Fosan-Sesquiterpene mit phytotoxischer Wirkung in Ligustrum chuanxiong
Unter Phytoallelopathie versteht man die Freisetzung chemischer Stoffe von einer Pflanze in die Umwelt, die direkt oder indirekt schädliche oder positive Auswirkungen auf eine andere Pflanze haben. Die Freisetzung allelopathischer Substanzen ist eine Überlebensstrategie, die von Arten in besonderen Lebensräumen entwickelt wurde, um ökologische Vorteile zu erlangen. Sie kann sich auf das Wachstum anderer Pflanzen und die Sukzession von Pflanzengemeinschaften im selben Lebensraum auswirken und sogar das Verbreitungsmuster und die Artenvielfalt von Pflanzenpopulationen in der Region beeinflussen. Die Entwicklung umweltfreundlicher natürlicher Herbizide unter Verwendung allelopathischer Substanzen als Leitverbindungen ist derzeit ein Forschungsschwerpunkt, wobei Sesquiterpene ein großes Potenzial haben.
Verschiedene Pflanzen der Gattung Ligularia aus der Familie der Asteraceae, wie L. virgaurea, L. macrophylla und L. sagitta, weisen eine erhebliche allelopathische Aktivität auf. Sesquiterpene gelten als die wichtigsten allelopathischen Wirkstoffe in diesen Pflanzen und weisen oft eine phytotoxische Wirkung auf. Die Pflanze L. cymbulifera, die zu dieser Gattung gehört, ist in den Hengduan-Bergen weit verbreitet und wächst dicht auf alpinen Wiesen in 2000-4000 m Höhe im Shangri-La-Gebiet der Provinz Yunnan. Sie ist eine dominante Art auf den lokalen alpinen Weiden. Die wichtigsten Sekundärmetaboliten von Ligularia angustifolia sind Sesquiterpene, kohlenstoffreduzierende Sesquiterpene, Bisabolan-Sesquiterpene und pyrrolizidine Alkaloide. In der Anfangsphase isolierte und entdeckte das Forschungsteam mehrere Sesquiterpene mit pflanzentoxischer Wirkung aus den Wurzeln und dem Boden der Rhizosphäre. Die Versuchsergebnisse deuten darauf hin, dass die Sesquiterpene der Taxanklasse wahrscheinlich von Ligustrum chuanxiong synthetisiert und in den Boden um die Rhizosphäre herum freigesetzt werden, und zwar als potenzielle allelopathische Substanzen, die synergetisch die Keimung und das Wachstum anderer Pflanzensamen stören und dadurch Ligustrum chuanxiong zu ökologischen Vorteilen in den Hengduan-Bergen verhelfen. Um nach weiteren potenziellen allelopathischen Substanzen zu suchen, ihre Wirkungsmechanismen weiter zu untersuchen und Leitverbindungen für die Entwicklung umweltfreundlicher natürlicher Herbizide zu ermitteln, werden in dieser Studie die phytotoxischen Sesquiterpene der Phoran-Klasse in Ligularia baicalensis weiter untersucht.

In diesem Artikel wurden 13 Sesquiterpene aus der 95%-Methanolfraktion der Wurzel von Ligustrum chuanxiong isoliert, darunter Verbindung 1, ein neues Sesquiterpenalkaloid vom Typ Eremophilan-12,8-Lactam; Die Verbindungen 2-5 sind Eremophilan-12,8-Ole, eine Art von Sesquiterpenen, die zur Klasse der Foshane gehören; die Verbindungen 6-10 sind Sesquiterpene vom Typ Eremophilan-14,6-Ole der Klasse der Foshane; die Verbindungen 11, 12 und 13 sind Furanemophilan-Sesquiterpene vom Typ Furan (siehe Abbildung 1). Die pflanzentoxische Aktivität der oben genannten Verbindungen wurde untersucht, und die Ergebnisse zeigten, dass die Verbindungen 1-13 keine hemmende Wirkung auf die Keimung von Arabidopsis-Samen hatten, aber alle eine gewisse hemmende Wirkung auf das Wurzelwachstum von Arabidopsis-Samen zeigten, und einige Verbindungen konnten die Keimzeit der Samen bei niedrigen Konzentrationen um 1-2 Tage im Vergleich zur leeren Kontrollgruppe beschleunigen. Dieses Ergebnis stimmt mit der Literatur überein: Sesquiterpene hemmen das Wurzelwachstum stärker als die Keimung von Samen, und pflanzentoxische Verbindungen mit allelopathischem Potenzial haben bei niedrigen Konzentrationen oft eine fördernde Wirkung auf die Keimung von Samen. Jüngste Studien haben gezeigt, dass Pflanzen bei der Bekämpfung parasitärer Pflanzen eine neue Strategie entwickelt haben, die als "Selbstmordkeimung" oder "Honigtopfstrategie" bezeichnet wird: Allelopathische Substanzen, die von Wirtspflanzen freigesetzt werden, wie z. B. Strigolactone (SLs), können die Samenkeimung von parasitären Pflanzen wie Striga spp. Wenn sie in einer Umgebung ohne Wirtspflanze angebaut werden, sterben diese gekeimten Samen aufgrund mangelnder Nährstoffzufuhr schneller ab, wodurch sich die Reserve an parasitären Pflanzensamen im Boden verringert. Angesichts komplexer Umweltbelastungen spielen allelopathische Substanzen oft mehrere ökologische Rollen. Die Ergebnisse dieses Versuchs lassen vermuten, dass die Sesquiterpene in Ligustrum chuanxiong nicht nur direkt die Keimung und das Wachstum anderer Pflanzensamen hemmen, sondern auch eine ähnliche Strategie wie die oben erwähnte "selbstmörderische Keimung" verfolgen, d. h. die Keimung anderer Pflanzensamen auslösen und fördern und dann das Absterben der Zellen an der Wurzelspitze auf irgendeine Weise herbeiführen, wodurch ihre Nährstoffaufnahme gehemmt und ihr Absterben beschleunigt wird, wodurch der Verbrauch von Nährstoffen im umgebenden Boden durch diese Pflanzen verringert wird. Derzeit gibt es keine ähnlichen Forschungsberichte, und diese Spekulation muss durch Experimente weiter überprüft werden.

Vergleicht man die Wirkungen der Verbindungen 3, 5 und 13 mit anderen Verbindungen auf die Förderung der frühen Samenkeimung, so deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Bildung von Lactonringen an der 6-Position und Substituenten an der 15-Position den Förderungseffekt beeinflussen können; bei 3 Seitenketten und 10 substituierten Hydroxylgruppen kann eine hemmende Wirkung auftreten; das Vorhandensein einer 6-stelligen Seitenkette kann eine fördernde Wirkung haben. Andererseits ist die hemmende Wirkung der Verbindungen 1-13 auf das Wurzelwachstum von Arabidopsis von der Konzentration und der Struktur der Verbindung abhängig (siehe Abbildung 4). Basierend auf den Ergebnissen früherer Experimente folgt die hemmende Wirkung von Sesquiterpenen aus Ligustrum chuanxiong auf das Wurzelwachstum von Arabidopsis dem folgenden Muster: Sesquiterpene vom Furanermophiliane-Typ haben eine bessere Pflanzentoxizität, und Furanermophiliane-Typ>Eremophiliane-14,6-Oolid-Typ>Eremophiliane-12,8-Oolid-Typ>modifizierter Eremophiliane-Typ. Vergleicht man die hemmende Wirkung der Verbindungen 11, 12 und 13 auf das Wurzelwachstum von Arabidopsis, so betrug der EC50-Wert von Verbindung 13 44,15 ± 5,21 μ g/ml, während der EC50-Wert der Verbindungen 11 und 12 2,30 ± 2,92 bzw. 75,62 ± 1,33 μ g/ml betrug. Dies deutet darauf hin, dass die Aktivität besser ist, wenn die Substituenten an der 6- und 15-Position der Diterpene vom Furanermophilan-Typ keine Lactonringe bilden. Vergleicht man die hemmende Wirkung der Verbindungen 6-10 auf das Wurzelwachstum von Arabidopsis, so zeigen die Verbindungen 6 und 9 eine ähnliche Wirkung, was darauf hindeutet, dass die Doppelbindung am A-Ring der Sesquiterpene vom Typ Eremophilan-14,6-olide wenig Einfluss auf die Pflanzentoxizität hat. Vergleicht man die hemmenden Aktivitäten der Verbindungen 2-5 auf das Wurzelwachstum von Arabidopsis, so gibt es keinen großen Unterschied in der Aktivität zwischen den Verbindungen 2 und 5, was darauf hindeutet, dass die 6. und 15. Substituenten der Sesquiterpene vom Typ Eremophilan-12,8-olide Lactonringe bilden und das Vorhandensein von Substituenten an der dritten Position wenig Einfluss auf die Aktivität hat. Beim Vergleich der hemmenden Wirkung der Verbindungen 1 und 3, 3, 5 und 4, 6 und 7, 9 und 10 auf das Wurzelwachstum von Arabidopsis wurde festgestellt, dass die Pflanzentoxizität verstärkt wurde, wenn eine Hydroxylsubstitution an Position 10 vorlag, was mit früheren Forschungsergebnissen übereinstimmt. Die Verbindung 13 zeigte in diesem Experiment die beste pflanzentoxische Aktivität. Aus der obigen Struktur-Aktivitäts-Analyse lässt sich schließen, dass Sesquiterpene vom Furanermophilan-Typ mit 10 Hydroxylgruppen und 6 Seitenkettensubstitutionen das Potenzial haben, als umweltfreundliche natürliche Herbizid-Leitverbindungen zu dienen. Daher wird der nächste Schritt darin bestehen, nach weiteren Verbindungen dieses Typs aus Ligustrum chuanxiong zu suchen und nach Leitverbindungen für die Entwicklung von umweltfreundlichen natürlichen Herbiziden zu screenen.