효과적으로모기를 방제하다모기가 옮기는 질병의 발생률을 줄이기 위해서는 화학 살충제를 대체할 전략적이고 지속 가능하며 환경 친화적인 대안이 필요합니다. 본 연구에서는 이집트숲모기(Aedes L., 1762) 방제에 사용하기 위해 생물학적으로 비활성인 글루코시놀레이트를 효소 가수분해하여 생산한 식물 유래 이소티오시아네이트의 공급원으로서 특정 배추과(Brassicaceae) 식물의 종자박을 평가했습니다. 탈지된 5가지 씨앗 분말(Brassica juncea (L) Czern., 1859, Lepidium sativum L., 1753, Sinapis alba L., 1753, Thlaspi arvense L., 1753 및 Thlaspi arvense – 3가지 주요 열 불활성화 및 효소 분해 화학 제품)을 사용하여 이집트숲모기 유충에 대한 알릴 이소티오시아네이트, 벤질 이소티오시아네이트 및 4-하이드록시벤질 이소티오시아네이트의 독성(LC50)을 24시간 노출 시 측정하였다(LC50 = 0.04g/120ml dH2O). 겨자, 흰겨자 및 쇠뜨기의 LC50 값. 알팔파 종자박은 알릴 이소티오시아네이트(LC50 = 19.35 ppm) 및 4-하이드록시벤질이소티오시아네이트(LC50 = 55.41 ppm)와 비교했을 때 각각 0.05, 0.08, 0.05의 농도에서 0.1 g/120 ml 증류수보다 처리 후 24시간 동안 유충에 더 높은 독성을 나타냈습니다. 이러한 결과는 알팔파 종자박의 생산과 일치합니다. 벤질 에스테르의 높은 효율은 계산된 LC50 값과 일치합니다. 종자박을 사용하면 효과적인 모기 방제 방법을 제공할 수 있습니다. 십자화과 종자 분말과 그 주요 화학 성분의 모기 유충에 대한 효과를 확인하고, 십자화과 종자 분말에 함유된 천연 화합물이 모기 방제를 위한 유망한 친환경 살충제로 사용될 수 있음을 보여줍니다.
이집트숲모기(Aedes)에 의해 발생하는 매개체 전염병은 여전히 전 세계적인 주요 공중 보건 문제입니다. 모기 매개 질병의 발생률은 지리적으로 확산되고1,2,3 재발하여 심각한 질병의 발병으로 이어집니다4,5,6,7. 인간과 동물 간의 질병 확산(예: 치쿤구냐, 뎅기열, 리프트 밸리 열, 황열, 지카 바이러스)은 전례 없는 수준입니다. 뎅기열만 해도 열대 지역에서 약 36억 명의 사람들이 감염 위험에 처해 있으며, 매년 약 3억 9천만 명이 감염되고 6,100명에서 24,300명이 사망하는 것으로 추산됩니다8. 남미에서 지카 바이러스가 재발하여 발생한 대규모 유행은 감염된 여성에게서 태어난 아이에게 뇌 손상을 일으키는 것으로 알려져 전 세계적인 관심을 끌고 있습니다2. Kremer et al. 3은 이집트숲모기의 지리적 분포 범위가 계속 확장될 것이며 2050년까지 전 세계 인구의 절반이 모기 매개 아르보바이러스 감염 위험에 처할 것이라고 예측했습니다.
최근 개발된 뎅기열과 황열병 백신을 제외하고는 대부분의 모기 매개 질병에 대한 백신은 아직 개발되지 않았습니다.9,10,11 백신은 여전히 제한된 양으로만 공급되고 있으며 임상 시험에만 사용되고 있습니다. 합성 살충제를 이용한 모기 매개체 방제는 모기 매개 질병의 확산을 억제하는 핵심 전략이었습니다.12,13 합성 살충제는 모기를 죽이는 데 효과적이지만, 지속적인 사용은 비표적 생물에 악영향을 미치고 환경을 오염시킵니다.14,15,16 더욱 심각한 문제는 화학 살충제에 대한 모기의 내성이 증가하는 추세라는 점입니다.17,18,19 이러한 살충제 관련 문제들로 인해 질병 매개체를 방제할 수 있는 효과적이고 환경 친화적인 대안을 찾는 노력이 가속화되고 있습니다.
다양한 식물이 해충 방제를 위한 식물성 살충제의 원료로 개발되어 왔습니다.20,21 식물 유래 물질은 일반적으로 생분해성이 뛰어나고 포유류, 어류, 양서류와 같은 비표적 생물에 대한 독성이 낮거나 거의 없기 때문에 환경 친화적입니다.20,22 허브 제제는 모기의 다양한 생활 단계를 효과적으로 방제하기 위해 다양한 작용 기전을 가진 여러 가지 생리활성 화합물을 생성하는 것으로 알려져 있습니다.23,24,25,26 에센셜 오일 및 기타 활성 식물 성분과 같은 식물 유래 화합물은 모기 매개체를 방제하는 혁신적인 도구 개발에 기여하며 주목받고 있습니다. 에센셜 오일, 모노테르펜 및 세스퀴테르펜은 기피제, 섭식 억제제 및 살란제로 작용합니다.27,28,29,30,31,32,33 많은 식물성 기름은 모기 유충, 번데기 및 성충의 죽음을 초래하며34,35,36 곤충의 신경계, 호흡계, 내분비계 및 기타 중요한 시스템에 영향을 미칩니다37.
최근 연구들은 겨자 식물과 그 씨앗을 생리활성 화합물의 공급원으로 활용할 수 있는 잠재력에 대한 통찰력을 제공해 왔습니다. 겨자씨 분말은 생물훈증제38,39,40,41로 시험되었으며, 잡초 억제42,43,44 및 토양 매개 식물 병원균45,46,47,48,49,50 방제를 위한 토양 개량제로 사용되었고, 식물 영양, 선충41,51, 52, 53, 54 및 해충55, 56, 57, 58, 59, 60 방제에도 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 손상되면 글루코시놀레이트는 미로시나아제에 의해 생리활성 이소티오시아네이트로 가수분해됩니다55,61. 이소티오시아네이트는 광범위한 항균 및 살충 활성을 갖는 것으로 알려진 휘발성 화합물이며, 그 구조, 생물학적 활성 및 함량은 배추과 식물 종에 따라 크게 다릅니다42,59,62,63.
겨자씨박에서 추출한 이소티오시아네이트는 살충 활성이 있는 것으로 알려져 있지만, 의학적으로 중요한 절지동물 매개체에 대한 생물학적 활성에 관한 자료는 부족합니다. 본 연구에서는 탈지된 겨자씨 분말 4종의 유충에 대한 이집트숲모기(Aedes aegypti) 유충의 살충 활성을 조사했습니다. 연구의 목적은 이들 분말이 모기 방제를 위한 환경 친화적인 생물 살충제로 사용될 가능성을 평가하는 것이었습니다. 또한, 겨자씨박의 주요 화학 성분인 알릴 이소티오시아네이트(AITC), 벤질 이소티오시아네이트(BITC), 그리고 4-하이드록시벤질이소티오시아네이트(4-HBITC)의 모기 유충에 대한 생물학적 활성도 함께 시험했습니다. 본 연구는 양배추씨 분말 4종과 그 주요 화학 성분의 모기 유충에 대한 효과를 평가한 최초의 연구입니다.
실험실에서 사육한 이집트숲모기(록펠러 계통)는 26°C, 상대습도 70%, 광주기 10:14시간(명:암) 조건에서 유지하였다. 짝짓기를 마친 암컷은 플라스틱 케이지(높이 11cm, 지름 9.5cm)에 넣고 구연산 처리된 소 혈액(HemoStat Laboratories Inc., Dixon, CA, USA)을 이용한 급식 시스템으로 먹이를 공급하였다. 혈액 공급은 온도 조절이 가능한 순환 수조(HAAKE S7, Thermo-Scientific, Waltham, MA, USA)에 연결된 멤브레인 멀티 글라스 피더(Chemglass, Life Sciences LLC, Vineland, NJ, USA)를 사용하여 일반적인 방법으로 수행하였다. 각 유리 급식실 바닥(면적 154mm²)에 파라필름 M 필름을 팽팽하게 붙였다. 그런 다음 각 피더를 짝짓기 중인 암컷이 들어 있는 케이지를 덮는 상단 격자 위에 놓았다. 파스퇴르 피펫(Fisherbrand, Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)을 사용하여 유리 피더 깔때기에 소 혈액 약 350~400μl를 넣고 성충이 최소 1시간 동안 혈액을 배출하도록 했습니다. 임신한 암컷에게는 10% 자당 용액을 주고, 각각 1.25fl oz 크기의 투명한 수플레 컵(Dart Container Corp., Mason, MI, USA)에 깔아 놓은 습윤 여과지에 알을 낳도록 했습니다. 물이 담긴 사육통에 알이 든 여과지를 넣고 밀봉된 봉투(SC Johnsons, Racine, WI)에 넣어 26°C에서 보관했습니다. 알이 부화하여 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 사료가 담긴 플라스틱 트레이에서 사육했습니다. 그리고 생선 필레(TetraMin, Tetra GMPH, Meer, Germany)를 2:1:1의 비율로 혼합했습니다. 생물 검정에는 3령 후기 유충을 사용했습니다.
본 연구에 사용된 식물 종자는 다음과 같은 상업 및 정부 기관에서 제공받았습니다. Brassica juncea(갈색 겨자-Pacific Gold)와 Brassica juncea(흰 겨자-Ida Gold)는 미국 워싱턴주 태평양 북서부 농민 협동조합에서, Garden Cress(가든 크레스)는 미국 일리노이주 피오리아의 Kelly Seed and Hardware Co.에서, Thlaspi arvense(들판 페니크레스-Elisabeth)는 미국 농무부 농업연구청(USDA-ARS)에서 제공받았습니다. 본 연구에 사용된 모든 종자는 살충제로 처리되지 않았습니다. 모든 종자는 관련 지역 및 국가 규정을 준수하여 가공 및 사용되었습니다. 본 연구에서는 유전자 변형 식물 품종을 조사하지 않았습니다.
Brassica juncea(PG), Alfalfa(Ls), White mustard(IG), Thlaspi arvense(DFP) 종자를 0.75mm 메쉬와 스테인리스 스틸 로터(12개 톱니, 10,000rpm)가 장착된 Retsch ZM200 초원심분리기(Retsch, Haan, Germany)를 사용하여 미세 분말로 분쇄했습니다(표 1). 분쇄된 종자 분말을 종이 딤블에 옮긴 후 Soxhlet 추출기를 사용하여 24시간 동안 헥산으로 탈지했습니다. 탈지된 흰겨자 시료의 일부를 100°C에서 1시간 동안 열처리하여 미로시나아제를 변성시키고 글루코시놀레이트의 가수분해를 방지하여 생물학적 활성을 갖는 이소티오시아네이트 생성을 억제했습니다. 미로시나아제를 변성시킨 열처리된 쇠뜨기 종자 분말(DFP-HT)을 음성 대조군으로 사용했습니다.
탈지 종자박의 글루코시놀레이트 함량은 이전에 발표된 프로토콜 64에 따라 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 사용하여 3회 반복 측정하였다. 간단히 설명하면, 탈지 종자 분말 250mg 시료에 메탄올 3mL를 첨가하였다. 각 시료를 수조에서 30분 동안 초음파 처리한 후 23°C에서 16시간 동안 암실에 보관하였다. 유기층 1mL를 0.45μm 필터를 통해 자동 시료 주입기에 여과하였다. Shimadzu HPLC 시스템(LC 20AD 펌프 2개, SIL 20A 자동 시료 주입기, DGU 20As 탈기 장치, 237nm에서 모니터링하는 SPD-20A UV-VIS 검출기, CBM-20A 통신 버스 모듈)을 사용하여 종자박의 글루코시놀레이트 함량을 3회 반복 측정하였다. 시마즈 LC 솔루션 소프트웨어 버전 1.25(시마즈 주식회사, 미국 메릴랜드주 컬럼비아)를 사용했습니다. 컬럼은 C18 Inertsil 역상 컬럼(250 mm × 4.6 mm; RP C-18, ODS-3, 5u; GL Sciences, 미국 캘리포니아주 토런스)을 사용했습니다. 초기 이동상 조건은 12% 메탄올/88% 0.01 M 테트라부틸암모늄 하이드록사이드 수용액(TBAH; 시그마-알드리치, 미국 미주리주 세인트루이스)으로 설정하고 유속은 1 mL/min으로 했습니다. 시료 15 μl를 주입한 후 초기 조건을 20분 동안 유지하고, 그 후 용매 비율을 100% 메탄올로 조정하여 총 시료 분석 시간을 65분으로 했습니다. 탈지 종자박의 황 함량을 추정하기 위해 새로 제조한 시나핀, 글루코시놀레이트 및 미로신 표준물질(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)을 연속 희석하여 표준 곡선(nM/mAb 기반)을 생성했습니다. 시료의 글루코시놀레이트 농도는 동일한 컬럼이 장착된 Agilent 1100 HPLC(Agilent, Santa Clara, CA, USA)와 OpenLAB CDS ChemStation 버전(C.01.07 SR2 [255])을 사용하여 이전에 설명된 방법으로 측정했습니다. 글루코시놀레이트 농도는 HPLC 시스템 간에 비교 가능하도록 측정했습니다.
알릴 이소티오시아네이트(94%, 안정)와 벤질 이소티오시아네이트(98%)는 Fisher Scientific(Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)에서 구입했습니다. 4-하이드록시벤질이소티오시아네이트는 ChemCruz(Santa Cruz Biotechnology, CA, USA)에서 구입했습니다. 글루코시놀레이트, 글루코시놀레이트, 글루코시놀레이트는 각각 미로시나아제에 의해 효소 가수분해되어 알릴 이소티오시아네이트, 벤질 이소티오시아네이트, 4-하이드록시벤질이소티오시아네이트를 생성합니다.
실험실 생물검정은 Muturi et al. 32의 방법을 수정하여 수행했습니다. 본 연구에서는 DFP, DFP-HT, IG, PG, Ls의 다섯 가지 저지방 종자 사료를 사용했습니다. 20마리의 유충을 120mL의 탈이온수(dH2O)가 담긴 400mL 일회용 삼방향 비커(VWR International, LLC, Radnor, PA, USA)에 넣었습니다. 모기 유충 독성을 시험하기 위해 7가지 종자 가루 농도(DFP, DFP-HT, IG, PG에 대해 각각 0.01, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1, 0.12g/120mL dH2O)를 사용했습니다. 예비 생물검정 결과, 탈지된 Ls 종자 가루가 시험한 다른 네 가지 종자 가루보다 독성이 더 강한 것으로 나타났습니다. 따라서 우리는 Ls 종자박의 7가지 처리 농도를 0.015, 0.025, 0.035, 0.045, 0.055, 0.065, 0.075 g/120 mL 증류수로 조정했습니다.
실험 조건 하에서 정상적인 곤충 사망률을 평가하기 위해 무처리 대조군(dH2O, 종자박 무첨가)을 포함시켰습니다. 각 종자박에 대한 독성 생물 검정은 3개의 경사 비커(비커당 3령 후기 유충 20마리)를 사용하여 총 108개의 비커로 구성되었습니다. 처리 용기는 실온(20-21°C)에 보관하고, 처리 농도에 24시간 및 72시간 동안 연속 노출시킨 후 유충 사망률을 기록했습니다. 얇은 스테인리스 스틸 주걱으로 모기의 몸과 부속지를 찌르거나 건드렸을 때 움직이지 않으면 모기 유충이 죽은 것으로 간주했습니다. 죽은 유충은 일반적으로 용기 바닥이나 수면에서 등쪽 또는 배쪽으로 움직이지 않고 가만히 있습니다. 이 실험은 서로 다른 날에 다른 유충 그룹을 사용하여 3회 반복했으며, 각 처리 농도에 총 180마리의 유충을 노출시켰습니다.
AITC, BITC 및 4-HBITC의 모기 유충에 대한 독성은 동일한 생물검정 절차를 사용하되 처리 농도를 다르게 하여 평가했습니다. 각 화학물질 100,000ppm의 스톡 용액을 제조하려면 2mL 원심분리 튜브에 화학물질 100µL와 무수 에탄올 900µL를 넣고 30초 동안 충분히 흔들어 섞었습니다. 처리 농도는 예비 생물검정 결과를 바탕으로 결정했는데, 예비 실험에서 BITC가 AITC와 4-HBITC보다 훨씬 더 독성이 강한 것으로 나타났습니다. 독성 측정을 위해 BITC는 5가지 농도(1, 3, 6, 9 및 12 ppm), AITC는 7가지 농도(5, 10, 15, 20, 25, 30 및 35 ppm), 4-HBITC는 6가지 농도(15, 15, 20, 25, 30 및 35 ppm, 30, 45, 60, 75 및 90 ppm)로 처리하였다. 대조군에는 각 화학물질 처리의 최대량에 해당하는 108 μL의 무수 에탄올을 주입하였다. 생물검정은 위와 동일한 방법으로 반복하여 각 처리 농도당 총 180마리의 유충을 처리하였다. 24시간 연속 노출 후 각 농도의 AITC, BITC 및 4-HBITC에 대한 유충 사망률을 기록하였다.
65개의 용량 관련 사망률 데이터에 대해 Polo 소프트웨어(Polo Plus, LeOra Software, 버전 1.0)를 사용하여 프로빗 분석을 수행하여 50% 치사 농도(LC50), 90% 치사 농도(LC90), 기울기, 치사량 계수 및 95% 치사 농도를 계산했습니다. 이는 로그 변환된 농도와 용량-사망률 곡선에 대한 치사량 비율의 신뢰 구간을 기반으로 합니다. 사망률 데이터는 각 처리 농도에 노출된 180마리 유충의 반복 측정 데이터를 종합한 것입니다. 확률 분석은 각 종자박과 각 화학 성분에 대해 별도로 수행되었습니다. 치사량 비율의 95% 신뢰 구간을 기준으로 종자박과 화학 성분의 모기 유충에 대한 독성은 유의미한 차이가 있는 것으로 간주되었으므로, 신뢰 구간에 1이 포함된 경우는 유의미한 차이가 없는 것으로 판단했습니다(P = 0.0566).
탈지 종자 분말 DFP, IG, PG 및 Ls에 함유된 주요 글루코시놀레이트의 HPLC 분석 결과는 표 1에 제시되어 있다. 시험한 종자 분말들의 주요 글루코시놀레이트는 DFP와 PG를 제외하고는 다양했으며, DFP와 PG에는 모두 미로시나아제 글루코시놀레이트가 함유되어 있었다. PG의 미로시닌 함량은 DFP보다 높았으며, 각각 33.3 ± 1.5 mg/g과 26.5 ± 0.9 mg/g이었다. Ls 종자 분말에는 36.6 ± 1.2 mg/g의 글루코글리콘이, IG 종자 분말에는 38.0 ± 0.5 mg/g의 시나핀이 함유되어 있었다.
탈지 종자박으로 처리했을 때 이집트숲모기 유충이 사멸했지만, 처리 효과는 식물 종에 따라 차이가 있었습니다. DFP-NT만 24시간 및 72시간 노출 후 모기 유충에 독성을 나타내지 않았습니다(표 2). 활성 종자 분말의 독성은 농도가 증가함에 따라 증가했습니다(그림 1A, B). 모기 유충에 대한 종자박의 독성은 24시간 및 72시간 평가에서 LC50 값의 치사량 비율의 95% 신뢰구간을 기준으로 유의미한 차이를 보였습니다(표 3). 24시간 후, Ls 종자박의 독성 효과가 다른 종자박 처리보다 더 컸으며, 유충에 대한 활성과 최대 독성이 가장 높았습니다(LC50 = 0.04g/120ml 증류수). 유충은 24시간 후 IG, Ls 및 PG 종자 분말 처리와 비교했을 때 DFP에 대한 민감도가 낮았으며, LC50 값은 각각 0.115, 0.04 및 0.08 g/120 ml dH2O로, 통계적으로 0.211 g/120 ml dH2O의 LC50 값보다 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). DFP의 최고 농도는 0.12 g/120 ml dH2O였습니다. 24시간 평가 후 평균 유충 사망률은 12%에 불과했지만, IG와 PG 처리 유충의 평균 사망률은 각각 51%와 82%에 달했습니다. 24시간 평가 후, 가장 높은 농도의 Ls 종자박 처리(0.075g/120ml 증류수)에서 유충의 평균 사망률은 99%였다(그림 1A).
이집트흰개미(Ae. Egyptian) 유충(3령 유충)의 종자분 농도에 대한 사망률 반응 곡선(프로빗)은 처리 후 24시간(A) 및 72시간(B) 경과 후 측정하였다. 점선은 종자분 처리의 LC50을 나타낸다. DFP: Thlaspi arvense, DFP-HT: 열처리하여 불활성화시킨 Thlaspi arvense, IG: Sinapsis alba (Ida Gold), PG: Brassica juncea (Pacific Gold), Ls: Lepidium sativum.
72시간 평가 결과, DFP, IG, PG 종자박의 LC50 값은 각각 0.111, 0.085, 0.051 g/120 ml dH2O였습니다. Ls 종자박에 노출된 유충은 72시간 후 거의 모두 폐사하여 사망률 데이터가 프로빗 분석 결과와 일치하지 않았습니다. 다른 종자박과 비교했을 때, DFP 종자박 처리에 대한 유충의 민감도가 낮았고 LC50 값도 통계적으로 유의하게 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 및 PG 종자 분말의 LC90 값은 각각 0.215, 0.254 및 0.138 g/120 ml dH2O였습니다. 72시간 평가 후, 최대 농도 0.12 g/120 ml dH2O에서 DFP, IG 및 PG 종자 분말 처리군의 평균 유충 사망률은 각각 58%, 66% 및 96%였습니다(그림 1B). 72시간 평가 결과, PG 종자 분말이 IG 및 DFP 종자 분말보다 독성이 더 강한 것으로 나타났습니다.
합성 이소티오시아네이트인 알릴 이소티오시아네이트(AITC), 벤질 이소티오시아네이트(BITC) 및 4-하이드록시벤질 이소티오시아네이트(4-HBITC)는 모기 유충을 효과적으로 사멸시킬 수 있다. 처리 후 24시간 경과 시, BITC는 LC50 값이 5.29 ppm으로 AITC(19.35 ppm) 및 4-HBITC(55.41 ppm)보다 유충에 대한 독성이 더 높았다(표 4). AITC 및 BITC와 비교했을 때, 4-HBITC는 독성은 낮지만 LC50 값은 더 높았다. 가장 강력한 효과를 나타낸 종자박에 함유된 두 가지 주요 이소티오시아네이트(Ls 및 PG)의 모기 유충 독성에는 유의미한 차이가 있었다. AITC, BITC 및 4-HBITC의 LC50 값의 치사량 비율에 기반한 독성 분석 결과, LC50 치사량 비율의 95% 신뢰구간에 1이 포함되지 않아 통계적으로 유의한 차이가 나타났다(P = 0.05, 표 4). BITC와 AITC 모두 최고 농도에서 실험에 사용된 유충의 100%가 사멸한 것으로 추정되었다(그림 2).
Ae. aegypti의 용량 반응(프로빗)으로부터 사망률 곡선을 추정하였다. 처리 24시간 후, 이집트 유충(3령 유충)은 합성 이소티오시아네이트 농도에 도달하였다. 점선은 이소티오시아네이트 처리의 LC50을 나타낸다. 벤질 이소티오시아네이트(BITC), 알릴 이소티오시아네이트(AITC), 4-HBITC.
식물 생물농약을 모기 매개체 방제제로 사용하는 것에 대한 연구는 오랫동안 진행되어 왔습니다. 많은 식물은 살충 활성을 지닌 천연 화학물질을 생산합니다.37 이러한 식물의 생리활성 화합물은 합성 살충제를 대체할 매력적인 대안이며, 모기를 포함한 해충 방제에 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
겨자 식물은 씨앗을 얻기 위한 작물로 재배되며, 씨앗은 향신료 및 기름의 원료로 사용됩니다. 겨자씨에서 기름을 추출하거나 바이오 연료로 사용하기 위해 겨자를 추출할 때, 부산물로 탈지된 종자박이 생성됩니다. 이 종자박에는 많은 천연 생화학적 성분과 가수분해 효소가 그대로 남아 있습니다. 이 종자박의 독성은 이소티오시아네이트 생성에 기인합니다. 이소티오시아네이트는 종자박의 수화 과정에서 미로시나아제 효소에 의한 글루코시놀레이트의 가수분해로 생성되며, 항진균, 항세균, 항선충, 항살충 효과뿐만 아니라 화학적 감각 효과 및 항암 화학요법 효과 등 다양한 특성을 지닌 것으로 알려져 있습니다. 여러 연구에서 겨자 식물과 종자박이 토양 및 저장 식품 해충에 대한 훈증제로 효과적이라는 사실이 밝혀졌습니다. 본 연구에서는 양배추 종자박과 그로부터 생성된 세 가지 생리활성 물질인 AITC, BITC, 4-HBITC의 이집트숲모기 유충에 대한 독성을 평가하였다. 모기 유충이 있는 물에 종자박을 직접 첨가하면 효소 반응이 활성화되어 모기 유충에 독성을 나타내는 이소티오시아네이트가 생성될 것으로 예상된다. 이러한 생물학적 변환은 종자박의 살충 효과와, 사용 전 열처리한 왜소겨자 종자박의 살충 효과가 감소하는 것을 통해 부분적으로 입증되었다. 열처리는 글루코시놀레이트를 활성화하는 가수분해 효소를 파괴하여 생리활성 이소티오시아네이트의 생성을 저해하는 것으로 추정된다. 본 연구는 수생 환경에서 양배추 종자박의 모기 살충 효과를 확인한 최초의 연구이다.
시험한 종자 분말 중 물냉이 종자 분말(Ls)이 가장 독성이 강하여 흰줄모기(Aedes albopictus)의 사망률이 높았습니다. 이집트숲모기(Aedes aegypti) 유충은 24시간 동안 연속적으로 처리되었습니다. 나머지 세 가지 종자 분말(PG, IG 및 DFP)은 활성이 더 느렸지만 72시간 연속 처리 후에도 상당한 사망률을 유발했습니다. Ls 종자 분말에만 상당량의 글루코시놀레이트가 함유되어 있었고, PG와 DFP에는 미로시나아제가, IG에는 글루코시놀레이트가 주요 글루코시놀레이트로 함유되어 있었습니다(표 1). 글루코트로파에올린은 BITC로 가수분해되고 시날빈은 4-HBITC로 가수분해됩니다.61,62 본 생물검정 결과는 Ls 종자 분말과 합성 BITC 모두 모기 유충에 매우 독성이 강함을 보여줍니다. PG와 DFP 종자 분말의 주요 성분은 미로시나아제 글루코시놀레이트이며, 이는 AITC로 가수분해됩니다. AITC는 LC50 값이 19.35ppm으로 모기 유충을 죽이는 데 효과적입니다. AITC 및 BITC와 비교했을 때, 4-HBITC 이소티오시아네이트는 유충에 대한 독성이 가장 낮습니다. AITC는 BITC보다 독성이 낮지만, 이들의 LC50 값은 모기 유충에 대해 테스트된 많은 에센셜 오일보다 낮습니다.32,73,74,75
모기 유충 방제용으로 사용되는 당사의 십자화과 종자 분말은 HPLC 분석 결과 총 글루코시놀레이트의 98~99% 이상을 차지하는 주요 글루코시놀레이트 한 가지를 함유하고 있습니다. 미량의 다른 글루코시놀레이트도 검출되었지만, 그 함량은 총 글루코시놀레이트의 0.3% 미만이었습니다. 물냉이(L. sativum) 종자 분말에는 이차 글루코시놀레이트(시니그린)가 함유되어 있지만, 그 비율은 총 글루코시놀레이트의 1%에 불과하며, 함량 또한 매우 적습니다(종자 분말 1g당 약 0.4mg). PG와 DFP는 동일한 주요 글루코시놀레이트(미로신)를 함유하고 있지만, LC50 값의 차이로 인해 유충 살충 효과는 크게 다릅니다. 흰가루병에 대한 독성 또한 다양합니다. 이집트숲모기 유충의 출현은 두 종자 사료 간의 미로시나아제 활성 또는 안정성 차이 때문일 수 있습니다. 미로시나아제 활성은 배추과 식물에서 이소티오시아네이트와 같은 가수분해 산물의 생체 이용률에 중요한 역할을 합니다.76 Pocock 등77 및 Wilkinson 등78의 이전 연구에서는 미로시나아제 활성 및 안정성의 변화가 유전적 및 환경적 요인과도 관련될 수 있음을 보여주었습니다.
예상되는 생물활성 이소티오시아네이트 함량은 24시간 및 72시간 후 각 종자박의 LC50 값을 기준으로 계산하여 해당 화학물질 처리와 비교했습니다(표 5). 24시간 후, 종자박에 함유된 이소티오시아네이트는 순수 화합물보다 독성이 더 강했습니다. 이소티오시아네이트 종자 처리의 백만분율(ppm)을 기준으로 계산한 LC50 값은 BITC, AITC 및 4-HBITC 처리의 LC50 값보다 낮았습니다. 유충이 종자박 펠릿을 섭취하는 것을 관찰했습니다(그림 3A). 따라서 유충은 종자박 펠릿을 섭취함으로써 독성 이소티오시아네이트에 더 높은 농도로 노출될 수 있습니다. 이는 24시간 노출 시 IG 및 PG 종자박 처리에서 가장 두드러지게 나타났으며, 이 경우 LC50 농도는 순수 AITC 및 4-HBITC 처리보다 각각 75% 및 72% 낮았습니다. Ls 및 DFP 처리는 순수 이소티오시아네이트보다 독성이 더 강했으며, LC50 값은 각각 24% 및 41% 더 낮았습니다. 대조군 처리의 유충은 성공적으로 번데기가 되었지만(그림 3B), 종자 분말 처리의 유충 대부분은 번데기가 되지 못했고 유충 발달이 현저하게 지연되었습니다(그림 3B,D). Spodopteralitura에서 이소티오시아네이트는 성장 지연 및 발달 지연과 관련이 있습니다.79
이집트숲모기(Aedes aegypti) 유충을 24~72시간 동안 배추씨 가루에 지속적으로 노출시켰다. (A) 입 부분에 씨앗 가루 입자가 있는 죽은 유충(원 안 표시); (B) 대조군(씨앗 가루를 첨가하지 않은 증류수)에서는 유충이 정상적으로 성장하여 72시간 후 번데기가 되기 시작했다. (C, D) 씨앗 가루를 처리한 유충에서는 발달 양상에 차이가 나타났으며 번데기가 되지 않았다.
우리는 이소티오시아네이트가 모기 유충에 미치는 독성 효과의 기전을 연구하지 않았습니다. 그러나 붉은불개미(Solenopsis invicta)에 대한 이전 연구에서는 글루타티온 S-트랜스퍼라제(GST)와 에스테라제(EST)의 억제가 이소티오시아네이트의 생물학적 활성의 주요 기전이며, AITC 또한 낮은 농도(0.5 µg/ml)에서 GST 활성을 억제할 수 있음을 보여주었습니다.80 반면, AITC는 성체 옥수수바구미(Sitophilus zeamais)에서 아세틸콜린에스테라제를 억제합니다.81 따라서 모기 유충에서 이소티오시아네이트의 작용 기전을 규명하기 위해 유사한 연구가 필요합니다.
본 연구에서는 열처리로 불활성화된 DFP를 사용하여 겨자씨박이 모기 유충을 방제하는 기전으로 식물 글루코시놀레이트의 가수분해를 통해 반응성 이소티오시아네이트를 생성한다는 가설을 뒷받침하고자 했습니다. DFP-HT 겨자씨박은 시험한 사용량에서 독성을 나타내지 않았습니다. Lafarga 등82은 글루코시놀레이트가 고온에서 분해되기 쉽다고 보고했습니다. 열처리는 겨자씨박에 함유된 미로시나아제 효소를 변성시켜 글루코시놀레이트가 가수분해되어 반응성 이소티오시아네이트를 생성하는 것을 방지할 것으로 예상됩니다. Okunade 등75 또한 미로시나아제가 온도에 민감하다는 것을 보여주며, 겨자, 흑겨자, 피뿌리씨를 80°C 이상의 온도에 노출시켰을 때 미로시나아제 활성이 완전히 불활성화된다는 것을 확인했습니다. 이러한 기전들은 열처리된 DFP 겨자씨박의 살충 활성 손실을 초래할 수 있습니다.
따라서 겨자씨 가루와 그 주요 이소티오시아네이트 세 가지는 모기 유충에 독성을 나타냅니다. 이러한 겨자씨 가루와 화학적 처리 방법 간의 차이점을 고려할 때, 겨자씨 가루를 사용하는 것은 효과적인 모기 방제 방법이 될 수 있습니다. 겨자씨 가루의 효능과 안정성을 향상시키기 위해서는 적절한 제형과 효과적인 전달 시스템을 개발할 필요가 있습니다. 본 연구 결과는 겨자씨 가루가 합성 살충제의 대안으로 사용될 가능성을 시사합니다. 이 기술은 모기 매개체를 방제하는 혁신적인 도구가 될 수 있습니다. 모기 유충은 수생 환경에서 번성하고, 겨자씨 가루의 글루코시놀레이트는 수분을 흡수하면 효소적으로 활성 이소티오시아네이트로 전환되기 때문에, 모기가 많은 물에 겨자씨 가루를 사용하면 상당한 방제 효과를 기대할 수 있습니다. 이소티오시아네이트의 유충 살충 활성은 다양하지만(BITC > AITC > 4-HBITC), 겨자씨 가루와 여러 글루코시놀레이트를 조합했을 때 독성이 상승적으로 증가하는지 여부를 확인하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 본 연구는 탈지 양배추 종자박과 세 가지 생리활성 이소티오시아네이트가 모기에 미치는 살충 효과를 최초로 입증한 연구입니다. 특히, 양배추 종자에서 기름을 추출하는 과정에서 발생하는 부산물인 탈지 양배추 종자박이 모기 유충 방제를 위한 유망한 살충제로 활용될 수 있음을 보여줌으로써 연구 분야에 새로운 지평을 열었습니다. 이러한 연구 결과는 식물 기반 생물 방제제 발굴 및 저렴하고 실용적이며 환경 친화적인 생물 살충제 개발에 기여할 수 있을 것입니다.
본 연구를 위해 생성된 데이터 세트와 그에 따른 분석 결과는 합리적인 요청이 있을 경우 해당 저자에게서 제공받을 수 있습니다. 연구 종료 후, 연구에 사용된 모든 재료(곤충 및 종자 분말)는 폐기되었습니다.
게시 시간: 2024년 7월 29일