합성 살충제는 화학적으로 합성된 살충성분을 기반으로 한 제제로, 강력하고 신속한 효과와 편리한 사용성으로 인해 농업 환경뿐만 아니라 산림, 도시, 저장시설 등 인간 생활과 밀접한 다양한 환경에서 오랜 기간 사용되어 왔다. 그러나 인축 및 환경 에 대한 독성 문제가 지속됨에 따라 유럽연합(EU)에서는 2030 년까지 화학 살충제 사용을 50% 감축하는 것을 목표로 관련 법 률을 제정하였다(Schneider et al., 2023). 또한, 합성 살충제의 반복적인 사용은 배추좀나방(Plutella xylostella), 담배가루이 (Bemisia tabaci), 점박이응애(Tetranychus urticae), 복숭아혹 진딧물(Myzus persicae) 등 다양한 주요 농업 해충에서 광범위 한 약제 저항성을 유발하는 것으로 다수의 선행 연구에서 보고 되고 있다(Troczka et al., 2012;Khalid et al., 2021;Kim et al., 2024;Moon et al., 2024;Cao et al., 2025). 이러한 문제를 해결 하기 위해 신규 살충제의 개발이 요구되며, 합성 살충제의 저항 성 문제를 극복하는 동시에 독성학적으로 보다 안전한 대체 물 질의 탐색 및 효능 평가가 중요한 연구 과제로 부각되고 있다.

합성 살충제의 대체물질로는 식물, 박테리아, 균류, 동물 및 일부 미네랄 등 천연 자원에서 유래한 생물학적 활성 화합물이 대표적으로 제시되고 있다(Khursheed et al., 2022). 이 중, 식물 추출물, 특히 식물정유는 유망한 대체제로 간주되며, 파리목, 나 비목, 딱정벌레목 등 다양한 해충에 대해 강력한 살충 활성을 나 타낸다는 연구 결과가 다수 보고되어 있다(Khater et al., 2019;Liu et al., 2021;Garrido-Miranda et al., 2022). 식물 정유는 뛰 어난 방제 효과 이외에도 낮은 인축 및 환경독성, 빠른 분해율, 낮은 환경 잔류성 등으로 인해 친환경적인 대안으로 여겨지고 있다. 특히 약 20~60 가지의 다양한 물질로 구성되어 있어 단일 작용점에 의존하지 않으며, 그로 인해 해충의 저항성 발달 가능 성이 낮다는 점에서 주목받고 있다(Bakkali et al., 2008). 그러 나, 동일한 식물 정유라 하더라도 재배환경, 수확 단계, 추출 부 위 및 추출 방법 등에 따라 주성분의 함량 및 조성이 달라져 일관 된 살충효과를 기대하기 어렵다는 한계점도 있다(Bakkali et al., 2008;Yoon and Tak. 2024).

식물정유를 구성하는 화합물은 대사 경로 및 화학 구조에 따 라 모노터페노이드(monoterpenoids), 세스퀴테르페노이드(sesquiterpenoids), 페닐프로파노이드(phenylpropanoids) 등으로 분류된다. 식물 정유의 활성 물질은 주로 휘발성이며 기피 및 살 충 효과 외에도 곤충에 대한 세포독성 유발, 해독효소 활성 조절, 신경 수용체 자극 등 다양한 생리적 효과를 나타내는 것이 확인 되었다(Bakkali et al., 2008;Jyotsna et al., 2024). 특히, 페닐프 로파노이드 계열의 trans-cinnamaldehyde와 trans-anethole은 일 부 연구에서 모노터페노이드 보다 우수한 살충활성을 나타내는 것으로 보고되었으며(Cheng et al., 2004;Dias et al., 2019), 이 러한 특성으로 인해 본 연구의 주요 시험물질로 선정되었다.

Trans-cinnamaldehyde (C₆H₅-CH=CH-CHO)는 벤젠 고리 에 알데하이드기(-CHO)를, trans-anethole (C₆H₄-OCH₃-CH= CH-CH₃)은 메톡시기(-OCH₃)와 프로페닐기(-CH=CH–CH₃) 를 작용기로 가지고 있으며, 이러한 구조적 특성은 생체 내 효소 나 수용체와의 결합에 비교적 안정적으로 작용할 수 있을 것으 로 판단된다(Lu et al., 2020;Jaramillo Jimenez et al., 2024). 이 러한 단일 물질의 화학적 조성과 작용기의 차이는 해독 효소와 의 결합력, 대사경로, 나아가 저항성 발달 가능성에 영향을 미치 는 주요 요인으로 작용할 수 있다(Campos et al., 2019). 실제로, Feng and Isman (1995)의 연구에서는 특정 단일물질을 반복적 으로 처리할 경우 저항성이 발달할 수 있음을 보고한 바 있으며, 이를 바탕으로 서로 다른 작용기를 가진 trans-cinnamaldehyde 와 trans-anethole은 저항성 발달 양상에서도 차이를 보일 것으 로 예상하였다. 이에 본 연구에서는 합성 살충제의 대체 물질로 활용 가능성이 있는 두 화합물을 대상으로 각각의 선택압 조건 에서 저항성 발달 여부와 그에 따른 곤충의 생리적 반응 차이를 비교, 분석하였다.

재료 및 방법

화합물

평가 시료인 trans-anethole (>98%)과 trans-cinnamaldehyde (99%)는 각각 TCI (Tokyo, Japan)와 Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)에서 구매하였다.

시험곤충

본 연구에서는 살충제 감수성인 Canton-S 계통 노랑초파리 (Drosophila melanogaster, Bloomington Drosophila stock center, Indiana University, IN, USA)를 사용하였다. 초파리용 배지(Formula 4-24® Instant Drosophila Medium, Carolina Biological Supply Company, Burlington, NC, USA)와 활성 건 조 이스트(Fleischmann’s® Active Dry Yeast, ACH Food Companies, Inc., USA)를 사료로 급여하여 배양 바이알(Ø25 × 95 mm)에 넣고 사육하였다. 모든 사육은 온도 21 ± 2°C, 상대습도 55 ± 5%, 광주기 14:10 (L:D)의 조건에서 수행하였다.

저항성 계통 유도

저항성을 유도하기 위해 노랑초파리 암컷 성충을 대상으로 국소처리방법(topical application)을 이용해 선택압을 가하였 다. 각 세대별로 용량-의존적 반응을 평가하여 동일한 생리학적 수준의 압력(LD₂₀ 또는 LD₅₀)을 10세대까지 가하여 무작위 돌 연변이를 유도하였다. 화합물 처리 후 생존한 암컷은 동일 세대 의 수컷과 교배시켜 다음 세대를 얻었다. 각 계통의 명명은 처리 화합물의 종류와 적용된 선택압 농도를 기준으로 구분하였다. Trans-cinnamaldehyde 처리군은 매 세대 산출한 LD₂₀ 및 LD₅₀ 값을 기준으로 선택압을 가하여 각각 C₂₀ (trans-cinnamaldehyde LD₂₀-selected strain), C₅₀ (trans-cinnamaldehyde LD₅₀-selected strain)으로 구분하였다. Trans-anethole 처리군은 매 세대 LD₅₀ 을 기준으로 선택압을 적용하였으며, 해당 조건에서 확립된 계 통을 A₅₀ (trans-anethole LD₅₀-selected strain)으로 명명하였 다. 연구를 진행하는 과정에서 C₂₀ 계통의 F7, C₅₀ 및 A₅₀ 계통의 F6 세대에서는 반수치사농도를 확보하기 위한 충분한 개체수 가 확보되지 않아 부득이하게 해당 단계에서는 별도의 생물검 정을 실시하지 않고 후속 세대로 계대사육을 실시하였다.

생물검정법

모든 생물검정은 국소처리방법(topical application)으로 진 행하였다. 사육용기에 몇 초 동안 이산화탄소를 주입시켜 모든 개체를 기절시킨 후 암컷 성충 10개체를 골라 칠플레이트 위에 올려 둔 유리 페트리디시로 옮겨주었다. 아세톤을 용매로 사용 하여 농도별로 희석한 시험용액을 반복 분사기를 부착한 국소 도포용 시린지(Hamilton, Reno, NV, USA)를 사용하여 암컷 성 충의 가슴 등판에 0.2 μL씩 도포하였다. 시험용액이 처리된 개 체들을 유리 시험관(Ø30 × 200 mm)에 투입하고 입구를 설탕물 1 mL로 적셔진 코튼볼로 막아 보관하였다. 24시간이 경과한 후 생존 및 사망 개체 수를 확인하고, probit 분석을 통해 반수치사 농도(LD₅₀)를 계산하였다. 저항성 비율(Resistance Ratio, RR) 은 감수성 계통(F0)의 LD₅₀ 값을 각 세대별 LD₅₀ 값으로 나누어 산출하였다. 반수치사 농도는 매 세대마다 측정하였으며, 모든 실험은 최소 3회 이상 반복하였다.

해독효소 활성 측정

10세대 동안 선택압을 부여한 계통의 해독효소 활성도를 평 가하기 위해, 3가지 주요 살충제 저항성 발달에 관여하는 효소 인 cytochrome P450s, esterase, glutathione S-transferase (GST) 의 활성을 측정하였다(Yoon and Tak, 2023). 머리를 제거한 초 파리 암컷 성충 25마리에 0.1M tris-HCl buffer 용액(pH 8.0) 0.5 mL와 bead beater 2개를 첨가한 후 bead-beating homogenizer (Minilys, Bertin Instrument, Paris, France)를 사용하여 1분 동 안 분쇄하였다. 분쇄액은 10,000 × g로 4°C에서 30분간 원심분 리한 후, 시린지 필터(Ø30 mm, 5.0 μm)를 이용하여 상등액만 추출하여 실험에 사용하였다. 단백질 농도는 Bradford (1976) 의 방법을 따라 Bovine serum albumin (BSA)을 표준용액으로 사용하여 595 nm에서 흡광도를 측정하고 정량하였다.

Esterase의 활성을 측정하기 위해, 96-well plate의 각 well에 상등액 20 μL에 1-Naphtyl acetate (0.3 mM) 용액 200 μL을 분 주하고 15분간 상온에서 incubation을 진행하였다. 이후 fast blue stain 용액(1% fast blue salt + 5% sodium lauryl sulphate)을 50 μL 첨가하고 15분간 상온에서 incubation을 진행한 뒤, 570 nm 에서 흡광도를 측정하였다. Esterase 억제제인 triphenyl phosphate (TPP)를 최종 농도가 500 μM이 되도록 각 well에 1 μL씩 첨가 하였다. 표준곡선은 1-Naphtol 220 μL에 stain 50 μL가 첨가된 용액을 사용하여 확립하였다.

GSTs 활성 측정을 위해 각 well에 상등액 50 μL씩을 분주한 후, tris-HCl buffer (0.1 M) 146 μL와 reduced glutathione (0.2 M) 및 1-chloro-2,4-nitrobenzene (0.1 M)을 각 2 μL씩 첨가하 였다. 그 후, 340 nm에서 30초 간격으로 20분간 흡광도 변화를 측정하여 활성을 조사하였다. GST 억제제인 diethyl maleate (DEM)는 각 well에 1 μL씩 첨가하였으며, 최종 농도는 0.5% (v/v)가 되도록 하였다.

Multiple functional oxidization (MFO) 활성을 측정하기 위 해, 각 well에 상등액 100 μL, tris-HCl buffer 83.8 μL, reduced NADPH (54 mM) 3.7 μL, 7-ethoxycoumarin (10 mM) 1 μL를 분주하고 27°C의 암조건에서 45분간 반응시켰다. 그 후, oxidized glutathione (100 mM) 10 μL과 glutathione reductase (1.0 U) 1.5 μL을 추가로 첨가하여 37°C의 암조건 하에서 1시간 동안 incubation을 진행한 뒤, 390 nm의 excitation 파장으로 465 nm 에서의 형광값을 측정하였다. MFO 억제제인 piperonyl butoxide (PBO)는 각 well에 1 μL씩 첨가하였으며, PBO의 최종 농도는 500 μM이었다.

Fitness cost 측정

10세대 동안 선택압을 부여한 계통의 fitness cost를 평가하 기 위해 Lee (2015)의 방법을 참고하여 실험을 수행하였다. 막 우화한 10세대 초파리 성충을 암수 각각 10마리씩 바이알로 옮 긴 후 72시간 동안 교배를 진행하였다. 교배 후, 파란색 식용색 소로 염색된 배지가 담긴 새로운 바이알로 성충 20마리를 마취 없이 옮겨 24시간 동안 산란을 유도하였다. 이후 성충을 매일 새 로운 바이알로 옮기고, 각 바이알에 산란된 알의 수를 24시간 간 격으로 측정하였다. 이 과정을 총 15일 동안 반복하였으며 1~7 일차에는 산란된 알의 수만 측정하였고, 8~15일 차에는 알의 수 를 확인한 후 새 배지가 담긴 바이알에 80개씩 알을 선별하여 옮 겨주었다. 이후 해당 알에서 유충이 우화하여 성충에 이르기까 지의 유충 생존율, 용화율, 성충 우화율, 암수 비율 및 성충 체중 을 측정하였다. 모든 실험은 계통당 3반복으로 수행되었으며, 실험 기간 동안 모든 바이알은 온도 21 ± 2°C, 상대습도 55 ± 5%, 광주기 14:10(L:D)의 조건에 보관하였다.

통계분석

세대별 약제 감수성 평가는 약제 처리 후 24시간 시점에서의 치사율을 기반으로 반수치사농도(Median lethal dose, LD₅₀)를 Probit 분석을 통해 산출하였다. 계통 간 해독효소 활성 및 fitness cost의 차이는 Student t-test를 통해 통계적 유의성을 검증하였 으며, 유의수준은 p = 0.05로 설정하였다. 모든 통계분석은 SPSS 통계 프로그램(IBM Corp., Armonk, NY, USA)을 이용하여 수 행하였다.

결과

각 계통의 세대별 저항성비 변화

감수성 계통(F0) 및 선택압 부여 계통(F1~F10)의 2종의 평가 물질(trans-anethole, trans-cinnamaldehyde)에 대한 감수성을 국소처리법을 이용하여 평가하였으며, 세대별 저항성비를 조사 하였다.

평가물질인 trans-cinnamaldehyde를 상대적으로 낮은 선택 압으로 도태시킨 C₂₀ 계통의 저항성비는 1세대부터 4세대까지 1.35에서 2.34로 점차 증가하였으며, 5세대부터 7세대까지는 1.14로 일시적으로 감소하였다가 9세대에서 다시 2.33으로 증 가하였다. 반수치사량의 95% 신뢰한계(confidence limit) 구간 을 기준으로 하였을 때, F4(6357.4–7495.9 ng/mg B.W.), F8 (4448.0–5220.3 ng/mg), F9(6168.3–7655.8 ng/mg), F10 (5338.1–7889.5 ng/mg)의 4개 세대에서 감수성 계통(F0, 1384.8 –3800.9 ng/mg)과 통계적 유의성을 나타냈다(Table 1).

동일한 물질에 대해 상대적으로 높은 선택압을 제공한 C₅₀ 계 통 역시 유사한 변동 양상을 보였다. 10세대 동안 저항성비가 1.19에서 2.51 사이로 변동하였고, 가장 높은 저항성비는 9세대 에서 관찰되었다. 반수치사량의 95% 신뢰한계 구간을 기준으 로, C₅₀ 계통은 감수성 계통(F0, 1384.8–3800.9 ng/mg)에 비해 F3(6000.0–7503.2 ng/mg), F4(4000.8–5763.6 ng/mg), F7 (5268.2–6146.6 ng/mg), F8(5605.2–8047.8 ng/mg), F9(6741.0 –8161.5 ng/mg), F10(5395.1–6258.4 ng/mg)의 6세대에서 차이를 보였다(Table 1).

한편, trans-anethole 선택군의 경우에는 LD₅₀ 농도 수준으로 선택압을 부여하였음에도 불구하고 전 세대에 걸쳐 저항성비가 0.77에서 1.35 수준으로 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 감수성 계통(F0, 1886.0–2331.0)에 비해 F3(2380.3–3121.9), F9(2594.1–2916.9), F10(2578.8–3153.1)의 3세대에서 약간 의 독성 차이를 보였다(Table 1).

선택압 부여 계통별 해독효소 활성

물질 종류에 따라 저항성 발달 양상이 뚜렷한 차이를 나타남 에 따라, 주요한 살충제 저항성 발달 관여 효소인 esterase, GSTs, P450s를 대상으로 활성 수준을 비교해 보았다. 감수성인 F0 계 통(S)과 선택압 부여 계통 간 해독 효소 활성을 확인한 결과, A₅₀ 계통에서 esterase 활성이 35.00 ± 0.56 μmol/min/mg protein으 로 감수성 계통의 31.37 ± 0.27 μmol/min/mg protein보다 유의 하게 증가하였으며(Fig. 1; df > 3, p < 0.05), C₂₀ 계통에서는 28.82 ± 0.22 μmol/min/mg protein으로 유의하게 낮을 활성을 나타냈다. GST 활성은 C₅₀ 계통에서 73.38 ± 1.04 μmol/min/ mg protein으로 감수성 계통 대비 유의하게 증가하였고, A₅₀ 계 통에서는 38.96 ± 1.52 μmol/min/mg protein으로 유의한 감소 가 확인되었다(Fig. 1; df > 3, p < 0.05). 한편, P450의 활성은 모 든 계통 간 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다. 추가적으 로, 각 효소의 활성이 저해제 처리에 의해 억제되는지를 확인하 기 위해 TPP (triphenyl phosphate), DEM (diethyl maleate), PBO (piperonyl butoxide)를 처리하여 효소 활성을 평가하였다. 그 결과, TPP와 DEM 처리 시 모든 계통에서 esterase 및 GST 활성 의 유의한 감소가 확인되었다. 반면, PBO 처리군에서는 C₂₀ 계 통을 제외한 나머지 계통에서 P450s 활성의 유의한 변화가 나 타나지 않았다.

선택압 부여에 따른 fitness cost 변화

각 계통에서 나타난 상이한 저항성 발달 양상과 해독 효소 활 성의 차이가 생물학적 적합도(fitness)에 영향을 미치는지를 평 가하기 위하여, 10세대 성충을 대상으로 생식력 및 후대 유충의 발달 관련 형질을 분석하였다. 먼저, 암컷당 총 평균 산란수를 확인한 결과, 감수성 계통(S)은 15일간 개체당 평균 222 ± 38개 의 알을 산란하였으며, C₂₀, C₅₀ 및 A₅₀ 계통은 각각 200 ± 25개, 245 ± 35개, 244 ± 26개로 나타났다(Figure 2). 총 산란수에 있 어 모든 저항성 계통은 감수성 계통과 비교하였을 때 통계적으 로 유의한 차이를 보이지 않았다(p > 0.05). 그러나 일별 산란수 변화(Fig. 2) 및 초기(1-5일)와 후기(11-15일) 기간의 산란수 비 교(Table 2)에서는 계통간 뚜렷한 차이가 확인되었다. 감수성 계통과 C₂₀ 계통은 전체 기간 동안 암컷의 산란수가 점진적으로 증가하는 양상을 보인 반면, C₅₀ 및 A₅₀ 계통은 초기 5일간 암컷 의 산란수가 급격하게 증가하다 이후 후기 5일 동안 감소하는 경향을 나타냈다. A₅₀ 계통은 초기 5일 동안 암컷 한 마리 당 평 균 81.5 ± 7.0개의 알을 산란한 반면, 후기 5일 동안은 61.9 ± 3.3 개로 감수성 계통과 유의한 차이를 보였다(p < 0.05). C₅₀ 계통 또한 초기 86.2 ± 12.4개에서 후기 56.5 ± 2.5개로 기간별 산란 수가 감수성 계통에 비해 유의적인 차이를 보였다(p < 0.05).

이와 함께, 후대 유충의 발달 및 생존에 따른 fitness cost를 평 가하기 위하여, 산란 8일차부터 각 계통에서 무작위로 선별한 알 80개를 대상으로 용화율, 우화율, 유충 생존율, 성비 및 성충 무게를 측정하였다(Table 3). 그 결과, A₅₀ 계통의 용화율은 59.46 ± 2.56%로 감수성 계통(S)의 75.78 ± 3.19%에 비해 통계 적으로 유의하게 낮았다(p < 0.05). 반면, 번데기에서 성충으로 의 우화율은 C₂₀ 계통에서 86.27 ± 1.70%로 가장 낮았으며, 다 른 계통 간에는 유의한 차이를 보이지 않았다. 전체 발달과정에 서의 생존율은 S, C₂₀, C₅₀ 계통에서 각각 71.46 ± 3.57%, 69.90 ± 2.30%, 73.56 ± 2.05%로 유사하였으나, A₅₀ 계통에서는 52.51 ± 2.43%로 유충기 생존율이 유의하게 낮았다.

유충기 이후 생존한 성충을 대상으로 성비 및 체중을 분석한 결과, 성비에는 각 계통 간 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않 았으나, 체중에서는 A₅₀ 및 C₅₀ 계통에서 감수성 계통 대비 유의 한 증가가 확인되었다(Table 3). A₅₀ 계통 암컷의 평균 무게는 1.43 ± 0.03 mg으로 감수성 계통 대비 약 28.8% 증가하였고, 수 컷은 0.92 ± 0.01 mg으로 약 10.8% 증가하였다. C₅₀ 계통의 경 우에도 암컷은 1.29 ± 0.03 mg으로 약 16.2%, 수컷은 0.86 ± 0.01 mg으로 약 3.6% 증가하였다.

고찰

합성 살충제의 우수한 살충 효능에도 불구하고, 해충의 저항 성 발달을 비롯한 다양한 환경적 및 독성학적 문제가 지속적으 로 제기되고 있다(Okagu et al., 2023;Moon et al., 2024). 이러 한 문제점을 해결하고자 합성 살충제의 사용을 줄이기 위한 대 체방안으로, 살충효과 뿐만 아니라 기피, 성장저해, 섭식저해 등 다양한 작용기전을 갖는 에센셜 오일의 활용이 주목받고 있다. 에센셜 오일은 낮은 독성, 생분해성, 짧은 잔류성 등의 특성으로 인해 인체 및 환경에 상대적으로 안전하다는 점이 여러 연구를 통해 입증되고 있다(Khater et al., 2012;Campos et al., 2019;Jyotsna et al., 2024). 그러나 에센셜 오일과 같은 천연물 또한 반복적이고 지속적인 노출 환경에서 해충의 저항성 발달 가능 성이 존재하며, 이에 대한 과학적 근거를 제시하는 연구는 아직 부족한 실정이다.

국소처리법을 통해 trans-anethole과 trans-cinnamaldehyde 의 저항성 지수를 평가한 결과, trans-anethole의 LD₅₀ 농도로 선택압을 가한 계통에서는 RR 값이 1 수준으로 유지되어 저항 성이 나타나지 않았다. 반면, trans-cinnamaldehyde의 LD₂₀ 및 LD₅₀ 농도로 선택압을 가한 계통에서는 감수성 계통에 비해 반 수치사 농도가 최대 2.51배까지 증가하였다(Table 1). 이러한 저항성 발달 양상의 차이는 두 화합물의 구조적 특성과 작용기 전의 차이에 의한 것으로 판단된다. Trans-cinnamaldehyde는 반응성이 높은 알데하이드기(-CHO)를 포함하고 있어 글루타 티온 기반 대사나 GST를 포함한 해독 효소계와 상호작용할 가 능성이 높으며(Yu. 1996;Saha. 2016;Lu et al., 2020), 이러한 대사적 반응은 반복 노출 시 저항성이 점진적으로 증가할 수 있 는 여건을 제공한다. 반면, trans-anethole은 메톡시기(-OCH₃) 를 갖는 비교적 안정한 방향족 에테르 구조로서 주로 AChE 억 제(Abdel et al., 2021;Pour et al., 2022) 및 옥토파민 시스템 교 란(Jankowska et al., 2017)과 같은 신경생리적 기전을 중심으로 독성을 나타낼 가능성이 높은 것으로 보고되고 있다. 이러한 구 조 및 작용기전 특성 때문에 anethole은 해독계의 유도가 제한 적이며, 동일한 조건에서도 저항성이 쉽게 나타나지 않는 것으 로 보인다. 그러나, 두 물질에 대한 곤충의 영향을 직접 다룬 연 구가 매우 부족하므로, 이러한 차이를 명확히 이해하기 위해서 는 향후 각 물질의 작용기전을 체계적으로 규명하는 연구가 요 구된다.

한편, 다양한 해충을 대상으로 실험실 조건에서 반복적인 선 택압을 가하여 저항성 발달 여부를 조사한 선행연구들을 살펴 보면, 귤과실파리(Bactrocera dorsalis)는 45세대 이후 betacypermethrin에 대한 저항성비가 329.3까지 증가하였고(Jin et al., 2011), 벗초파리(Drosophila suzukii)는 spinosad 처리 시 3 세대에서 2.29, 10세대에서 7.55까지 상승하였다(Disi and Sial, 2021). 또한 노랑초파리(Drosophila melanogaster)는 azadirachtin에 장기간 노출될 경우, 약 2년간의 선택압에서 9.6배의 저 항성이 나타났으며 5년 경과 시 86.7배까지 증가하였다(Liu et al., 2025). 이러한 연구들과 비교했을 때, 본 연구의 C₅₀ 계통은 저항성비가 3세대에서 2.27, 9세대에서 2.51로 일관된 상승을 보이지 않았으며 전반적으로 매우 미약한 수준에 머무르는 것 으로 나타났다. 그럼에도 불구하고, 유전자 풀이 균일화된 실험 실 계통에서 10세대라는 비교적 짧은 기간동안 이와 같은 변화 가 나타났다는 점을 고려하면, 단순한 분자 구조를 가진 단일물 질로 장기간 반복적으로 노출될 경우 저항성이 발달할 잠재적 위험성이 높음을 시사한다. 따라서, 유기농자재 사용 시 해당 물 질의 저항성 발달 가능성을 충분히 고려해야 하며, 저항성 발달 을 지연시키기 위해 단일성분 보다는 혼합물 형태로 처리하는 것이 보다 바람직할 것으로 판단된다. 실제로, 복숭아혹진딧물 (Myzus persicae)을 대상으로 수행된 Feng and Isman (1995)의 연구에서는 님 추출물과 그 주요 성분인 azadirachtin을 동일한 농도로 각각 선택압을 가했을 때, 40세대 이후 azadirachtin에 의 한 계통에서는 약 9배의 저항성 증가가 확인된 반면, 혼합물인 님 추출물로 선발된 계통에서는 저항성 발달이 거의 관찰되지 않았 다. 이러한 결과는 단일성분 기반의 처리보다 혼합물 처리가 저 항성 발달을 억제하는데 더욱 효과적일 수 있음을 나타낸다.

여러 선행연구에서 에센셜 오일의 주성분들은 지용성 구조 를 기반으로 세포막의 투과성을 높이고, 해충의 해독효소 활성 을 증가시키거나 감소시키는 교란 현상이 보고되고 있다(Kumrungsee et al., 2014;Liao et al., 2016;Gupta et al., 2023;Ramachandran et al., 2023). 이러한 연구들을 통해 합성 살충제 의 해독에 관여하는 P450s, GSTs, esterase 등의 효소가 에센셜 오일에 대한 해독에도 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다. 본 연구에서도 계통별로 해독 효소 활성이 상이하게 변화하는 양상 이 나타났는데, C₂₀ 계통에서는 esterase 활성이 감소하였고, A₅₀ 계통에서는 esterase 활성이 증가하는 동시에 GST 활성이 감소 하였으며, C₅₀ 계통에서는 GST 활성이 증가하는 양상이 확인되 었다(Fig. 1). 이러한 차이는 처리된 물질의 종류 (Zhou et al., 2019)뿐 아니라, 동일한 종을 대상으로 같은 물질을 처리하더라 도 적용 농도(Wang et al., 2021)와 노출 기간(Zhang et al., 2024) 에 따라 활성화되는 해독 효소의 종류와 정도가 달라질 수 있음 을 나타낸다. 또한, 모든 계통에 대해 효소 억제제를 적용하여 반 응을 평가한 결과, TPP와 DEM을 처리 시 esterase와 GST 활성 이 모두 감소하였으며, PBO 처리에서는 C₂₀ 계통을 제외한 대부 분의 계통에서 P450의 활성 변화가 관찰되지 않았다. 특히, C₅₀ 계통에서 GST 활성이 유의하게 증가하였지만 DEM 처리 후 감 수성 계통과 유사한 수준으로 감소한 점은 trans-cinnamaldehyde 가 주로 phase II 해독 경로에 의해 대사되었을 가능성을 뒷받침 한다. 따라서 신남알데하이드류 물질을 활용한 방제 전략에서 는 저항성 관리를 위해 DEM 혹은 TPP와 같은 효소 억제제를 보조제로 사용하는 방안이 고려될 수 있으며, 구체적인 해독 대 사 경로와 해충 생리에 미치는 영향을 명확히 규명하기 위해서 는 추가적인 연구가 필요하다.

저항성이 발생한 해충 개체군에서 fitness cost가 동반되는 사 례는 다양하게 보고되고 있으며, 대표적으로 생활사 단축, 생식 력 및 생존력 감소, 발달지연 등이 포함된다(Ullah et al., 2020;Gul et al., 2023). 또한 살충제는 해충에게 있어 하나의 환경적 스 트레스 인자로 작용하기 때문에, 저항성이 발현되지 않더라도 반 복적인 노출은 대사 비용 증가 및 면역력 저하를 유도하여 해충 의 fitness를 감소시킬 수 있다(Feng et al., 2023;Gul et al., 2023). 본 연구에서 선택압을 가한 마지막 10세대를 대상으로 fitness cost를 평가한 결과, 산란양상 및 후대세대의 생존력이 계 통에 따라 상이하게 나타남을 확인하였다. 비교적 낮은 농도에서 선택압을 받은 C₂₀ 계통의 경우, 감수성 계통과 유사하게 시간이 지남에 따라 산란수가 꾸준하게 증가하였고(Fig. 2), 11세대 유충 의 생존율 및 성충 발단 단계의 크기 또한 유의한 차이를 보이지 않았다(Table 3). 반면, A₅₀과 C₅₀ 계통에서는 저항성비의 증가 여부와 관계없이 교미 직후 산란수가 급격히 증가한 뒤 7일차를 기점으로 급감하는 패턴이 관찰되었다(Fig. 2). 특히, A₅₀ 계통에 서는 후대세대의 유의미한 생존율 및 용화율 저하가 나타났으며, 암수 모두 성충기의 체중 증가가 확인되어 fitness cost에 대한 보 상 메커니즘으로 작동했을 가능성이 제기된다(Table 3). 이와 같 은 높은 수준의 fitness cost는 A₅₀ 계통에서 저항성의 안정적인 발달을 저해하는 요인으로 작용했을 것으로 보인다. 이러한 경향 은 천연물이 살충 효과 이외에도 호르몬 시스템, 해독효소 조절, 성장 조절 등 생리학적 경로를 간접적으로 조절함으로써 해충의 발달 및 생식에 영향을 미칠 수 있다는 기존 보고와도 일치한다 (Mossa, 2016). 더불어, 천연물에 지속적으로 노출된 개체군은 이를 효과적으로 해독하기 위해 생리적 자원 재분배를 유도받아 산란 패턴 변화 및 후대 생존력 저하가 나타났을 가능성이 있다. 이러한 결과들은 천연물에 지속적으로 노출된 특정 저항성 계통 에서 산란의 시기적 집중, 유충기 생존 저하 등과 같은 fitness cost가 수반될 수 있음을 보여주며, 일부 생존 개체에서는 체중 증가를 통한 보상적 반응이 나타날 수 있음을 시사한다.

요약하자면, 본 연구에서는 다양한 살충활성이 알려진 에센 셜 오일의 대표적인 주성분인 trans-anethole과 trans-cinnamaldehyde를 이용하여 두 가지 농도 조건 하에 선택압을 가함 으로써, 세 계통의 초파리를 확립하고 그 특성을 비교하였다. 이 중 C₅₀ 계통은 가장 높은 저항성비를 보인 반면, A₅₀ 계통은 실험 기간 동안 감수성 수준을 유지하였다. 흥미롭게도, 두 계통 모두 에서 해독효소 활성 증감과 이에 따른 fitness cost가 동반되는 양상이 관찰되었다. 이러한 경향은 두 물질이 지닌 구조적 차이 와 작용기전의 특성에 따라 해충에 부과되는 대사적 부담과 생 리적 스트레스의 강도가 서로 다르기 때문에 나타난 결과로 해 석된다. 본 연구에서 얻은 결과는 페닐프로파노이드 계열 천연 물에 대한 저항성 발현 기작을 이해하는데 유용한 기초 자료로 활용될 수 있으며, 향후 천연물 기반 살충제의 지속가능한 사용 및 저항성 관리 전략을 수립하는데 중요한 근거를 제공할 수 있 을 것으로 기대된다.