국내에서 재배된 제충국과 동백씨로부터 추출한 살충성분의 최적화 및 효능평가 = Optimization and efficacy evaluation of insecticidal compounds from domestically cultivated pyrethrum and camellia seeds

국문 초록 (Abstract)

화학 살충제의 남용으로 인한 저항성 발현, 비표적 생물에 대한 독성 및 환경 오염 문제는 지속 가능한 농업을 위협하는 주요 요인으로, 이를 대체 할 식물 유래 친환경 방제 기술의 개발이 시급하다. 본 연구는 국내 재배 제충국(Tanacetum cinerariifolium)과 동백(Camellia japonica)씨 추출물의 살충 및 섭식 저해 활성을 평가하고, 주요 유효 성분 규명 및 분자적 작용 기작 을 해석하여 한국형 생물 농약으로서 개발 가능성을 입증하고자 하였다. 국내 재배 제충국 추출물의 살충 활성 및 시너지 효과를 규명하였다. LC- MS 분석 결과, 수입산 제충국 추출물의 총 pyrethrins 함량은 11,566 ppm으 로 나타났으나, 국내산 추출물 (pyrethrins 2,333 ppm)이 복숭아혹진딧물 (Myzus persicae)에 대해 더 낮은 LC90 값 (2.8 ± 0.4 ppm)을 보이며 우수한 살충 활성을 나타냈다. 성분 분석 결과, 국내산 추출물에서 3,5- dicaffeoylquinic acid(3,5-DCQA)가 특이적으로 검출되었으며, 이를 pyrethrins 과 혼합 처리 시 살충력이 증대되는 상호보완적 상승효과(Synergistic effect) 를 확인하였다. 또한, 포장 시험에서 고추와 오이 재배 시 각각 75%, 60% 이상의 높은 방제 효율을 보여 실용화 가능성을 입증하였다. 동백씨 추출 물의 배추좀나방(Plutella xylostella) 유충에 대한 섭식 저해 활성과 기작을 구명하였다. 활성 분획(MPLC Fr.5) 분석을 통해 주요 활성 물질인 Camelliasaponin A1과 A2를 동정하였으며, 해당 분획과 표준물질 모두 낮은 농도(AFC50 4 – 23.6 ppm)에서 강력한 섭식 저해 활성을 보였다. 계면활성 특성 평가 결과, 표면장력 감소와 거품 형성은 고농도에서만 발현된 반면 섭식 저해는 저농도에서 나타나, 이는 단순 물리적 성질이 아닌 생화학적 기작에 기인함을 시사한다. RNA-seq 분석 결과, 처리 초기(9 h)에는 막 수 송 및 신호전달 유전자가 반응하였으나, 후기(18 h)로 갈수록 해독 효소 (CYP) 및 대사 관련 유전자의 발현이 억제되는 시간 의존적 전사체 변동 이 관찰되었다. 이는 Camelliasaponin이 초기 방어 기작을 유도한 후, 지속 적으로 해충의 해독 및 대사 기능을 교란하여 섭식을 억제함을 시사한다. 결론적으로, 본 연구는 국내산 제충국과 동백씨 추출물이 기존 화학 살충 제를 효과적으로 대체할 수 있는 고부가가치 식물자원임을 입증하였으며, 규명된 유효 성분과 작용 기작 정보는 저탄소 농업 실현을 위한 식물 기 반 방제제 개발의 핵심 기초 자료로 활용될 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Increasing concerns regarding pesticide resistance, risks to non-target organisms, and environmental pollution have heightened interest in eco-friendly pest management technologies based on plant extracts. This study aimed to develop bio-pesticides utilizing domestic plant resources by evaluating the biological activities of pyrethrum(Tanacetum cinerariifolium) cultivated in Korea and camellia seed (Camellia japonica) extracts, and by identifying their key active compounds and modes of action. LC–MS analysis revealed that the imported pyrethrum extract contained 11,566 ppm of pyrethrins, whereas among the domestic samples, the Dalmatian flower extract showed the highest level at 2,333 ppm. Despite this difference in content, the domestic Dalmatian flower extract exhibited a lower LC₉₀ value (2.8 ± 0.4 ppm) against Myzus persicae than the imported extract, and field trials demonstrated control efficiencies exceeding 75% in pepper and 60% in cucumber. Additional chemical profiling identified 3,5-dicaffeoylquinic acid (3,5-DCQA) as a compound commonly detected in domestic pyrethrum extracts, and its mixture with pyrethrins enhanced insecticidal efficacy, indicating a complementary effect. In the evaluation of antifeedant activity of camellia seed extract, against Plutella xylostella larvae, MPLC fraction 5 exhibited the highest feeding inhibition (AFC₅₀ = 23.6 ppm), and LC–MS analysis revealed that this fraction was enriched with Camelliasaponins A1 and A2. These purified compounds also demonstrated strong antifeedant activity at low concentrations (AFC₅₀ = 4–5 ppm. Surface activity assessment showed that while feeding inhibition occurred at low concentrations, reductions in surface tension and foam formation were observed only at higher concentrations, suggesting that the antifeedant effect is primarily driven by biochemical rather than purely physicochemical mechanisms. RNA-seq analysis revealed time-dependent transcriptomic responses, characterized by early activation of membrane transport and signaling-related genes (9 h), followed by enhanced suppression of detoxification (CYP) and digestive-metabolic genes at 18 h. These results suggest that Camelliasaponins may initially trigger sensing and defense responses and subsequently weaken detoxification and metabolic functions under prolonged exposure. Collectively, these findings demonstrate that domestically cultivated pyrethrum and camellia seeds represent valuable botanical resources capable of substituting chemical pesticides, offering strong potential as practical ecofriendly pest management materials that contribute to low-carbon and sustainable agriculture.

목차 (Table of Contents)

• 국문 초록 1
• 서 론 3
• 연구사 7
• 1. 기후변화 해충발생 7
• 2. 화학 살충제 문제 8
• 3. 식물성 살충제 9
• 가. 지속가능한 대체자원 식물추출물 9
• 나. 주요 식물 추출물이 작용기작 9
• 4. 식물추출물 활용의 제약요인 12
• 참고 문헌 13
• Chapter 1. 국내 제충국 추출물의 살충성분 함량 및 살충 효능 평가 20
• 1. 서 론 22
• 2. 재료 및 방법 24
• 가. 국내 식물자원 제충국의 품종 및 재료 24
• 나. 국내 식물자원 제충국의 추출방법 25
• 다. 국내 식물자원 제충국의 살충성분 함량 분석 25
• 라. 국내 제충국 추출물에 대한 살충 효능 평가 26
• (1) 곤충 사육조건 26
• (2) 생물검정 (Bioassays) 28
• 마. 국내 제충국 추출물의 주요 성분 외 대사물질 분석 30
• 바. 국내 제충국 추출물의 현장 실증 포장실험 31
• 사. 국내 제충국 추출물의 제형화 활용을 위한 시너지 효과 32
• 3. 결과 및 고찰 34
• 가. 국내산 제충국 추출물의 유효성분 Pyrethrins 함량 34
• 나. 국내산 제충국 추출물의 살충 스펙트럼 36
• 다. 국내산 제충국 추출물의 M. persicae에 대한 살충효과 39
• 라. 국내산 제충국 추출물의 Chemical profiling 분석 42
• 마. 제충국 추출물의 3,5-Dicaffeoylquinic acid 살충효과 45
• 바. 제충국 추출물의 혼합처리에 따른 살충효과 47
• 사. 국내 제충국 추출물의 현장 실증 검증 50
• (1) 2024년 상 하반기 오이 고추 포장 현장 실증 50
• (2) 2025년 상반기 (6-7월) 고추 포장 현장 실증 50
• (3) 2025년 하반기 (7-9월) 오이 포장 현장 실증 51
• 참고 문헌 58
• Chapter 2. 동백나무 종자 추출물의 Camelliasaponin A1 및 A2 물질의 배추 좀나방 유충에 대한 섭식억제 효과 62
• 1. 서 론 64
• 2. 재료 및 방법 67
• 가. 곤충 사육 및 기주식물 67
• 나. 식물추출물 조제 68
• 다. 동백나무 종자 EtOH 추출물의 분획 및 물질 분리 69
• 라. 동백나무 종자 EtOH 추출물의 LC-MS 분석 70
• (1) 동백나무 EtOH 추출물의 화학구성 성분 분석 70
• (2) 동백나무 종자 EtOH 추출물의 분획의 Camelliasaponin 정량분석 71
• 마. 섭식억제 활성 검정 (Antifeedant Bioassay) 71
• 바. 표면장력 및 거품생성 활성 평가 73
• (1) 표면장력 측정 73
• (2) 거품생성 및 안정성 측정 74
• 사. Time lapse 유충의 섭식 행동분석 74
• 아. Camelliasaponin 처리에 따른 P. xylostella 유충의 전사체 분석 75
• (1) 추출물 처리, 시료 채취 및 Total RNA추출 75
• (2) 라이브러리 구축 및 시퀀싱 77
• (3) RNA-seq 분석 78
• (4) DEGs의 유전자 기능 주석 78
• 자. 유전자 계통도 분석 79
• 차. 통계분석 80
• 3. 결과 및 고찰 82
• 가. P. xylostella에 대한 섭식억제 활성 및 지속효과 검정 82
• 나. C. japonica 종자 EtOH 추출물의 섭식억제 활성 화합물 정제 85
• 다. C. japonica 종자 추출물의 화학성분 분석 87
• 라. Camelliasaponin 물질의 섭식억제 활성 91
• 마. 분획의 표면장력 및 거품생성 활성 95
• 바. 동백씨 추출물 처리 후 P. xylostella 유충의 섭식행동 분석 100
• 사. Camelliasaponin에 의해 유도된 P. xylostella 유충의 RNA-seq 분석 102
• 아. Camelliasaponin 처리에 의한 차등 발현 유전자 DEGs 분석 104
• 자. Camelliasaponin 처리의 의한 차등 발현된 DEGs 유전자 기능 주석 117
• 차. Camelliasaponin 처리 후 대사 및 해독효소 유전자 변화 120
• 결론 125
• 참고 문헌 126
• Abstract (영문 초록) 135