솔알락명나방(Dioryctria abietella)과 솔껍질깍지벌레(Matsucoccus matsumurae)의 더듬이 감각모 기능분석 및 성페로몬 활용 정밀모니터링 기법 개발

Abstract

본 연구는 침엽수 주요 해충인 솔알락명나방과 솔껍질깍지벌레의 감각모 미세구조를 확인하고 페로몬, 카이로몬 등 정보통신 물질의 추출, 동정 및 새로운 합성법 개발을 통하여 보다 효율적인 침엽수 산림해충 관리방안 수립에 기여하고자 수행하였다. 솔알락명나방의 더듬이 미세구조를 주사전자현미경과 투과전자현미경을 통해 관찰하였고 감각모의 형태적 특징에 따라 sensilla böhms bristles (BB), 돌기함몰형 감각기(sensilla coeloconica; SCo), 털감각기(sensilla trichodea; STr), 센털감각기(sensilla chaetica; SCh), 돌출형 감각기(sensilla styloconica; SSt), 구두주걱형 감각기(sensilla auricillica; SAu), sensilla squamiformia (SSq)등 총 7종으로 구분하였다. 이 가운데 돌기함몰형 감각기, 털감각기, 구두주걱형 감각기에서 미세구멍이 확인되어 화학적 기능을 담당할 것으로 추정되었다. 솔알락명나방 한국 개체군 암컷 페로몬샘 추출물에서 유럽 개체군의 성페로몬으로 알려진 (9Z,11E)-tetradecadienyl acetate (9,11E-14:OAc)와 (3Z,6Z,9Z,12Z,15Z)-pentacosapentaene (C25 pentaene)을 동정하였고 두 물질의 비율은 1 : 23(Ac : C25)이었다. 성페로몬 후보 물질들에 대한 솔알락명나방 더듬이의 전기생리반응(electroantennogram; EAG)을 확인한 결과, 수컷 더듬이의 경우 9Z,11E-14:OAc에 대하여 높은 반응을 보였지만, C25 pentaene에서는 반응이 확인되지 않았다. 반면 암컷 더듬이의 경우 수컷과 대조적으로 C25 pentaene에 높은 반응을 보인 반면 9Z,11E-14:OAc에 대해서는 낮은 반응을 보였다. 솔알락명나방 페로몬의 유인력을 증진시킬 수 있는 협력제의 탐색을 위하여, 2년생 잣나무 구과 휘발성분을 분석하여 8개의 주요 물질을 동정하였다. 이중 대표적 휘발성 물질인 (±)-limonene, myrcene, (-)-α-pinene에 대한 솔알락명나방 더듬이의 EAG 반응을 확인하였다. 각각의 휘발성 물질에 대한 솔알락명나방 암컷과 수컷 더듬이의 EAG 반응 크기는 물질 처리량과 용량의존 관계를 보였다. 페로몬 후보물질들의 처리 비율에 따른 야외 유인 효과를 조사한 결과 솔알락명나방 수컷은 9Z,11E-14:OAc와 C25 pentaene이 100:1000, 100:2000 및 100:3000 μg 비율로 처리된 트랩에 가장 많이 포획되었다. 주요 구과 휘발성분의 페로몬에 대한 상승효과를 확인한 결과, 9Z,11E-14:OAc ＋ C25 pentaene ＋ (±)-limonene이 처리된 트랩에 솔알락명나방 수컷이 가장 많이 유인되었다. 델타트랩, 윙트랩, 다이아몬드트랩, 버켓트랩 간 포획 능력을 조사한 결과, 버켓트랩을 제외한 모든 트랩의 유인 효과가 높게 나타났다. 주사전자현미경과 투과전자현미경을 이용하여 솔껍질깍지벌레의더듬이 미세구조를 동정한 결과 böhm's bristles, 분절간 감각기(Sensilla Intersegmental; Ins), 홈형 무공형 털 감각기(Sensilla grooved aporous trichodea; GAt), 단공형 간상 감각기(Sensilla uniporous pegs; Up), 종상 감각기(Sensilla campaniform; Ca), 다공형 간상 감각기(Sensilla multiporous pegs; Mp), 다공형 털 감각기(Sensilla multiporous trichodea; Mt), 매끈한 무공형 털감각기(Sensilla smooth aporous trichodea; SAt), 못형 강모 감각기(Sensilla knobbed seta; Ks)등 9종의 감각모가 동정되었다. 이중 다공형 간상 감각기, 단공형 간상 감각기, 다공형 털 감각기에서 미세구멍이 확인되어 화학적 기능을 담당할 것으로 추정되었다. 솔껍질깍지벌레 성페로몬인 (6R,10R/S)-matsuone의 야외 유인력 검정 결과, 처리량과 유인력 간 용량 의존적 관계가 확인되었고, 트랩을 지상부 50 cm에 설치할 경우 100 cm와 150 cm보다 더 많은 개체가 포획되었다. (-)-α-Pinene, β-pinene, (±)-limonene등 기주 유래 휘발성분 6종과 솔껍질깍지벌레의 성페로몬을 함께 처리하여 상승효과를 비교시험 하였다. 이들 물질과 솔껍질깍지벌레의 유인력 간 상승효과는 확인되지 않았으나 β-caryophyllene과 페로몬을 함께 처리할 경우 유인되는 성충의 개체수가 감소하는 것이 확인되었다. 점착시트의 색상에 따른 유인력 차이를 비교 시험한 결과, 노란색 트랩에 평균적으로 더 많은 개체가 유인되었다. 솔껍질깍지벌레 성페로몬의 현장 적용을 위해 4개의 광학이성질체로 구성된 racemic matsuone (6R/S, 10R/S)의 새로운 합성법을 개발하였고 실외 유인력 검정을 하였다. 신규 합성법으로 제조한 racemic matsuone의 유인력은 (6R,10R/S)-matsuone 대비 50%가량 낮았지만, 합성에 소요되는 시간, 노동, 비용 등을 크게 간소화하여 솔껍질깍지벌레 성페로몬 트랩을 현장에 적용할 수 있게 되었다. 솔껍질깍지벌레는 기존 2010년 조사에서 주로 해안지역을 따라 분포하는 것으로 보고되어 있다. 하지만 영상기반 객체 검출법과 본 연구를 통하여 신규 합성한 racemic matsuone을 활용하여 솔껍질깍지벌레의 전국 모니터링을 진행한 결과 164개 지역의 모든 시/군에서 분포하는 것으로 처음 확인되었다.

This study was conducted to develop an accurate monitoring method for Dioryctria abietella and Matsucoccus matsumurae, major pests in coniferous species, using sex pheromone. (9Z,11E)­tetradecadienyl acetate (9Z,11E­14:OAc) and (3Z,6Z,9Z,12Z,15Z)­pentacosapentaene (C25 pentaene), known as the sex pheromone of the European Dioryctria abietella population, were identified in the Korean D. abietella population. The ratio of 9Z,11E­14:OAc to C25 pentaene extracted from female pheromone glands was 1:23. Morphological and ultrastructure of sensilla on the antennae of D. abietella was investigated using field­emission scanning electron microscopy (FE­SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The sensilla were classified into böhms bristles (BB1, BB2), coeloconica (SCo), trichodea (STr1, STr2), chaetica (SCh1, SCh2, SCh3), styloconica (SSt1, SSt2), auricillica (SAu1, SAu2), squamiformia (SSq). Among these, micropore was founded from SCo, STr and SAu, suggesting that these three sensilla are chemoreceptors. The electroantennogram (EAG) response of male antennae to 9Z,11E­14:OAc was stronger than to C25 pentaene, whereas an opposite EAG response was observed in female antennae. Major volatile compounds in mature Korean pine cones (Pinus koraiensis), such as (±)­limonene, myrcene, and (-)­α­pinene elicited dose­dependent EAG responses in male and female antennae. In field attraction testing, traps baited with 100:1,000, 100:2,000, and 100:3,000 μg of 9Z,11E­14:OAc to C25 pentaene were the most attractive to male D. abietella. More males were attracted to traps baited with 9Z,11E­14:OAc+C25 pentaene + (±)­limonene than traps baited with 9Z,11E­14:OAc+C25 pentaene. This result showed that (±)­limonene acted as a synergist with sex pheromone. Delta, wing, and diamond traps were superior to bucket traps for capturing D. abietella males. This study showed that pheromone traps baited with 100:1,000 ∼ 100:3,000 μg of 9Z,11E­14:OAc to C25 pentaene and (±)­limonene would be helpful for the accurate monitoring of D. abietella flight phenology in Pinus koraiensis Sieb. & Zucc. (Pinales: Pinaceae) forests. Multiporous pegs (MP), Univprous pegs (Up), Campaniform (Ca), Multiporous trichod (Mt), böhms bristles (BB), Smooth aporous tricoid (SAt) and Knobbed seta (Ks) were identified from Matsucoccus matsumurae. Among these, micropore was founded from Mp, Up, and Mt, suggesting that these three sensilla are chemoreceptors. Matsuone is a well-known sex pheromone of the genus Matsucoccus (Hemiptera: Margarodidae), including the species Matsucoccus matsumurae (Kuwana), Matsucoccus resinosae Bean & Goldwin, and Matsucoccus matsumurae Miller & Park. In this study, we investigated the effects of matsuone dose and trap height on the capture of M. matsumurae and developed an alternative synthesis of racemic matsuone. In field trapping experiments, M. matsumurae males showed dose­dependent attraction to (6R,10R/S)­matsuone from 100 μg up to an approximate saturation level of 1,600 μg per rubber septum lure. Traps baited with (6R,10R/S)­matsuone and installed 50 cm above ground level attracted more males than traps 100 and 150 cm above ground level. No synergistic effect of volatiles from host plant, β­caryophyllene, myrecene, 3­carene, (-)­α­pinene, β­pinene and (±)­limonene, were shown for attraction of M. matsumurae. However, fewer males were attracted to the eight­sided sticky trap baited with β­caryophyllene with sex pheromone. In a comparison test of attractiveness for male M. matsumurae according to trap colors, yellow, blue, green, and white, more males were attracted to the eight­sided sticky trap with yellow. New synthetic routes of racemic matsuone were developed, and field experiments with the product were conducted to reduce synthesis procedures, time, and labor. Although traps baited with the racemic matsuone were less attractive than traps baited with (6R,10R/S)­matsuone synthesized by a previously reported method, the new synthetic route could be an economically favorable alternative to the previous method used in the production of lures for field application. Nationwide monitoring of M. matsumurae was conducted using newly synthesis method of racemic matsuone, an eight­sided sticky trap, and automatic pest counting using deep­learning object detectors. In the previous survey in 2010, the distribution of M. matsumurae was verified mainly along the coastal area. However, the current distribution range was greatly expanded, and the distribution was confirmed in all cities and provinces of Korea.