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문제 정의
- 2번 파형은 non penetration으로 구침의 활동이 없을 때 나오는 파형으로, 표시된 부분은 구침을 찌르긴 하였지만, 구침활동이 일어나지 않아 전압의 변화가 없는 상태를 기록하고 있는데 이는 섭식행동이 일어나지 않았음을 보여준다. EPG를 이용한 섭식파형은 진딧물에서 5가지 패턴을 보여주고(Tjallingii, 1978, 1985; Kimmins et al., 1987) 멸구류는 6가지(Kim et al., 2005; Youn and Chang, 1993), 담배가루이는 7가지 패턴(Lei et al., 1996; Lei et al., 1999; Jiang et al., 1999; Yang et al., 2009)으로 분석되었으나, 본 실험에서는 보고된 곤충들의 섭식파형을 참고하여 꽃매미의 섭식에 중요한 4가지 파형을 분류하여 섭식여부를 알아보고자 하였다.
- 본 연구에서는 7종 식물에 대한 꽃매미의 섭식행동 차이를 분석하고 각 식물의 당 성분이 기주선택에 미치는 영향을 연구하여 방제에 기초자료를 제공하고자 한다.
- Mitsuhashi and Koyama (1969)는 당 성분을 혼합하여 벼멸구의 생존율을 보았는데 glucose와 fructose를 혼합하였을 경우 glucose 단독 처리시 보다 생존율이 낮아졌으며, sucrose와 maltose를 혼합하였을 경우 혼합양에 따라 생존율이 달라졌다고 하였다. 본 연구에서는 당을 중심으로 섭식자극물질을 연구하였다. 하지만 당 이외의 성분에 대해서도 연구가 필요하다.
가설 설정
- 꽃매미 또한 자기가 원하는 기주를 찾아가는데 이런 휘발성물질을 감지했을 거라 생각된다. 분명 기주와 비기주식물이 방출하는 휘발성 물질은 다를 것이다. 이런 물질에 대한 꽃매미의 반응은 아직 연구되어 있지 않지만, 꽃매미를 식물로 유도하거나 기피시키는데 중요한 역할을 했을 것이다.
제안 방법
- 7종 식물의 가지(가죽나무, 포도나무, 사과나무, 배나무, 무궁화나무, 소나무, 복숭아나무)를 일정 길이로(30 cm) 자른 후 시들지 않게 물이 든 유리병에 꽂은 후 사육용 상자(40×40×40 cm)안에 일정한 간격으로 배치를 다르게 하였다.
- 꽃매미에 연결된 금선을 Giga-8 DC EPG amplifier에 연결하고 꽃매미는 식물가지 위에 올려놓았으며, 6시간동안 기록하였다. EPG신호는 PC에 기록되고 그 결과는 STYLET 3.8 program으로 분석하였으며(Tjallingii and Mayoral, 1992), 모든 실험은 노이즈를 최소화하기 위해 구리망으로 차단된 Faraday cage 안에서 수행하였다. EPG에 기록된 전기적인 패턴을 바탕으로 파형을 분류하고 각각의 파형 발생시간을 측정하였다.
- 8 program으로 분석하였으며(Tjallingii and Mayoral, 1992), 모든 실험은 노이즈를 최소화하기 위해 구리망으로 차단된 Faraday cage 안에서 수행하였다. EPG에 기록된 전기적인 패턴을 바탕으로 파형을 분류하고 각각의 파형 발생시간을 측정하였다. 각 수종별로 10회 반복하였으며, 모든 data는 실험 시작 후 6시간 동안 측정한 것으로 분석하였다.
- HPLC로 분석한 당 성분의 표준품을 증류수로 희석하여 5, 1, 0.1%용액을 만들고, 각 식물별로 분석된 당 성분의 함량비로 혼합하여 10, 5%용액을 만들었다. 용액을 이용한 생물검정을 위해 parafilm membrane (parafilm M, USA)을 사용하였다(Mittler and dadd, 1962).
- petridish (∅: 9cm, h: 0.6mm)에 각 용액을 가득 채운 후 Mitsuhashi and Koyamar (1969)가 이용했던 방법을 응용하여 parafilm membrane을 손으로 일정한 두께로 잡아당겨 늘인 후 용액의 표면적을 감쌌다.
- 가죽나무, 포도나무, 사과나무, 배나무, 무궁화나무가지를 1kg을 준비하여 절단하여 methanol에 3일간 침지시켜 추출한 후 농축기로 농축시켰다. 각 농축된 추출물 20g을 증류수 800 ml에 녹인 후 분액여두에 넣고 hexane 800 ml를 넣어 충분히 흔들어 hexane층을 분리하였다.
- 꽃매미는 체관부와 물관부를 섭식하는 곤충이다. 각 식물별 약충과 성충의 파형에 대한 공통적인 파형을 분류하였고, 실험자가 꽃매미의 구침 활동을 관찰하여 non-penetration 파형과 pathway phase 파형을 구분하였다. 약충의 파형 분석에서 체관부와 물관부섭식으로 생각된 파형은 가죽나무와 포도나무에서만 관찰되어 섭식 관련 파형으로 판단하였다.
- 약충과 성충을 접종하고 뚜껑을 닫은 후 온도 25±2℃, 상대습도 50∼60%, 광주기 16L : 8D조건의 사육실로 옮겨 생존기간을 조사하였다. 각 실험은 3반복으로 하였다. 실험결과의 분석은 Tukey’s studentized range test로 하였다(SAS Institute, 2003).
- 45 ㎛ hydrophlic 필터로 여과하였고, HPLC 로 분석하기 전 보존용액 : 시료 = 10 : 1 로 재희석 후 분석에 사용하였다. 검출된 peak의 retention time과 당 표준품 retention time을 비교하여 당 성분을 동정하였다. 그리고 peak의 면적을 계산하여 각 식물에 존재하는 당 성분의 비율을 분석하였다.
- 검출된 peak의 retention time과 당 표준품 retention time을 비교하여 당 성분을 동정하였다. 그리고 peak의 면적을 계산하여 각 식물에 존재하는 당 성분의 비율을 분석하였다. 실험에 사용한 rhamnose, fructose, glucose, sucrose, maltose 표준물질은 Sigma(St.
- 꽃매미 약충과 성충을 접종한 후, 온도 25±2℃, 상대습도 50∼60%, 광주기 16L : 8D조건이 일정하게 유지되는 사육실로 옮겨 일정시간 간격으로각 식물에 붙어있는 꽃매미의 수를 기록하였다.
- 실내 사육조건은 25±2℃, 상대습도 50∼60%, 광주기 16L : 8D로 유지하였고, 매일 유리병의 물을 새로이 공급하였고, 가지는 마르기 전에 수시로 교체하였다. 모든 실험은 3반복으로 하였다.
- 사육용 상자(28×28×28 cm)에 각 식물의 가지와 열매를 넣은 다음, 꽃매미 3령 약충과 성충을 접종하여 생존기간을 기록하였고, 약충은 탈피율도 조사하였다.
- 실내 사육조건은 25±2℃, 상대습도 50∼60%, 광주기 16L : 8D로 유지하였고, 매일 유리병의 물을 새로이 공급하였고, 가지는 마르기 전에 수시로 교체하였다.
- 앞서 실험에서 각 당 성분만을 가지고 생물검정을 하였으나 당 성분들이 서로 혼합되었을 때 꽃매미의 생존 기간에 어떤 영향을 미치는지 알아보고자 각 당 성분들의 함량대로 혼합하여 생물검정을 해보았다(Table 4). 약충의 경우 F+G+S(가죽나무) 10%용액에서 13.
- 약충과 성충을 접종하고 뚜껑을 닫은 후 온도 25±2℃, 상대습도 50∼60%, 광주기 16L : 8D조건의 사육실로 옮겨 생존기간을 조사하였다.
- 각 식물별 약충과 성충의 파형에 대한 공통적인 파형을 분류하였고, 실험자가 꽃매미의 구침 활동을 관찰하여 non-penetration 파형과 pathway phase 파형을 구분하였다. 약충의 파형 분석에서 체관부와 물관부섭식으로 생각된 파형은 가죽나무와 포도나무에서만 관찰되어 섭식 관련 파형으로 판단하였다. 이 파형들은 성충의 파형분석에서도 유일하게 가죽나무와 포도나무에서만 기록된 파형으로 섭식에 중요한 파형일거라 생각되어, 다른 매미목 곤충의 파형분석의 패턴과 비교해본 결과, 체관부 섭식파형 일 것이라 판단하였고, 다른 또 하나의 파형은 물관부 섭식파형 일 것이라 판단하였다.
- 물관부 파형과 체관부 섭식 파형이 존재할 때 꽃매미의 기주임을 판단할 수 있다. 이 처럼 EPG를 이용하여 꽃매미의 7종 식물에 대한 실질적인 섭식여부를 알 수 있었다. 선호도와 생존기간에서의 결과와 종합적으로 볼 때 꽃매미는 생존을 위한 기주로써 가죽나무와 포도나무를 선택하며, 사과나무, 배나무, 무궁화나무, 복숭아나무, 소나무는 기주로서 부적합하다.
- 꽃매미 약충과 성충의 탐침행동과 섭식행동을 조사하기 위해 Tjallingii (1988)의 DC system을 이용하여 섭식파형을 기록하였다. 전도성 페인트(Silver conductive paint, RS, 101-5621, UK)를 이용하여 직경 100㎛, 길이 5cm인 금선(Goodfellow, UK)을 꽃매미의 등쪽가슴 중앙에 부착하였다. 꽃매미에 연결된 금선을 Giga-8 DC EPG amplifier에 연결하고 꽃매미는 식물가지 위에 올려놓았으며, 6시간동안 기록하였다.
대상 데이터
- 꽃매미(Lycorma delicatula)는 2009년 충북대학교와 인근의 가죽나무에서 2∼4령 약충을 채집하여 온도 25±2℃, 상대습도 50∼60%, 광주기 16L : 8D 조건에서 가죽나무를 기주로 하여 사육용 상자(27×30×46 cm)에서 사육하면서 탈피한지 24시간이내의 3령약충과 암컷성충을 실험에 사용하였다.
- 꽃매미 약충과 성충을 접종한 후, 온도 25±2℃, 상대습도 50∼60%, 광주기 16L : 8D조건이 일정하게 유지되는 사육실로 옮겨 일정시간 간격으로각 식물에 붙어있는 꽃매미의 수를 기록하였다. 생존기간 비교는 7종 식물의 가지를 일정 길이로(20 cm) 자른 후 유리병에 꽂아 준비하였고, 3종 열매를 cage당 각 20개씩 준비하였다. 사육용 상자(28×28×28 cm)에 각 식물의 가지와 열매를 넣은 다음, 꽃매미 3령 약충과 성충을 접종하여 생존기간을 기록하였고, 약충은 탈피율도 조사하였다.
- 실험에 사용한 rhamnose, fructose, glucose, sucrose, maltose 표준물질은 Sigma(St. Louis, MO, USA)제품, HPLC용 acetonitrile은 Burdick & Jackson(USA)의 제품을 사용하였다.
- 암수는 꽃매미의 복부 끝에 있는 붉은색 산란관의 유무로 구별하였다. 실험에는 가죽나무와 포도나무, 사과나무, 배나무, 무궁화나무, 소나무, 복숭아나무를 사용하였다(Table 1). 이들은 모두 충북대학교 내 부속농장과 그 주변에서 재배된 무농약 나무로, 건전한 가지와 열매를 실험에 사용하였다.
- 약충은 암수구별 없이 사용하였고 성충은 암컷만을 사용하였다. 암수는 꽃매미의 복부 끝에 있는 붉은색 산란관의 유무로 구별하였다. 실험에는 가죽나무와 포도나무, 사과나무, 배나무, 무궁화나무, 소나무, 복숭아나무를 사용하였다(Table 1).
- 꽃매미(Lycorma delicatula)는 2009년 충북대학교와 인근의 가죽나무에서 2∼4령 약충을 채집하여 온도 25±2℃, 상대습도 50∼60%, 광주기 16L : 8D 조건에서 가죽나무를 기주로 하여 사육용 상자(27×30×46 cm)에서 사육하면서 탈피한지 24시간이내의 3령약충과 암컷성충을 실험에 사용하였다. 약충은 암수구별 없이 사용하였고 성충은 암컷만을 사용하였다. 암수는 꽃매미의 복부 끝에 있는 붉은색 산란관의 유무로 구별하였다.
- 실험에는 가죽나무와 포도나무, 사과나무, 배나무, 무궁화나무, 소나무, 복숭아나무를 사용하였다(Table 1). 이들은 모두 충북대학교 내 부속농장과 그 주변에서 재배된 무농약 나무로, 건전한 가지와 열매를 실험에 사용하였다.
데이터처리
- 각 식물별 꽃매미의 섭식행동 차이는 Tukey’s Studentized Range Test로 검정하였다(SAS Institute, 2003).
- 실험결과의 분석은 Tukey’s studentized range test로 하였다(SAS Institute, 2003).
이론/모형
- 꽃매미 약충과 성충의 탐침행동과 섭식행동을 조사하기 위해 Tjallingii (1988)의 DC system을 이용하여 섭식파형을 기록하였다. 전도성 페인트(Silver conductive paint, RS, 101-5621, UK)를 이용하여 직경 100㎛, 길이 5cm인 금선(Goodfellow, UK)을 꽃매미의 등쪽가슴 중앙에 부착하였다.
- 1%용액을 만들고, 각 식물별로 분석된 당 성분의 함량비로 혼합하여 10, 5%용액을 만들었다. 용액을 이용한 생물검정을 위해 parafilm membrane (parafilm M, USA)을 사용하였다(Mittler and dadd, 1962). petridish (∅: 9cm, h: 0.
성능/효과
- 7종 식물에 대한 꽃매미 약충과 성충에 대한 섭식행동 분석 결과(Table 3), non penetration이 각 식물에 대해서 큰 차이를 보였다. 꽃매미 약충과 성충은 가죽나무에서 242.
- 꽃매미 약충 및 성충에 대한 가죽나무, 포도나무, 사과나무, 배나무, 복숭아나무, 무궁화나무, 소나무에 대한 선호도 조사를 한 결과, 가죽나무를 가장 선호하며, 그 다음이 포도나무였다. 그 외에 다른 식물은 선호도가 낮았다(Fig.
- 사과나무에는 glucose > fructose, 배나무에는 glucose > unkown > fructose, 무궁화나무에는 sucrose > glucose 순으로 당 성분이 존재하였다(Table 4). 꽃매미가 선호하며 섭식을 잘하는 가죽나무와 포도나무에는 sucrose와 fructose가 같이 존재하는 것을 알 수 있었다. 특히 포도나무에는 sucrose와 fructose외에 다른 당 성분들도 존재하였다.
- 이처럼 먹이 식물이 곤충에 미치는 영향은 크며, 기주가 아닌 식물에서는 생존할 수가 없다. 꽃매미도 가죽나무와 포도나무에서는 생존기간이 길었지만, 다른 식물에서는 생존기간이 짧았다. 꽃매미가 4령으로 탈피 시, 가죽나무와 포도나무에서 각각 63.
- 1%, 1%농도까지 10일 이상의 수명을 보였으며, fructose용액은 1%농도까지 10일이상의 수명을 나타냈다. 대체적으로 당액의 농도가 낮아질수록 수명이 줄어드는 경향을 보였다. 또한 sucrose 5%용액을 섭식한 3령 약충이 4령으로 탈피하는 비율은 73.
- 대체적으로 당액의 농도가 낮아질수록 수명이 줄어드는 경향을 보였다. 또한 sucrose 5%용액을 섭식한 3령 약충이 4령으로 탈피하는 비율은 73.3%로 가장 높았으며 fructose 5% 용액을 섭식한 경우는 66.6%의 탈피율을 나타내었다. 나머지 당 성분을 섭식한 약충은 탈피할 때까지 생존하지 못하였다.
- 6분으로 다른 5종의 식물보다 짧게 나타났다. 또한, 꽃매미의 실질적인 섭식파형인 체관부 섭식파형에서 큰 차이를 보여주었다. 꽃매미 약충과 성충은 가죽나무에서 45.
- 본 실험에서 가죽나무, 포도나무, 복숭아나무는 약충과 성충 모두 20분이상의 물관부 섭식파형(G)을 보여주고 있으며 사과나무, 배나무, 무궁화나무는 약충에서 최대 9분으로 나타났으나, 성충은 15분 이상의 물관부 파형을 보여주고 있다. 그러나 소나무에서는 약충과 성충 모두 물관부 파형이 나타나지 않았다(Table 3).
- 꽃매미도 sucrose용액에서 생존기간이 가장 길었다. 본 실험에서는 sucrose용액 다음으로 fructose용액의 생존기간이 길었고 glucose용액은 낮은 생존기간을 나타내었다. 이는 곤충마다 필요로 하는 성분이 다르기 때문이라 생각되며 곤충이 살아가는데 당 성분이 영향을 미치는 것으로 생각된다.
- 약충과 성충 모두 가죽나무와 포도나무간에 생존기간의 차이는 있었으나 유의성은 없었다. 사과나무, 배나무, 소나무, 무궁화나무, 복숭아나무간에 생존기간은 유의성이 없었으며, 가죽나무와 포도나무와 비교하여 유의성이 있었다. Jung and Im.
- 이 처럼 EPG를 이용하여 꽃매미의 7종 식물에 대한 실질적인 섭식여부를 알 수 있었다. 선호도와 생존기간에서의 결과와 종합적으로 볼 때 꽃매미는 생존을 위한 기주로써 가죽나무와 포도나무를 선택하며, 사과나무, 배나무, 무궁화나무, 복숭아나무, 소나무는 기주로서 부적합하다.
- 가죽나무에는 sucrose의 함량이 가장 많으며 frucrose 또한 존재하고, 포도나무에도 fructose의 함량이 많으며 sucrose 또한 존재한다. 실험결과로 볼 때, 꽃매미가 살아가는데 sucrose와 fructose가 큰 영향을 미치며 섭식자극에 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. Onagbola et al.
- 8일을 생존하였다. 약충의 탈피율은 F+G+S(가죽나무) 10%용액에서 60.0%, 5%용액에서 66.7%였으며, R+F+G+S+M(포도나무) 10%용액에서 66.7%, 5% 용액에서 60%를 나타내었다. 반면에 다른 식물의 당 조합에서는 탈피하는 개체가 없었다.
- 약충의 파형 분석에서 체관부와 물관부섭식으로 생각된 파형은 가죽나무와 포도나무에서만 관찰되어 섭식 관련 파형으로 판단하였다. 이 파형들은 성충의 파형분석에서도 유일하게 가죽나무와 포도나무에서만 기록된 파형으로 섭식에 중요한 파형일거라 생각되어, 다른 매미목 곤충의 파형분석의 패턴과 비교해본 결과, 체관부 섭식파형 일 것이라 판단하였고, 다른 또 하나의 파형은 물관부 섭식파형 일 것이라 판단하였다. 4가지 유형으로 분류된 파형은 Fig.
- 7종 식물과 3종 열매에 대한 약충과 암컷 성충의 생존기간과 탈피율을 조사한 결과는 Table 2와 같이 나타났다. 탈피후 24시간 이내의 3령부터 사망까지 생존기간을 조사한 결과, 가죽나무와 포도나무가 각 15.0일, 15.4일로 가장 길었고, 사과나무와 배나무, 무궁화나무, 복숭아나무가 6일 이내, 소나무가 5일 이내였으며, 3종의 열매에서는 모두 2일 이내로 짧은 생존기간을 보였다. 성충도 7종 식물에 대한 생존기간은 가죽나무 6.
- 무궁화나무의 경우 glucose도 존재하지만 sucrose 또한 존재하고 있다. 하지만 당 성분을 함량대로 조합하여 생물검정을 한 결과에서 무궁화는 sucrose가 존재하지만 꽃매미의 수명은 가장 짧았다. 이는 당 성분간에 혼합되었을 경우 서로간에 영향을 받는 것으로 생각된다.
후속연구
- 꽃매미의 기주범위를 파악할 뿐만 아니라, 가해를 받을 가능성이 있는 작물을 미리 알아내어 예방하기 위한 기초 자료로서 우선적으로 섭식행동에 관한 연구가 필요하다. 흡즙형 곤충의 섭식행동은 주로 EPG(Eletrical Penetration Graph)기술을 이용해서 분석을 하게 된다 (McLean and Kinsey, 1967; Kim et al.
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