Fosan-sesquiterpener med fytotoksisk aktivitet i Ligustrum chuanxiong
Fytoallelopati refererer til frigivelse af kemikalier fra en plante til miljøet, som direkte eller indirekte har skadelige eller gavnlige virkninger på en anden plante. Frigivelse af allelopatiske stoffer er en overlevelsesstrategi, som er udviklet af arter i særlige habitater for at opnå økologiske fordele. Det kan påvirke væksten af andre planter og successionen af plantesamfund i samme habitat og endda påvirke udbredelsesmønsteret og biodiversiteten af plantepopulationer i regionen. Udviklingen af miljøvenlige naturlige herbicider, der bruger allelopatiske stoffer som ledende forbindelser, er i øjeblikket et forsknings-hotspot, hvor sesquiterpener har et stort potentiale.
Forskellige planter af Ligularia-slægten i Asteraceae-familien, såsom L. virgaurea, L. macrophylla og L. sagitta, udviser betydelig allelopatisk aktivitet. Sesquiterpener anses for at være de vigtigste allelopatiske aktive komponenter i disse planter og udviser ofte fytotoksisk aktivitet. Planten L. cymbulifera, som hører til denne slægt, er vidt udbredt i Hengduan-bjergene og vokser tæt på alpine enge i 2000-4000 meters højde i Shangri La-området i Yunnan-provinsen. Det er en dominerende art i de lokale alpine græsgange. De vigtigste sekundære metabolitter i Ligularia angustifolia er sesquiterpener, kulstofreducerende sesquiterpener, bisabolan-sesquiterpener og pyrrolizidinge-alkaloider. I den tidlige fase isolerede og påviste forskerholdet flere sesquiterpener med plantetoksisk aktivitet fra rødderne og rhizosfærejorden. Forsøgsresultaterne tyder på, at sesquiterpenerne i taxanklassen sandsynligvis syntetiseres og frigives i jorden omkring rhizosfæren af Ligustrum chuanxiong som potentielle allelopatiske stoffer, der synergistisk forstyrrer spiring og vækst af andre plantefrø og derved hjælper Ligustrum chuanxiong med at opnå økologiske fordele i Hengduan-bjergene. For at søge efter flere potentielle allelopatiske stoffer og yderligere studere deres virkningsmekanismer og screene ledende forbindelser til udvikling af miljøvenlige naturlige herbicider fortsætter dette studie med at undersøge de fytotoksiske sesquiterpener i phoran-klassen i Ligularia baicalensis.

Denne artikel isolerede 13 sesquiterpener fra 95%-methanolfraktionen af Ligustrum chuanxiong-rod, herunder forbindelse 1, som er en ny eremophilan-12,8-lactam-type sesquiterpenalkaloid; Forbindelserne 2-5 er eremophilan-12,8-olider, en type sesquiterpener, der tilhører Foshanes-klassen; Forbindelserne 6-10 er sesquiterpener af eremophilan-14,6-olid-typen i Foshane-klassen; Forbindelserne 11, 12 og 13 er furanemophilan-sesquiterpener af furanen-typen (se figur 1). Den plantetoksiske aktivitet af ovennævnte forbindelser blev undersøgt, og resultaterne viste, at forbindelserne 1-13 ikke havde nogen hæmmende aktivitet på Arabidopsis-frøspiring, men alle udviste en vis hæmmende aktivitet på Arabidopsis-frørodsvækst, og nogle forbindelser kunne fremme frøspiringstiden med 1-2 dage sammenlignet med den blanke kontrolgruppe ved lave koncentrationer. Dette resultat er i overensstemmelse med litteraturen: sesquiterpener har en stærkere aktivitet i at hæmme rodforlængelse end i at hæmme frøspiring, og plantetoksiske forbindelser med allelopatisk potentiale udviser ofte en fremmende effekt på frøspiring ved lave koncentrationer. Nylige undersøgelser har vist, at planter har udviklet en ny strategi kaldet "selvmordsspiring" eller "honningkrukke-strategi" til bekæmpelse af parasitære planter: allelopatiske stoffer, der frigives af værtsplanter, såsom strigolactoner (SL'er), kan fremkalde og stimulere frøspiring af parasitære planter, såsom Striga spp. Hvis de dyrkes i et miljø uden en værtsplante, vil disse spirede frø fremskynde deres død på grund af manglende næringstilførsel og dermed reducere reserven af parasitære plantefrø i jorden. I lyset af det komplekse miljømæssige pres spiller allelopatiske stoffer ofte flere økologiske roller. Resultaterne af dette eksperiment tyder på, at sesquiterpenerne i Ligustrum chuanxiong ud over direkte at hæmme spiring og vækst af andre plantefrø også kan anvende en strategi, der ligner den ovenfor nævnte "selvmordsspiring", som er at fremkalde og fremme spiring af andre plantefrø og derefter fremkalde død af rodspidsceller på en eller anden måde, hæmme deres næringsstofoptagelse og fremskynde deres død og derved reducere disse planters forbrug af næringsstoffer i den omgivende jord. På nuværende tidspunkt er der ingen lignende forskningsrapporter, og denne spekulation skal verificeres yderligere gennem eksperimenter.

Sammenligning af virkningerne af forbindelser 3, 5 og 13 med andre forbindelser på fremme af tidlig frøspiring antyder resultaterne, at dannelsen af lactonringe i 6-position og 15. positionssubstituenter kan påvirke fremmeeffekten; Hvis der er 3 sidekæder og 10 hydroxylgrupper substitueret, kan det have en hæmmende virkning; Tilstedeværelsen af en 6-cifret sidekæde kan have en fremmende virkning. På den anden side er den hæmmende aktivitet af forbindelserne 1-13 på Arabidopsis' rodvækst relateret til forbindelsens koncentration og struktur (se figur 4). Baseret på resultaterne af tidligere eksperimenter følger den hæmmende aktivitet af sesquiterpener fra Ligustrum chuanxiong på Arabidopsis' rodvækst følgende mønster: sesquiterpener af furanermophilianetypen har bedre plantetoksicitet, og furanermophilianetypen>eremophiliane-14,6-olidetypen>eremophiliane-12,8-olidetypen>modificeret eremophilianetype. Når man sammenligner de hæmmende aktiviteter af forbindelserne 11, 12 og 13 på Arabidopsis' rodvækst, var EC50 for forbindelse 13 44,15 ± 5,21 μ g/mL, mens EC50 for forbindelserne 11 og 12 var henholdsvis 2,30 ± 2,92 og 75,62 ± 1,33 μ g/mL. Dette tyder på, at aktiviteten er bedre, når substituenterne i 6. og 15. position af diterpener af furanermophilantypen ikke danner lactonringe. Ved sammenligning af de hæmmende aktiviteter af forbindelser 6-10 på Arabidopsis rodvækst viste forbindelser 6 og 9 lignende aktivitet, hvilket indikerer, at dobbeltbindingen på A-ringen af eremophilane-14,6-olides type sesquiterpener har ringe effekt på plantetoksicitet. Når man sammenligner de hæmmende aktiviteter af forbindelser 2-5 på Arabidopsis rodvækst, er der ikke stor forskel i aktivitet mellem forbindelser 2 og 5, hvilket indikerer, at de 6. og 15. substituenter af eremophilane-12,8-olides sesquiterpener danner lactonringe, og tilstedeværelsen af substituenter i den 3. position har ringe effekt på aktiviteten. Ved at sammenligne de hæmmende aktiviteter af forbindelserne 1 og 3, 3, 5 og 4, 6 og 7, 9 og 10 på Arabidopsis rodvækst blev det konstateret, at plantetoksiciteten blev forbedret, når der var en hydroxylsubstitution i position 10, hvilket er i overensstemmelse med tidligere forskningsresultater. Forbindelse 13 udviste den bedste plantetoksicitetsaktivitet i dette eksperiment. Ud fra ovenstående struktur-aktivitetsanalyse kan det konkluderes, at sesquiterpener af furanermophilantypen, der indeholder 10 hydroxylgrupper og 6 sidekædesubstitutioner, har potentiale til at fungere som miljøvenlige naturlige herbicidledende forbindelser. Derfor vil det næste skridt være at søge efter flere forbindelser af denne type fra Ligustrum chuanxiong og screene for ledende forbindelser til udvikling af miljøvenlige naturlige herbicider.