0.075 g/120 mL dH2O.
처리하지 않은 대조군(dH2O, 종자분말 보충제 없음)을 분석 조건에서 정상적인 곤충 사망률을 평가하기 위해 포함시켰습니다. 각 종자분말에 대한 독성학적 생물 검정에는 3개의 반복 3경사 비커(비커당 후기 3령 유충 20마리)가 사용되었으며, 총 108개의 바이알이 사용되었습니다. 처리된 용기는 실온(20~21°C)에 보관하고, 처리 농도에 24시간과 72시간 동안 지속적으로 노출되는 동안 유충 사망률을 기록했습니다. 모기의 몸과 부속기관을 얇은 스테인리스 주걱으로 찌르거나 만졌을 때 움직이지 않으면 모기 유충은 죽은 것으로 간주합니다. 죽은 유충은 일반적으로 용기 바닥이나 수면에서 등쪽이나 배쪽 자세로 움직이지 않습니다. 실험은 다른 유충 그룹을 사용하여 다른 날에 세 번 반복하여 각 처리 농도에 총 180마리의 유충을 노출시켰습니다.
AITC, BITC, 4-HBITC의 모기 유충에 대한 독성은 동일한 생물 검정 절차를 사용하되 처리 방법을 달리하여 평가했습니다. 각 화학물질에 대해 100 µL의 화학물질을 2mL 원심분리관에 넣고 무수 에탄올 900 µL에 첨가한 후 30초간 흔들어 완전히 혼합하여 100,000 ppm의 원액을 제조했습니다. 처리 농도는 예비 생물 검정 결과를 기반으로 결정되었으며, BITC는 AITC와 4-HBITC보다 훨씬 더 독성이 강한 것으로 나타났습니다. 독성을 확인하기 위해 BITC 5가지 농도(1, 3, 6, 9, 12 ppm), AITC 7가지 농도(5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 ppm), 그리고 4-HBITC 6가지 농도(15, 15, 20, 25, 30, 35 ppm)를 사용하였다. 대조군 처리구에는 화학 처리구의 최대 용량에 해당하는 무수 에탄올 108 μL를 주입하였다. 생물 검정은 위와 같이 반복하여 처리구당 총 180마리의 유충을 노출시켰다. 유충 사망률은 AITC, BITC, 4-HBITC 각 농도별로 24시간 연속 노출 후 기록하였다.
영어: 65개의 용량 관련 사망률 데이터에 대한 프로빗 분석은 Polo 소프트웨어(Polo Plus, LeOra Software, 버전 1.0)를 사용하여 수행되어 50% 치사 농도(LC50), 90% 치사 농도(LC90), 기울기, 치사량 계수 및 95% 치사 농도를 계산했습니다. 로그 변환된 농도 및 용량-사망률 곡선에 대한 치사량 비율에 대한 신뢰 구간을 기반으로 합니다. 사망률 데이터는 각 처리 농도에 노출된 180마리의 유충에 대한 결합된 반복 데이터를 기반으로 합니다. 확률적 분석은 각 종자 식사와 각 화학 성분에 대해 별도로 수행되었습니다. 치사량 비율의 95% 신뢰 구간을 기반으로 모기 유충에 대한 종자 식사와 화학 성분의 독성은 유의미하게 다른 것으로 간주되었으므로 값 1을 포함하는 신뢰 구간은 유의미하게 다르지 않았습니다(P = 0.0566).
탈지 종자 분말 DFP, IG, PG 및 Ls의 주요 글루코시놀레이트를 측정하기 위한 HPLC 결과는 표 1에 제시되어 있습니다. 시험한 종자 분말의 주요 글루코시놀레이트는 미로시나아제 글루코시놀레이트를 함유한 DFP와 PG를 제외하고는 다양했습니다. PG의 미로시닌 함량은 각각 33.3 ± 1.5 mg/g와 26.5 ± 0.9 mg/g로 DFP보다 높았습니다. Ls 종자 분말은 글루코글리콘을 36.6 ± 1.2 mg/g, IG 종자 분말은 시나핀을 38.0 ± 0.5 mg/g 함유했습니다.
영어: Ae. Aedes aegypti 모기의 유충은 탈지된 씨앗 가루로 처리했을 때 죽었지만 처리 효과는 식물 종에 따라 달랐습니다. DFP-NT만이 노출 24시간과 72시간 후에 모기 유충에 독성이 없었습니다(표 2). 활성 씨앗 분말의 독성은 농도가 증가함에 따라 증가했습니다(그림 1A, B). 모기 유충에 대한 씨앗 가루의 독성은 24시간 및 72시간 평가에서 LC50 값의 치사량 비율의 95% CI를 기준으로 유의하게 달랐습니다(표 3). 24시간 후에 Ls 씨앗 가루의 독성 효과는 다른 씨앗 가루 처리보다 컸으며 유충에 대한 가장 높은 활성과 최대 독성(LC50 = 0.04 g/120 ml dH2O)을 보였습니다. 유충은 IG, Ls 및 PG 종자 분말 처리에 비해 24시간째 DFP에 덜 민감했으며, LC50 값은 각각 0.115, 0.04 및 0.08 g/120 ml dH2O로 LC50 값 0.211 g/120 ml dH2O보다 통계적으로 높았습니다(표 3). DFP, IG, PG 및 Ls의 LC90 값은 각각 0.376, 0.275, 0.137 및 0.074 g/120 ml dH2O였습니다(표 2). DPP의 최고 농도는 0.12 g/120 ml dH2O였습니다. 평가 24시간 후 평균 유충 사망률은 12%에 불과했지만 IG 및 PG 유충의 평균 사망률은 각각 51%와 82%에 달했습니다. 24시간 평가 후, 가장 높은 농도의 Ls 종자 식사 처리(0.075 g/120 ml dH2O)에 대한 평균 유충 사망률은 99%였습니다(그림 1A).
치사율 곡선은 Ae. 이집트산 유충(3령 유충)의 종자박 농도에 대한 용량 반응(Probit)을 이용하여 처리 24시간 후(A)와 72시간 후(B)에 추정하였다. 점선은 종자박 처리의 LC50을 나타낸다. DFP: Thlaspi arvense, DFP-HT: 열 불활성화 Thlaspi arvense, IG: Sinapsis alba (Ida Gold), PG: Brassica juncea (Pacific Gold), Ls: Lepidium sativum.
72시간 평가에서 DFP, IG, PG 종자박의 LC50 값은 각각 0.111, 0.085, 0.051 g/120 ml dH2O였습니다. Ls 종자박에 노출된 거의 모든 유충은 72시간 노출 후 사망하여 사망률 데이터는 Probit 분석과 일치하지 않았습니다. 다른 종자박에 비해 유충은 DFP 종자박 처리에 덜 민감했고 LC50 값이 통계적으로 더 높았습니다(표 2 및 3). 72시간 후 DFP, IG, PG 종자박 처리의 LC50 값은 각각 0.111, 0.085, 0.05 g/120 ml dH2O로 추정되었습니다. 72시간 평가 후, DFP, IG, PG 종자 분말의 LC90 값은 각각 0.215, 0.254, 0.138 g/120 ml dH2O였습니다. 72시간 평가 후, 최대 농도 0.12 g/120 ml dH2O에서 DFP, IG, PG 종자박 처리군의 평균 유충 사망률은 각각 58%, 66%, 96%였습니다(그림 1B). 72시간 평가 후, PG 종자박은 IG와 DFP 종자박보다 독성이 더 강한 것으로 나타났습니다.
합성 이소티오시아네이트, 알릴 이소티오시아네이트(AITC), 벤질 이소티오시아네이트(BITC), 4-하이드록시벤질이소티오시아네이트(4-HBITC)는 모기 유충을 효과적으로 살충할 수 있습니다. 처리 후 24시간째, BITC는 유충에 대한 독성이 더 강했으며, LC50 값은 5.29ppm으로 AITC의 19.35ppm, 4-HBITC의 55.41ppm보다 높았습니다(표 4). AITC와 BITC에 비해 4-HBITC는 독성이 더 낮고 LC50 값이 더 높습니다. 가장 강력한 종자박에서 두 가지 주요 이소티오시아네이트(Ls와 PG)의 모기 유충 독성에는 유의미한 차이가 있습니다. AITC, BITC, 4-HBITC 간의 LC50 값의 치사량 비율에 따른 독성은 통계적으로 유의미한 차이를 보였으며, LC50 치사량 비율의 95% 신뢰구간(CI)에 1이 포함되지 않는 것으로 나타났다(P = 0.05, 표 4). BITC와 AITC의 최고 농도는 시험된 유충의 100%를 사멸시키는 것으로 추정되었다(그림 2).
사망률 곡선은 Ae.의 용량 반응(Probit)을 이용하여 추정하였다. 처리 24시간 후, 이집트산 유충(3령 유충)은 합성 이소티오시아네이트 농도에 도달하였다. 점선은 이소티오시아네이트 처리에 대한 LC50을 나타낸다. 벤질 이소티오시아네이트(BITC), 알릴 이소티오시아네이트(AITC), 그리고 4-HBITC.
식물 생물농약을 모기 매개체 방제제로 사용하는 것은 오랫동안 연구되어 왔습니다. 많은 식물은 살충 활성을 가진 천연 화학물질을 생성합니다.37 식물의 생리활성 화합물은 합성 살충제에 대한 매력적인 대안을 제공하며, 모기를 포함한 해충 방제에 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
겨자 식물은 씨앗을 얻기 위한 작물로 재배되며, 향신료와 기름의 공급원으로 사용됩니다. 씨앗에서 겨자유를 추출하거나 바이오 연료로 사용하기 위해 겨자를 추출할 때,69 부산물로 탈지된 종자박이 생성됩니다. 이 종자박에는 많은 천연 생화학적 성분과 가수분해 효소가 함유되어 있습니다. 이 종자박의 독성은 이소티오시아네이트 생성에 기인합니다55,60,61. 이소티오시아네이트는 종자박의 수화 과정에서 미로시나아제라는 효소에 의해 글루코시놀레이트가 가수분해되어 생성되며,38,55,70 살균, 살균, 선충 살충 및 살충 효과뿐만 아니라 화학적 감각 효과 및 화학 요법적 특성을 포함한 기타 특성을 갖는 것으로 알려져 있습니다61,62,70. 여러 연구에서 겨자 식물과 종자박이 토양 및 저장 식품 해충에 대한 훈증제로서 효과적인 역할을 하는 것으로 나타났습니다57,59,71,72. 본 연구에서는 네 가지 씨앗 가루와 그 세 가지 생리활성 물질인 AITC, BITC, 그리고 4-HBITC가 이집트숲모기 유충에 미치는 독성을 평가했습니다. 모기 유충이 있는 물에 씨앗 가루를 직접 첨가하면 모기 유충에 독성이 있는 이소티오시아네이트를 생성하는 효소 작용이 활성화될 것으로 예상됩니다. 이러한 생물학적 변형은 씨앗 가루의 유충 살충 활성과 겨자씨 가루를 사용 전 열처리했을 때 살충 활성이 소실되는 현상을 통해 부분적으로 입증되었습니다. 열처리는 글루코시놀레이트를 활성화하는 가수분해 효소를 파괴하여 생리활성 이소티오시아네이트의 생성을 방지할 것으로 예상됩니다. 본 연구는 수생 환경에서 모기에 대한 양배추 씨앗 가루의 살충 특성을 확인한 최초의 연구입니다.
시험한 종자 분말 중 물냉이 종자 분말(Ls)이 가장 독성이 강하여 Aedes albopictus의 높은 사망률을 유발했습니다. Aedes aegypti 유충은 24시간 동안 연속 처리했습니다. 나머지 세 가지 종자 분말(PG, IG 및 DFP)은 활성이 더 느렸고 72시간 연속 처리 후에도 여전히 상당한 사망률을 유발했습니다. Ls 종자박에만 상당량의 글루코시놀레이트가 포함되어 있었고, PG와 DFP에는 미로시나아제가 포함되어 있었고 IG에는 주요 글루코시놀레이트로 글루코시놀레이트가 포함되어 있었습니다(표 1). 글루코트로파에올린은 BITC로 가수분해되고 시날빈은 4-HBITC61,62로 가수분해됩니다. 저희의 생물 검정 결과는 Ls 종자박과 합성 BITC 모두 모기 유충에 매우 독성이 있음을 나타냅니다. PG와 DFP 종자박의 주요 성분은 미로시나아제 글루코시놀레이트이며, 이는 AITC로 가수분해됩니다. AITC는 LC50 값이 19.35ppm으로 모기 유충을 효과적으로 박멸합니다. AITC와 BITC에 비해 4-HBITC 이소티오시아네이트는 유충에 대한 독성이 가장 낮습니다. AITC는 BITC보다 독성이 적지만, 모기 유충에 시험한 많은 에센셜 오일보다 LC50 값이 낮습니다32,73,74,75.
모기 유충 방제용 십자화과 종자 분말에는 주요 글루코시놀레이트가 함유되어 있으며, HPLC 분석 결과 총 글루코시놀레이트의 98~99% 이상을 차지합니다. 다른 글루코시놀레이트도 미량 검출되었지만, 그 함량은 총 글루코시놀레이트의 0.3% 미만이었습니다. 물냉이(L. sativum) 종자 분말에는 2차 글루코시놀레이트(시니그린)가 함유되어 있지만, 그 비율은 총 글루코시놀레이트의 1%로, 그 함량은 미미합니다(종자 분말 1g당 약 0.4mg). PG와 DFP는 동일한 주요 글루코시놀레이트(미로신)를 함유하고 있지만, 종자박의 살충 활성은 LC50 값 때문에 상당한 차이를 보입니다. 흰가루병에 대한 독성은 다양합니다. 이집트숲모기(Aedes aegypti) 유충의 출현은 두 종자 사료 간의 미로시나아제 활성 또는 안정성 차이 때문일 수 있습니다. 미로시나아제 활성은 십자화과 식물에서 이소티오시아네이트와 같은 가수분해 산물의 생체이용률에 중요한 역할을 합니다.76 Pocock 외77와 Wilkinson 외78의 이전 연구에서는 미로시나아제 활성 및 안정성의 변화가 유전적 및 환경적 요인과 관련이 있을 수 있음을 보여주었습니다.
예상되는 생물학적 활성 이소티오시아네이트 함량은 해당 화학 처리와 비교하기 위해 24시간 및 72시간에서 각 종자박의 LC50 값을 기준으로 계산했습니다(표 5). 24시간 후, 종자박의 이소티오시아네이트는 순수한 화합물보다 독성이 더 강했습니다. 이소티오시아네이트 종자 처리의 백만 분의 일(ppm)을 기준으로 계산된 LC50 값은 BITC, AITC 및 4-HBITC 처리의 LC50 값보다 낮았습니다. 우리는 유충이 종자박 펠릿을 먹는 것을 관찰했습니다(그림 3A). 결과적으로, 유충은 종자박 펠릿을 섭취함으로써 독성 이소티오시아네이트에 더 집중적으로 노출될 수 있습니다. 이는 24시간 노출에서 IG 및 PG 종자박 처리에서 가장 분명하게 나타났으며, LC50 농도는 각각 순수한 AITC 및 4-HBITC 처리보다 75% 및 72% 낮았습니다. Ls 및 DFP 처리는 순수 이소티오시아네이트보다 독성이 더 강했으며, LC50 값은 각각 24%와 41% 낮았습니다. 대조군의 유충은 성공적으로 번데기화되었지만(그림 3B), 종자박 처리군의 유충 대부분은 번데기화하지 않았고 유충 발달이 상당히 지연되었습니다(그림 3B, D). Spodopteralitura에서 이소티오시아네이트는 성장 지연 및 발달 지연과 관련이 있습니다79.
이집트숲모기(Ae. aegypti) 유충을 24~72시간 동안 브라시카 종자 분말에 지속적으로 노출시켰습니다. (A) 입에 종자 가루 입자가 묻어 있는 죽은 유충(동그라미 표시). (B) 대조군(종자 가루를 첨가하지 않은 dH2O) 처리에서 유충은 정상적으로 성장하여 72시간 후 번데기가 시작됨을 보여줍니다. (C, D) 종자 가루를 처리한 유충. 종자 가루는 발달에 차이를 보였고 번데기가 되지 않았습니다.
이소티오시아네이트가 모기 유충에 미치는 독성 작용 기전을 연구한 적은 없습니다. 그러나 붉은불개미(Solenopsis invicta)에 대한 이전 연구에서는 글루타티온 S-트랜스퍼라제(GST)와 에스테라제(EST)의 억제가 이소티오시아네이트 생물활성의 주요 기전이며, AITC는 저농도에서도 GST 활성을 억제할 수 있음을 보여주었습니다. 붉은불개미에 저농도로 투여했을 때, 투여량은 0.5 µg/ml입니다. 반면, AITC는 옥수수바구미(Sitophilus zeamais) 성충에서 아세틸콜린에스테라제를 억제합니다. 모기 유충에서 이소티오시아네이트 활성 기전을 규명하기 위해서는 유사한 연구가 필요합니다.
식물 글루코시놀레이트가 가수분해되어 반응성 이소티오시아네이트를 형성하는 것이 겨자씨 가루에 의한 모기 유충 방제 기전으로 작용한다는 제안을 뒷받침하기 위해 열 불활성화된 DFP 처리를 사용합니다. DFP-HT 종자 가루는 시험된 시용량에서 독성이 없었습니다. Lafarga et al. 82는 글루코시놀레이트가 고온에서 분해에 민감하다고 보고했습니다. 열처리는 또한 종자 가루에 있는 미로시나아제 효소를 변성시키고 글루코시놀레이트가 가수분해되어 반응성 이소티오시아네이트를 형성하는 것을 방지할 것으로 예상됩니다. 이는 Okunade et al. 75에서도 확인되었으며, 미로시나아제는 온도에 민감하며, 겨자, 흑겨자, 혈근 씨앗이 80°C 이상의 온도에 노출되면 미로시나아제 활성이 완전히 불활성화됨을 보여줍니다. 이러한 기전으로 인해 열처리된 DFP 종자 가루의 살충 활성이 손실될 수 있습니다.
따라서 겨자씨 가루와 그 세 가지 주요 이소티오시아네이트는 모기 유충에 독성을 나타냅니다. 겨자씨 가루와 화학적 처리법 간의 이러한 차이점을 고려할 때, 겨자씨 가루를 사용하는 것은 모기 방제에 효과적인 방법이 될 수 있습니다. 종자 분말 사용의 효능과 안정성을 향상시키기 위해서는 적절한 제형과 효과적인 전달 시스템을 개발할 필요가 있습니다. 본 연구 결과는 겨자씨 가루가 합성 살충제의 대안으로 사용될 수 있음을 시사합니다. 이 기술은 모기 매개체 방제를 위한 혁신적인 도구가 될 수 있습니다. 모기 유충은 수생 환경에서 번성하고, 종자씨 가루의 글루코시놀레이트는 수화 시 효소에 의해 활성 이소티오시아네이트로 전환되기 때문에, 모기가 서식하는 수역에서 겨자씨 가루를 사용하면 상당한 방제 효과를 얻을 수 있습니다. 이소티오시아네이트의 유충 살충 활성은 다양하지만(BITC > AITC > 4-HBITC), 종자씨 가루와 여러 글루코시놀레이트를 병용할 경우 독성이 상승하는지 여부를 확인하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 본 연구는 탈지 십자화과 종자박과 세 가지 생리활성 이소티오시아네이트의 모기 살충 효과를 입증한 최초의 연구입니다. 본 연구 결과는 종자에서 기름을 추출하는 부산물인 탈지 양배추 종자박이 모기 방제를 위한 유망한 유충 살충제로 활용될 수 있음을 보여줌으로써 새로운 지평을 열었습니다. 이러한 정보는 식물 생물 방제제의 개발과 저렴하고 실용적이며 환경 친화적인 생물 살충제로서의 개발에 기여할 수 있을 것입니다.
본 연구를 위해 생성된 데이터세트와 분석 결과는 요청 시 책임저자에게 제공될 수 있습니다. 연구 종료 시, 연구에 사용된 모든 재료(곤충 및 씨앗 가루)는 폐기되었습니다.
게시 시간: 2024년 7월 29일