Development of New Bioassay Methods for Evaluating Vascular and Translaminar Systemic Action of Insecticides = 식물체 관다발 및 엽면 간 침투이행성 활성을 평가하기 위한 신규 생물검정법 개발

국문 초록 (Abstract)

진딧물과 같이 흡즙성 구기형 구강구조를 지닌 해충은 잎 뒷면에 주로 위치하여 섭식하는 행동적 특성으로 인해, 경엽 처리된 살충제에 대한 노출이 제한되어 방제가 어려운 것으로 알려져 있다. 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 식물 체내를 통해 이동하는 침투이행성 살충제가 널리 활용되고 있으나, 기존의 침투이행성 평가 시험법은 대부분 간접적인 지표에 의존하고 있어 살충제의 실제 침투이행 효과를 다른 노출 요인으로부터 명확히 구분하는 데 한계가 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 관다발 침투이행성과 엽면 간 침투이행성을 기능적으로 분리하여 평가할 수 있는 생물검정 시험법들을 개발하였다. 관다발 침투이행성 평가는 식물체 수액을 제공하는 Vascular sap-feeding assay를 이용하여, 살충제가 물관 또는 체관을 따라 이동하는지를 검증하였다. 동시에 카파타입 카라기난을 기반으로 한 Translaminar gel-to-leaf assay를 적용하여 살충제가 잎 조직을 관통하여 이동하는 능력을 균일하고 국소적인 조건에서 평가하였다. 또한 Excess Green Index(ExG)에 기반한 영상 분석을 통한 약해 평가와 LC–MS/MS 및 GC–MS/MS 분석을 병행함으로써, 식물 조직 내부 이동에 의한 진정한 침투이행성과 표면 접촉 또는 절단면 흡수에 따른 비특이적 노출 효과를 구분할 수 있도록 하였다. 오이–목화진딧물 모델을 이용한 평가 결과, 네오니코티노이드계 및 피리다진 피라졸카복사마이드계 살충제는 관다발 및 엽면 간 침투이행성이 명확하게 확인된 반면, 유기인계, 피레스로이드계 및 아버멕틴계 살충제는 본 시험 조건에서 제한적인 침투이행성을 나타냈다. 본 연구에서 제안한 통합 평가 프레임워크는 침투이행성 살충제의 성능을 보다 신뢰성 있게 해석할 수 있도록 하며, 식물 내 이동에 의한 효과와 약해 또는 접촉 기반 효과를 명확히 구분할 수 있는 실험적 근거를 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Insect pests with piercing-sucking mouthparts such as aphids are difficult to control due to their concealed feeding behavior and limited exposure to foliar-applied insecticides. Systemic insecticides with internal translocation through plant tissues offer a practical alternative to contact-based approaches, which often suffer from uneven deposition and behavioral avoidance by pests. Most conventional assays for evaluating systemicity rely on indirect indicators and fail to clearly separate systemic activity from other exposure-related effects. To overcome these limitations, we developed an integrated bioassay that provides a functional separation between vascular and translaminar systemicity. A vascular sap-feeding assay was used to verify whether insecticides reach the feeding site through xylem or phloem by offering plant sap. In parallel, a translaminar gel-to-leaf assay based on κ-carrageenan ensured uniform and localized delivery of insecticides to test their ability to penetrate leaf tissues. By incorporating phytotoxicity imaging based on the Excess Green Index (ExG) and chemical residue analysis (LC–MS/MS, GC–MS/MS), we were able to separate true systemicity from superficial or edge-related exposure. Using a cucumber-cotton aphid model, neonicotinoid and pyridazine pyrazolecarboxamide insecticides showed clear vascular and/or translaminar activity, whereas organophosphate, pyrethroid, and avermectin insecticides showed limited systemic delivery under the conditions tested. Overall, this integrated framework enables more reliable interpretation of systemic insecticide performance by distinguishing vascular transport and translaminar penetration from phytotoxicity- or contact-driven effects.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Tables v
• List of Figures vi
• Introduction 7
• Materials and Methods 11
• 1. Chemicals 11
• 2. Test insects and plants 12
• 3. Bioassay 12
• 3.1. Leaf-dip bioassay 12
• 3.2. Soil-drench pot test 13
• 3.3. Vascular sap-feeding assay 14
• 3.3.1. Procedure for a vascular sap-feeding assay 14
• 3.3.2. Artificial feeding system 15
• 3.4. Translaminar gel-to-leaf assy 16
• 3.4.1. Screening of gelling agents 16
• 3.4.2. Preocedure for a translaminar gel-to-leaf assay 17
• 3.4.3. Phytotoxicity via ExG (Excess Green Index) recording 18
• 3.4.4. Confirmation of translaminar systemicity 18
• 3.4.5. Chemical analysis of translaminar movement 19
• 4. Statistical analysis 20
• Results 23
• 1. Leaf-dip bioassay 23
• 2. Soil-drench pot test 23
• 3. Vascular sap-feeding assay 24
• 4. Translaminar gel-to-leaf assay 25
• 4.1. Screening of gelling agents 25
• 4.2. Translaminar gel-to-leaf assay 25
• 4.3. Phytotoxicity via ExG recording 26
• 4.4. Confirmation of translaminar systemicity 27
• 4.5. Chemical analysis of translaminar movement 27
• Discussion 33
• Conclusions 40
• References 41
• Supplementary Materials 46
• Abstract in Korean 55