Published October 17, 2018 | Version v1
Publication Open

Novel Agmatine Derivatives in Maerua edulis With Bioactivity Against Callosobruchus maculatus, a Cosmopolitan Storage Insect Pest

  • 1. University of Greenwich
  • 2. Natural Resources Institute
  • 3. Royal Botanic Gardens, Kew
  • 4. Syngenta (United Kingdom)
  • 5. University of Zimbabwe

Description

Food security in developing countries is threatened by crop pests and ectoparasites in livestock. Strategies for their management still rely on synthetic pesticides which are not always effective and the active ingredients persist in the environment with negative consequences for beneficial arthropods, farmers and consumers, hence necessitating research on sustainable alternatives. Botanical insecticides are increasingly relevant, typically having lower impacts on users, consumers and the environment. One example is the southern African shrub the Blue bush-berry, Maerua edulis. Recent work reported effective pest control using this plant species against cattle ticks, storage beetles and vegetable pests. However, little is known about the chemistry underlying activity and this is essential to optimize its use. Here, we identified two novel plant chemical structures, the E and Z isomers of cinnamoyl-4-aminobutylguanidine along with the E and Z isomers of 4-hydroxycinnamoyl-4-aminobutylguanidine in the leaves of M. edulis. We isolated these compounds from the leaves and elucidated their chemical structures using various spectroscopic techniques including High Resolution Mass Spectrometry and Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. We also identified a further 11 closely related structures of which 6 are tentatively reported here for the first time. Stachydrine and 3-hydroxystachydrine were also identified in the leaf extract, and occurred at very high concentrations; up to 2% w/w of dry leaves. We tested these two compounds, along with the 4 main cinnamoylamides and the crude M. edulis leaf extract against the cowpea bruchid Callosobruchus maculatus at concentrations equivalent to those present in extracts used by smallholder farmers. Mortality of insects exposed to crude plant extracts after 72 h was significantly higher than the untreated control although still lower than for insects exposed to rotenone, the positive control. The two new compounds and stachydrine showed similar activity to the crude extracts suggesting that these compounds explained the activity of the extract. After 6 days, the mortality of insects exposed to crude extracts and isolated compounds was similar to that recorded with the positive control. The stachydrine fraction and the E and Z isomers of cinnamoyl-4-aminobutylguanidine also inhibited oviposition activity in fecund female beetles. Our data show that methanol extracts of M. edulis were toxic to C. maculatus and inhibited oviposition even at 0.1% w/v so these foliar chemicals may explain the activity of the plant material. We also synthesized the amides which facilitated structural elucidation, produced adequate quantities for testing and demonstrated the potential for commercial synthesis.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يتعرض الأمن الغذائي في البلدان النامية للتهديد بسبب آفات المحاصيل والطفيليات الخارجية في الماشية. لا تزال استراتيجيات إدارتها تعتمد على مبيدات الآفات الاصطناعية التي ليست فعالة دائمًا وتستمر المكونات النشطة في البيئة مع عواقب سلبية على المفصليات المفيدة والمزارعين والمستهلكين، مما يتطلب إجراء أبحاث حول البدائل المستدامة. تزداد أهمية المبيدات الحشرية النباتية، وعادة ما يكون لها تأثيرات أقل على المستخدمين والمستهلكين والبيئة. أحد الأمثلة على ذلك هو شجيرة الجنوب الأفريقي التوت الأزرق، Maerua edulis. أبلغت الأعمال الأخيرة عن مكافحة فعالة للآفات باستخدام هذه الأنواع النباتية ضد قراد الماشية وخنافس التخزين والآفات النباتية. ومع ذلك، لا يُعرف سوى القليل عن النشاط الكيميائي الأساسي وهذا ضروري لتحسين استخدامه. هنا، حددنا اثنين من التركيبات الكيميائية النباتية الجديدة، أيزومرات E و Z من سينامويل-4 -أمينو بيوتيل جوانيدين جنبا إلى جنب مع أيزومرات E و Z من 4 -هيدروكسي سينامويل-4 -أمينو بيوتيل جوانيدين في أوراق M. edulis. قمنا بعزل هذه المركبات من الأوراق وتوضيح هياكلها الكيميائية باستخدام تقنيات طيفية مختلفة بما في ذلك مطياف الكتلة عالي الدقة ومطياف الرنين المغناطيسي النووي. كما حددنا 11 هيكلًا آخر وثيق الصلة تم الإبلاغ عن 6 منها مبدئيًا هنا لأول مرة. كما تم تحديد ستاكيدرين و 3 -هيدروكسيستاتشيدرين في مستخلص الأوراق، وحدثت بتركيزات عالية جدًا ؛ ما يصل إلى 2 ٪ وزن/وزن من الأوراق الجافة. اختبرنا هذين المركبين، جنبًا إلى جنب مع 4 سينامويلاميدات رئيسية ومستخلص أوراق M. edulis الخام ضد بروشيد اللوبيا Callosobruchus maculatus بتركيزات مكافئة لتلك الموجودة في المستخلصات المستخدمة من قبل صغار المزارعين. كانت وفيات الحشرات المعرضة للمستخلصات النباتية الخام بعد 72 ساعة أعلى بكثير من السيطرة غير المعالجة على الرغم من أنها لا تزال أقل من الحشرات المعرضة لروتينون، وهي السيطرة الإيجابية. أظهر المركبان الجديدان والستاشيدرين نشاطًا مشابهًا للمستخلصات الخام مما يشير إلى أن هذه المركبات تفسر نشاط المستخلص. بعد 6 أيام، كانت وفيات الحشرات المعرضة للمستخلصات الخام والمركبات المعزولة مماثلة لتلك المسجلة مع المكافحة الإيجابية. كما أن جزء الستاكيدرين وأيزومرات E و Z من سينامويل-4 -أمينوبوتيل جوانيدين تثبط نشاط البويضات في الخنافس الأنثوية الخصبة. تظهر بياناتنا أن مستخلصات الميثانول من M. Edulis كانت سامة لـ C. maculatus وتمنع البويضات حتى عند 0.1 ٪ وزن/حجم لذلك قد تفسر هذه المواد الكيميائية الورقية نشاط المادة النباتية. قمنا أيضًا بتوليف الأميدات التي سهلت التوضيح الهيكلي، وأنتجت كميات كافية للاختبار وأظهرت إمكانية التوليف التجاري.

Translated Description (French)

La sécurité alimentaire dans les pays en développement est menacée par les ravageurs des cultures et les ectoparasites du bétail. Les stratégies pour leur gestion reposent toujours sur des pesticides synthétiques qui ne sont pas toujours efficaces et les ingrédients actifs persistent dans l'environnement avec des conséquences négatives pour les arthropodes bénéfiques, les agriculteurs et les consommateurs, ce qui nécessite des recherches sur des alternatives durables. Les insecticides botaniques sont de plus en plus pertinents, ayant généralement moins d'impacts sur les utilisateurs, les consommateurs et l'environnement. Un exemple est l'arbuste d'Afrique australe, le Blue bush-berry, Maerua edulis. Des travaux récents ont rapporté une lutte efficace contre les ravageurs en utilisant cette espèce végétale contre les tiques du bétail, les coléoptères de stockage et les ravageurs végétaux. Cependant, on sait peu de choses sur l'activité chimique sous-jacente et cela est essentiel pour optimiser son utilisation. Ici, nous avons identifié deux nouvelles structures chimiques végétales, les isomères E et Z de la cinnamoyl-4-aminobutylguanidine ainsi que les isomères E et Z de la 4-hydroxycinnamoyl-4-aminobutylguanidine dans les feuilles de M. edulis. Nous avons isolé ces composés des feuilles et élucidé leurs structures chimiques en utilisant diverses techniques spectroscopiques, notamment la spectrométrie de masse à haute résolution et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire. Nous avons également identifié 11 autres structures étroitement liées, dont 6 sont provisoirement signalées ici pour la première fois. La stachydrine et la 3-hydroxystachydrine ont également été identifiées dans l'extrait de feuille, et se sont produites à des concentrations très élevées ; jusqu'à 2% p/p de feuilles sèches. Nous avons testé ces deux composés, ainsi que les 4 principaux cinnamoylamides et l'extrait brut de feuille de M. edulis contre le niébé bruchidé Callosobruchus maculatus à des concentrations équivalentes à celles présentes dans les extraits utilisés par les petits agriculteurs. La mortalité des insectes exposés à des extraits végétaux bruts après 72 h était significativement plus élevée que celle du témoin non traité bien qu'encore plus faible que celle des insectes exposés à la roténone, le témoin positif. Les deux nouveaux composés et la stachydrine ont montré une activité similaire aux extraits bruts suggérant que ces composés expliquaient l'activité de l'extrait. Après 6 jours, la mortalité des insectes exposés aux extraits bruts et aux composés isolés était similaire à celle enregistrée avec le contrôle positif. La fraction stachydrine et les isomères E et Z de la cinnamoyl-4-aminobutylguanidine ont également inhibé l'activité de la ponte chez les coléoptères femelles féconds. Nos données montrent que les extraits au méthanol de M. edulis étaient toxiques pour C. maculatus et inhibaient la ponte même à 0,1 % p/v, de sorte que ces produits chimiques foliaires peuvent expliquer l'activité du matériel végétal. Nous avons également synthétisé les amides qui ont facilité l'élucidation structurelle, produit des quantités adéquates pour les tests et démontré le potentiel de synthèse commerciale.

Translated Description (Spanish)

La seguridad alimentaria en los países en desarrollo se ve amenazada por las plagas de los cultivos y los ectoparásitos en el ganado. Las estrategias para su manejo aún se basan en pesticidas sintéticos que no siempre son efectivos y los ingredientes activos persisten en el medio ambiente con consecuencias negativas para los artrópodos beneficiosos, los agricultores y los consumidores, por lo que es necesario investigar alternativas sostenibles. Los insecticidas botánicos son cada vez más relevantes y, por lo general, tienen un menor impacto en los usuarios, los consumidores y el medio ambiente. Un ejemplo es el arbusto del sur de África, el arbusto azul, Maerua edulis. Un trabajo reciente informó sobre el control efectivo de plagas utilizando esta especie de planta contra garrapatas del ganado, escarabajos de almacenamiento y plagas vegetales. Sin embargo, se sabe poco sobre la actividad química subyacente y esto es esencial para optimizar su uso. Aquí, identificamos dos nuevas estructuras químicas vegetales, los isómeros E y Z de cinamoil-4-aminobutilguanidina junto con los isómeros E y Z de 4-hidroxicinamoil-4-aminobutilguanidina en las hojas de M. edulis. Aislamos estos compuestos de las hojas y dilucidamos sus estructuras químicas utilizando varias técnicas espectroscópicas, incluida la espectrometría de masas de alta resolución y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear. También identificamos otras 11 estructuras estrechamente relacionadas, de las cuales 6 se informan provisionalmente aquí por primera vez. La estachidrina y la 3-hidroxiestachidrina también se identificaron en el extracto de hoja, y se produjeron en concentraciones muy altas; hasta 2% p/p de hojas secas. Probamos estos dos compuestos, junto con las 4 cinamoilamidas principales y el extracto crudo de hoja de M. edulis contra el caupí brújido Callosobruchus maculatus en concentraciones equivalentes a las presentes en los extractos utilizados por los pequeños agricultores. La mortalidad de los insectos expuestos a extractos de plantas crudas después de 72 h fue significativamente mayor que el control no tratado, aunque aún menor que para los insectos expuestos a rotenona, el control positivo. Los dos nuevos compuestos y la estahidrina mostraron una actividad similar a los extractos crudos, lo que sugiere que estos compuestos explican la actividad del extracto. Después de 6 días, la mortalidad de los insectos expuestos a extractos crudos y compuestos aislados fue similar a la registrada con el control positivo. La fracción de estahidrina y los isómeros E y Z de cinamoil-4-aminobutilguanidina también inhibieron la actividad de oviposición en escarabajos hembra fecundos. Nuestros datos muestran que los extractos de metanol de M. edulis eran tóxicos para C. maculatus e inhibían la oviposición incluso al 0,1% p/v, por lo que estos productos químicos foliares pueden explicar la actividad del material vegetal. También sintetizamos las amidas, lo que facilitó la elucidación estructural, produjimos cantidades adecuadas para las pruebas y demostramos el potencial de síntesis comercial.

Files

pdf.pdf

Files (16.1 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:f32d9a6a3b18dc2a604b602cf23de10c
16.1 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
مشتقات أغماتين الجديدة في مايروا إدوليس مع النشاط البيولوجي ضد الكالوسوبروخوس البقعي، وهي آفة حشرية تخزين عالمية
Translated title (French)
Nouveaux dérivés d'agmatine chez Maerua edulis avec une bioactivité contre Callosobruchus maculatus, un insecte ravageur cosmopolite de stockage
Translated title (Spanish)
Nuevos derivados de agmatina en Maerua edulis con bioactividad contra Callosobruchus maculatus, una plaga cosmopolita de insectos de almacenamiento

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2897502827
DOI
10.3389/fpls.2018.01506

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Zimbabwe

References

  • https://openalex.org/W1591489547
  • https://openalex.org/W1855569822
  • https://openalex.org/W1973780654
  • https://openalex.org/W1981066710
  • https://openalex.org/W1991519193
  • https://openalex.org/W1998349113
  • https://openalex.org/W2015887062
  • https://openalex.org/W2017620249
  • https://openalex.org/W2028788686
  • https://openalex.org/W2047693417
  • https://openalex.org/W2051731378
  • https://openalex.org/W2063131849
  • https://openalex.org/W2063952924
  • https://openalex.org/W2065188890
  • https://openalex.org/W2067031084
  • https://openalex.org/W2069198241
  • https://openalex.org/W2081372959
  • https://openalex.org/W2083344764
  • https://openalex.org/W2089993800
  • https://openalex.org/W2094494334
  • https://openalex.org/W2096608610
  • https://openalex.org/W2102514738
  • https://openalex.org/W2113412400
  • https://openalex.org/W2133465603
  • https://openalex.org/W2143900837
  • https://openalex.org/W2150879807
  • https://openalex.org/W2151831768
  • https://openalex.org/W2164092851
  • https://openalex.org/W2179958939
  • https://openalex.org/W2274824312
  • https://openalex.org/W2326758177
  • https://openalex.org/W2414584994
  • https://openalex.org/W2514289137
  • https://openalex.org/W2622669076
  • https://openalex.org/W2669516613
  • https://openalex.org/W2734707328
  • https://openalex.org/W2746547095
  • https://openalex.org/W2751564526
  • https://openalex.org/W2761780674
  • https://openalex.org/W2763414228