Å effektivtkontroll myggog redusere forekomsten av sykdommene de bærer, er det behov for strategiske, bærekraftige og miljøvennlige alternativer til kjemiske plantevernmidler. Vi evaluerte frømel fra visse Brassicaceae (familien Brassica) som en kilde til planteavledede isotiocyanater produsert ved enzymatisk hydrolyse av biologisk inaktive glukosinolater for bruk i bekjempelsen av egyptiske Aedes (L., 1762). Fem-avfettet frømel (Brassica juncea (L) Czern., 1859, Lepidium sativum L., 1753, Sinapis alba L., 1753, Thlaspi arvense L., 1753 og Thlaspi arvense – tre hovedtyper av termisk inaktivering og enzymatisk nedbrytning. Kjemiske produkter: For å bestemme toksisitet (LC50) av allylisotiocyanat, benzylisotiocyanat og 4-hydroksybenzylisotiocyanat for Aedes aegypti-larver ved 24-timers eksponering = 0,04 g/120 ml dH2O). LC50-verdier for sennep, hvit sennep og kjerringrokk. Frømel var henholdsvis 0,05, 0,08 og 0,05 sammenlignet med allylisotiocyanat (LC50 = 19,35 ppm) og 4.-Hydroxybenzylisotiocyanat (LC50 = 55,41 ppm) var mer giftig for larver 24 timer etter behandling enn henholdsvis 0,1 g/120 ml dH2O. Disse resultatene stemmer overens med produksjonen av alfalfafrømel. Den høyere effektiviteten til benzylestere tilsvarer de beregnede LC50-verdiene. Bruk av frømel kan gi en effektiv metode for myggbekjempelse. Effektiviteten til korsblomstfrøpulver og dets viktigste kjemiske komponenter mot mygglarver viser hvordan de naturlige forbindelsene i korsblomstfrøpulver kan tjene som et lovende miljøvennlig larvemiddel for myggbekjempelse.
Vektorbårne sykdommer forårsaket av Aedes-mygg er fortsatt et stort globalt folkehelseproblem. Forekomsten av myggbårne sykdommer sprer seg geografisk1,2,3 og dukker opp igjen, noe som fører til utbrudd av alvorlig sykdom4,5,6,7. Spredningen av sykdommer blant mennesker og dyr (f.eks. chikungunya, dengue, Rift Valley-feber, gulfeber og Zika-virus) er enestående. Denguefeber alene setter omtrent 3,6 milliarder mennesker i fare for infeksjon i tropene, med anslagsvis 390 millioner infeksjoner årlig, noe som resulterer i 6 100–24 300 dødsfall per år8. Gjenoppkomsten og utbruddet av Zika-viruset i Sør-Amerika har vakt verdensomspennende oppmerksomhet på grunn av hjerneskaden det forårsaker hos barn født av smittede kvinner2. Kremer et al.3 spår at det geografiske utbredelsen av Aedes-mygg vil fortsette å utvide seg, og at innen 2050 vil halvparten av verdens befolkning være i fare for infeksjon av myggbårne arbovirus.
Med unntak av de nylig utviklede vaksinene mot denguefeber og gulfeber, er det ennå ikke utviklet vaksiner mot de fleste myggbårne sykdommer9,10,11. Vaksiner er fortsatt tilgjengelige i begrensede mengder og brukes kun i kliniske studier. Kontroll av myggvektorer ved bruk av syntetiske insektmidler har vært en nøkkelstrategi for å kontrollere spredningen av myggbårne sykdommer12,13. Selv om syntetiske plantevernmidler er effektive for å drepe mygg, påvirker fortsatt bruk av syntetiske plantevernmidler ikke-målorganismer negativt og forurenser miljøet14,15,16. Enda mer alarmerende er trenden med økende myggresistens mot kjemiske insektmidler17,18,19. Disse problemene knyttet til plantevernmidler har akselerert søket etter effektive og miljøvennlige alternativer for å kontrollere sykdomsvektorer.
Ulike planter har blitt utviklet som kilder til plantepesticider for skadedyrbekjempelse20,21. Plantestoffer er generelt miljøvennlige fordi de er biologisk nedbrytbare og har lav eller ubetydelig toksisitet for ikke-målorganismer som pattedyr, fisk og amfibier20,22. Urtepreparater er kjent for å produsere en rekke bioaktive forbindelser med forskjellige virkningsmekanismer for effektivt å kontrollere forskjellige livsstadier av mygg23,24,25,26. Planteavledede forbindelser som essensielle oljer og andre aktive planteingredienser har fått oppmerksomhet og banet vei for innovative verktøy for å kontrollere myggvektorer. Essensielle oljer, monoterpener og sesquiterpener fungerer som frastøtende midler, avskrekkende midler mot næring og ovicider27,28,29,30,31,32,33. Mange vegetabilske oljer forårsaker død av mygglarver, pupper og voksne mygglarver34,35,36, og påvirker nervesystemet, luftveiene, det endokrine systemet og andre viktige systemene hos insekter37.
Nyere studier har gitt innsikt i den potensielle bruken av sennepsplanter og frøene deres som en kilde til bioaktive forbindelser. Sennepsfrømel har blitt testet som et biofumigant38,39,40,41 og brukt som et jordforbedringsmiddel for ugressbekjempelse42,43,44 og kontroll av jordbårne plantepatogener45,46,47,48,49,50, planteernæring, nematoder41,51, 52, 53, 54 og skadedyr55, 56, 57, 58, 59, 60. Den soppdrepende aktiviteten til disse frøpulverne tilskrives plantebeskyttende forbindelser kalt isotiocyanater38,42,60. I planter lagres disse beskyttende forbindelsene i planteceller i form av ikke-bioaktive glukosinolater. Når planter imidlertid blir skadet av insektspredning eller patogeninfeksjon, hydrolyseres glukosinolater av myrosinase til bioaktive isotiocyanater55,61. Isotiocyanater er flyktige forbindelser som er kjent for å ha bredspektret antimikrobiell og insektdrepende aktivitet, og strukturen, biologiske aktiviteten og innholdet deres varierer mye mellom Brassicaceae-arter42,59,62,63.
Selv om isotiocyanater utvunnet fra sennepsfrømel er kjent for å ha insektdrepende aktivitet, mangler data om biologisk aktivitet mot medisinsk viktige leddyrvektorer. Studien vår undersøkte den larvicide aktiviteten til fire avfettede frøpulvere mot Aedes-mygg. Larver av Aedes aegypti. Målet med studien var å evaluere deres potensielle bruk som miljøvennlige biopesticider for myggbekjempelse. Tre hovedkjemiske komponenter i frømelet, allylisotiocyanat (AITC), benzylisotiocyanat (BITC) og 4-hydroksybenzylisotiocyanat (4-HBITC), ble også testet for å teste den biologiske aktiviteten til disse kjemiske komponentene på mygglarver. Dette er den første rapporten som evaluerer effektiviteten til fire kålfrøpulvere og deres viktigste kjemiske komponenter mot mygglarver.
Laboratoriekolonier av Aedes aegypti (Rockefeller-stamme) ble opprettholdt ved 26 °C, 70 % relativ fuktighet (RH) og 10:14 timer (L:D-fotoperiode). Parede hunner ble plassert i plastbur (høyde 11 cm og diameter 9,5 cm) og fôret via et flaskefôringssystem med sitrert bovint blod (HemoStat Laboratories Inc., Dixon, CA, USA). Blodfôring ble utført som vanlig ved hjelp av en membran-multiglassfôringsanordning (Chemglass, Life Sciences LLC, Vineland, NJ, USA) koblet til et sirkulerende vannbadrør (HAAKE S7, Thermo-Scientific, Waltham, MA, USA) med temperaturkontroll på 37 °C. Strekk en film av Parafilm M på bunnen av hvert glassfôringskammer (areal 154 mm2). Hver fôringsanordning ble deretter plassert på det øverste gitteret som dekker buret som inneholder den parende hunnen. Omtrent 350–400 μl bovint blod ble tilsatt en glasstrakt ved hjelp av en Pasteur-pipette (Fisherbrand, Fisher Scientific, Waltham, MA, USA), og de voksne ormene fikk renne av i minst én time. Drektige hunner fikk deretter en 10 % sukroseløsning og fikk legge egg på fuktig filterpapir dekket av individuelle ultraklare sufflékopper (størrelse 1,25 fl oz, Dart Container Corp., Mason, MI, USA). Plasser filterpapiret som inneholder egg i en forseglet pose (SC Johnsons, Racine, WI) og oppbevar ved 26 °C. Eggene ble klekket, og omtrent 200–250 larver ble oppdrettet i plastbrett som inneholdt en blanding av kaninfôr (ZuPreem, Premium Natural Products, Inc., Mission, KS, USA) og leverpulver (MP Biomedicals, LLC, Solon, OH, USA) og fiskefilet (TetraMin, Tetra GMPH, Meer, Tyskland) i forholdet 2:1:1. Larver i sent tredje stadium ble brukt i våre bioanalyser.
Plantefrømaterialet som ble brukt i denne studien ble innhentet fra følgende kommersielle og offentlige kilder: Brassica juncea (brun sennep-Pacific Gold) og Brassica juncea (hvit sennep-Ida Gold) fra Pacific Northwest Farmers' Cooperative, Washington State, USA; (Garden Cress) fra Kelly Seed and Hardware Co., Peoria, IL, USA og Thlaspi arvense (Field Pennycress-Elisabeth) fra USDA-ARS, Peoria, IL, USA. Ingen av frøene som ble brukt i studien ble behandlet med plantevernmidler. Alt frømateriale ble bearbeidet og brukt i denne studien i samsvar med lokale og nasjonale forskrifter og i samsvar med alle relevante lokale, statlige og nasjonale forskrifter. Denne studien undersøkte ikke transgene plantesorter.
Frø av Brassica juncea (PG), Alfalfa (Ls), Hvit sennep (IG) og Thlaspi arvense (DFP) ble malt til et fint pulver ved hjelp av en Retsch ZM200 ultrasentrifugalmølle (Retsch, Haan, Tyskland) utstyrt med en 0,75 mm maskevidde og en rotor i rustfritt stål, 12 tenner, 10 000 o/min (tabell 1). Det malte frøpulveret ble overført til en papirholder og avfettet med heksan i et Soxhlet-apparat i 24 timer. En delprøve av avfettet åkersennep ble varmebehandlet ved 100 °C i 1 time for å denaturere myrosinase og forhindre hydrolyse av glukosinolater for å danne biologisk aktive isotiocyanater. Varmebehandlet kjerringrokkfrøpulver (DFP-HT) ble brukt som en negativ kontroll ved å denaturere myrosinase.
Glukosinolatinnholdet i avfettet frømel ble bestemt i triplikat ved bruk av høytrykksvæskekromatografi (HPLC) i henhold til en tidligere publisert protokoll 64. Kort fortalt ble 3 ml metanol tilsatt en 250 mg prøve av avfettet frøpulver. Hver prøve ble sonikert i et vannbad i 30 minutter og satt i mørket ved 23 °C i 16 timer. En 1 ml alikvot av det organiske laget ble deretter filtrert gjennom et 0,45 μm filter og inn i en autosampler. Glukosinolatinnholdet i frømel ble bestemt i triplikat ved bruk av Shimadzu LC Solution-programvareversjon 1.25 (Shimadzu Corporation, Columbia, MD, USA). Kolonnen var en C18 Inertsil reversfasekolonne (250 mm × 4,6 mm; RP C-18, ODS-3, 5u; GL Sciences, Torrance, CA, USA). De første mobile fasebetingelsene ble satt til 12 % metanol/88 % 0,01 M tetrabutylammoniumhydroksid i vann (TBAH; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) med en strømningshastighet på 1 ml/min. Etter injeksjon av 15 μl prøve ble de første betingelsene opprettholdt i 20 minutter, og deretter ble løsningsmiddelforholdet justert til 100 % metanol, med en total prøveanalysetid på 65 minutter. En standardkurve (basert på nM/mAb) ble generert ved seriefortynninger av ferskt tilberedte sinapin-, glukosinolat- og myrosinstandarder (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) for å estimere svovelinnholdet i avfettet frømel, glukosinolater. Glukosinolatkonsentrasjonene i prøvene ble testet på en Agilent 1100 HPLC (Agilent, Santa Clara, CA, USA) ved bruk av OpenLAB CDS ChemStation-versjonen (C.01.07 SR2 [255]) utstyrt med samme kolonne og ved bruk av en tidligere beskrevet metode. Glukosinolatkonsentrasjonene ble bestemt; de kunne sammenlignes mellom HPLC-systemer.
Allylisotiocyanat (94 %, stabilt) og benzylisotiocyanat (98 %) ble kjøpt fra Fisher Scientific (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA). 4-hydroksybenzylisotiocyanat ble kjøpt fra ChemCruz (Santa Cruz Biotechnology, CA, USA). Når glukosinolater, glukosinolater og glukosinolater enzymatisk hydrolyseres av myrosinase, danner de henholdsvis allylisotiocyanat, benzylisotiocyanat og 4-hydroksybenzylisotiocyanat.
Laboratoriebioanalyser ble utført i henhold til metoden til Muturi et al. 32 med modifikasjoner. Fem fettfattige frøfôrtyper ble brukt i studien: DFP, DFP-HT, IG, PG og Ls. Tjue larver ble plassert i et 400 ml engangs treveisbegerglass (VWR International, LLC, Radnor, PA, USA) som inneholdt 120 ml avionisert vann (dH2O). Syv frømelkonsentrasjoner ble testet for mygglarvetoksisitet: 0,01, 0,02, 0,04, 0,06, 0,08, 0,1 og 0,12 g frømel/120 ml dH2O for DFP-frømel, DFP-HT, IG og PG. Foreløpige bioanalyser indikerer at avfettet Ls-frømel er mer giftig enn fire andre testede frømeltyper. Derfor justerte vi de sju behandlingskonsentrasjonene av Ls-frømel til følgende konsentrasjoner: 0,015, 0,025, 0,035, 0,045, 0,055, 0,065 og 0,075 g/120 ml dH2O.
En ubehandlet kontrollgruppe (dH20, uten frømeltilskudd) ble inkludert for å vurdere normal insektdødelighet under analyseforhold. Toksikologiske bioanalyser for hvert frømel inkluderte tre replikatbegerglass med tre skråninger (20 larver fra sent tredje stadium per begerglass), totalt 108 ampuller. Behandlede beholdere ble oppbevart ved romtemperatur (20–21 °C), og larvedødeligheten ble registrert i løpet av 24 og 72 timer med kontinuerlig eksponering for behandlingskonsentrasjoner. Hvis myggens kropp og lemmer ikke beveger seg når de blir stukket eller berørt med en tynn spatel i rustfritt stål, anses mygglarvene som døde. Døde larver forblir vanligvis ubevegelige i en dorsal eller ventral posisjon i bunnen av beholderen eller på vannoverflaten. Eksperimentet ble gjentatt tre ganger på forskjellige dager med forskjellige grupper av larver, totalt 180 larver eksponert for hver behandlingskonsentrasjon.
Toksisiteten til AITC, BITC og 4-HBITC for mygglarver ble vurdert ved bruk av samme bioassayprosedyre, men med forskjellige behandlinger. Forbered 100 000 ppm stamløsninger for hvert kjemikalie ved å tilsette 100 µL av kjemikaliet til 900 µL absolutt etanol i et 2 ml sentrifugerør og riste i 30 sekunder for å blande godt. Behandlingskonsentrasjonene ble bestemt basert på våre foreløpige bioanalyser, som viste at BITC var mye mer giftig enn AITC og 4-HBITC. For å bestemme toksisitet ble 5 konsentrasjoner av BITC (1, 3, 6, 9 og 12 ppm), 7 konsentrasjoner av AITC (5, 10, 15, 20, 25, 30 og 35 ppm) og 6 konsentrasjoner av 4-HBITC (15, 15, 20, 25, 30 og 35 ppm) brukt. Kontrollbehandlingen ble injisert med 108 μL absolutt etanol, som tilsvarer det maksimale volumet av den kjemiske behandlingen. Bioanalysene ble gjentatt som ovenfor, med totalt 180 larver per behandlingskonsentrasjon eksponert. Larvedødelighet ble registrert for hver konsentrasjon av AITC, BITC og 4-HBITC etter 24 timer med kontinuerlig eksponering.
Probitanalyse av 65 doserelaterte dødelighetsdata ble utført ved hjelp av Polo-programvare (Polo Plus, LeOra Software, versjon 1.0) for å beregne 50 % dødelig konsentrasjon (LC50), 90 % dødelig konsentrasjon (LC90), stigningstall, dødelig dosekoeffisient og 95 % dødelig konsentrasjon, basert på konfidensintervaller for dødelige doseforhold for log-transformerte konsentrasjons- og dose-dødelighetskurver. Dødelighetsdataene er basert på kombinerte replikatdata av 180 larver eksponert for hver behandlingskonsentrasjon. Probabilistiske analyser ble utført separat for hvert frømel og hver kjemisk komponent. Basert på 95 % konfidensintervallet for det dødelige doseforholdet, ble toksisiteten til frømel og kjemiske bestanddeler for mygglarver ansett å være signifikant forskjellig, så et konfidensintervall som inneholdt en verdi på 1 var ikke signifikant forskjellig, P = 0,0566.
HPLC-resultatene for bestemmelse av de viktigste glukosinolatene i avfettet frømel DFP, IG, PG og Ls er listet opp i tabell 1. De viktigste glukosinolatene i de testede frømelene varierte med unntak av DFP og PG, som begge inneholdt myrosinaseglukosinolater. Myrosinininnholdet i PG var høyere enn i DFP, henholdsvis 33,3 ± 1,5 og 26,5 ± 0,9 mg/g. Ls-frøpulver inneholdt 36,6 ± 1,2 mg/g glukoglykon, mens IG-frøpulver inneholdt 38,0 ± 0,5 mg/g sinapin.
Larver av Ae. Aedes aegypti-mygg ble drept når de ble behandlet med avfettet frømel, selv om effektiviteten av behandlingen varierte avhengig av plantearten. Bare DFP-NT var ikke giftig for mygglarver etter 24 og 72 timers eksponering (tabell 2). Toksisiteten til det aktive frøpulveret økte med økende konsentrasjon (fig. 1A, B). Toksisiteten til frømel for mygglarver varierte betydelig basert på 95 % KI for det dødelige doseforholdet mellom LC50-verdier ved 24-timers og 72-timers vurderinger (tabell 3). Etter 24 timer var den toksiske effekten av Ls-frømel større enn andre frømelbehandlinger, med høyest aktivitet og maksimal toksisitet for larver (LC50 = 0,04 g/120 ml dH2O). Larvene var mindre følsomme for DFP etter 24 timer sammenlignet med behandlinger med IG-, Ls- og PG-frøpulver, med LC50-verdier på henholdsvis 0,115, 0,04 og 0,08 g/120 ml dH2O, som var statistisk høyere enn LC50-verdien på 0,211 g/120 ml dH2O (tabell 3). LC90-verdiene for DFP, IG, PG og Ls var henholdsvis 0,376, 0,275, 0,137 og 0,074 g/120 ml dH2O (tabell 2). Den høyeste konsentrasjonen av DPP var 0,12 g/120 ml dH2O. Etter 24 timers vurdering var gjennomsnittlig larvedødelighet bare 12 %, mens gjennomsnittlig dødelighet for IG- og PG-larver nådde henholdsvis 51 % og 82 %. Etter 24 timer med evaluering var den gjennomsnittlige larvedødeligheten for den høyeste konsentrasjonen av Ls-frømelbehandling (0,075 g/120 ml dH2O) 99 % (fig. 1A).
Dødelighetskurver ble estimert fra doseresponsen (Probit) av Ae. egyptiske larver (3. instarlarver) til frømelkonsentrasjon 24 timer (A) og 72 timer (B) etter behandling. Den stiplede linjen representerer LC50 for frømelbehandlingen. DFP Thlaspi arvense, DFP-HT varmeinaktivert Thlaspi arvense, IG Sinapsis alba (Ida-gull), PG Brassica juncea (Stillehavsgull), Ls Lepidium sativum.
Ved 72-timers evaluering var LC50-verdiene for DFP, IG og PG frømel henholdsvis 0,111, 0,085 og 0,051 g/120 ml dH2O. Nesten alle larver som ble eksponert for Ls-frømel døde etter 72 timers eksponering, så dødelighetsdataene var inkonsistente med Probit-analysen. Sammenlignet med annet frømel var larvene mindre følsomme for DFP-frømelbehandling og hadde statistisk sett høyere LC50-verdier (tabell 2 og 3). Etter 72 timer ble LC50-verdiene for DFP-, IG- og PG-frømelbehandlinger estimert til henholdsvis 0,111, 0,085 og 0,05 g/120 ml dH2O. Etter 72 timers evaluering var LC90-verdiene for DFP-, IG- og PG-frøpulver henholdsvis 0,215, 0,254 og 0,138 g/120 ml dH2O. Etter 72 timers evaluering var den gjennomsnittlige larvedødeligheten for DFP-, IG- og PG-frømelbehandlingene ved en maksimal konsentrasjon på 0,12 g/120 ml dH2O henholdsvis 58 %, 66 % og 96 % (fig. 1B). Etter 72 timers evaluering ble PG-frømel funnet å være mer giftig enn IG- og DFP-frømel.
Syntetiske isotiocyanater, allylisotiocyanat (AITC), benzylisotiocyanat (BITC) og 4-hydroksybenzylisotiocyanat (4-HBITC) kan effektivt drepe mygglarver. 24 timer etter behandling var BITC mer giftig for larver med en LC50-verdi på 5,29 ppm sammenlignet med 19,35 ppm for AITC og 55,41 ppm for 4-HBITC (tabell 4). Sammenlignet med AITC og BITC har 4-HBITC lavere toksisitet og en høyere LC50-verdi. Det er signifikante forskjeller i mygglarvetoksisiteten til de to viktigste isotiocyanatene (Ls og PG) i det mest potente frømelet. Toksisitet basert på forholdet mellom dødelig dose og LC50-verdier mellom AITC, BITC og 4-HBITC viste en statistisk forskjell slik at 95 % KI for LC50-forholdet mellom dødelig dose ikke inkluderte en verdi på 1 (P = 0,05, tabell 4). De høyeste konsentrasjonene av både BITC og AITC ble anslått å drepe 100 % av larvene som ble testet (figur 2).
Dødelighetskurver ble estimert fra doseresponsen (Probit) av Ae. 24 timer etter behandling nådde egyptiske larver (3. instarlarver) syntetiske isotiocyanatkonsentrasjoner. Den stiplede linjen representerer LC50 for isotiocyanatbehandling. Benzylisotiocyanat BITC, allylisotiocyanat AITC og 4-HBITC.
Bruken av plantebaserte biopesticider som myggvektorkontrollmidler har lenge vært studert. Mange planter produserer naturlige kjemikalier som har insektdrepende aktivitet37. Deres bioaktive forbindelser gir et attraktivt alternativ til syntetiske insektmidler med stort potensial for å bekjempe skadedyr, inkludert mygg.
Sennepsplanter dyrkes som en avling for frøene sine, brukt som krydder og en kilde til olje. Når sennepsolje utvinnes fra frøene, eller når sennep utvinnes for bruk som biodrivstoff, 69 er biproduktet avfettet frømel. Dette frømelet beholder mange av sine naturlige biokjemiske komponenter og hydrolytiske enzymer. Toksisiteten til dette frømelet tilskrives produksjonen av isotiocyanater 55,60,61. Isotiocyanater dannes ved hydrolyse av glukosinolater av enzymet myrosinase under hydrering av frømel 38,55,70 og er kjent for å ha soppdrepende, bakteriedrepende, nematicidale og insektdrepende effekter, samt andre egenskaper, inkludert kjemiske sensoriske effekter og kjemoterapeutiske egenskaper 61,62,70. Flere studier har vist at sennepsplanter og frømel fungerer effektivt som fumiganter mot jord og skadedyr i lagret mat 57,59,71,72. I denne studien vurderte vi toksisiteten til firefrømel og dets tre bioaktive produkter AITC, BITC og 4-HBITC for Aedes-mygglarver. Aedes aegypti. Å tilsette frømel direkte til vann som inneholder mygglarver forventes å aktivere enzymatiske prosesser som produserer isotiocyanater som er giftige for mygglarver. Denne biotransformasjonen ble delvis demonstrert av den observerte larvicide aktiviteten til frømelet og tap av insektdrepende aktivitet da dvergsennepsfrømel ble varmebehandlet før bruk. Varmebehandling forventes å ødelegge de hydrolytiske enzymene som aktiverer glukosinolater, og dermed forhindre dannelsen av bioaktive isotiocyanater. Dette er den første studien som bekrefter de insektdrepende egenskapene til kålfrøpulver mot mygg i et vannmiljø.
Blant de testede frøpulverne var brønnkarsefrøpulver (Ls) det mest giftige, og forårsaket høy dødelighet av Aedes albopictus. Aedes aegypti-larver ble behandlet kontinuerlig i 24 timer. De resterende tre frøpulverne (PG, IG og DFP) hadde lavere aktivitet og forårsaket fortsatt betydelig dødelighet etter 72 timer med kontinuerlig behandling. Bare Ls-frømel inneholdt betydelige mengder glukosinolater, mens PG og DFP inneholdt myrosinase og IG inneholdt glukosinolat som hovedglukosinolat (tabell 1). Glukotropaeolin hydrolyseres til BITC og sinalbin hydrolyseres til 4-HBITC61,62. Våre bioassayresultater indikerer at både Ls-frømel og syntetisk BITC er svært giftige for mygglarver. Hovedkomponenten i PG- og DFP-frømel er myrosinaseglukosinolat, som hydrolyseres til AITC. AITC er effektiv i å drepe mygglarver med en LC50-verdi på 19,35 ppm. Sammenlignet med AITC og BITC er 4-HBITC-isotiocyanat minst giftig for larver. Selv om AITC er mindre giftig enn BITC, er LC50-verdiene lavere enn mange essensielle oljer testet på mygglarver32,73,74,75.
Vårt korsblomstrende frøpulver for bruk mot mygglarver inneholder én hovedglukosinolat, som står for over 98–99 % av de totale glukosinolatene, bestemt ved HPLC. Spormengder av andre glukosinolater ble påvist, men nivåene deres var mindre enn 0,3 % av de totale glukosinolatene. Brønnkarse (L. sativum) frøpulver inneholder sekundære glukosinolater (sinigrin), men andelen deres er 1 % av de totale glukosinolatene, og innholdet deres er fortsatt ubetydelig (ca. 0,4 mg/g frøpulver). Selv om PG og DFP inneholder samme hovedglukosinolat (myrosin), varierer den larvicide aktiviteten til frømelene betydelig på grunn av deres LC50-verdier. Varierer i toksisitet for meldugg. Fremveksten av Aedes aegypti-larver kan skyldes forskjeller i myrosinaseaktivitet eller stabilitet mellom de to frøfôrene. Myrosinaseaktivitet spiller en viktig rolle i biotilgjengeligheten av hydrolyseprodukter som isotiocyanater i Brassicaceae-planter76. Tidligere rapporter av Pocock et al.77 og Wilkinson et al.78 har vist at endringer i myrosinaseaktivitet og -stabilitet også kan være assosiert med genetiske og miljømessige faktorer.
Forventet innhold av bioaktive isotiocyanater ble beregnet basert på LC50-verdiene for hvert frømel etter 24 og 72 timer (tabell 5) for sammenligning med tilsvarende kjemiske anvendelser. Etter 24 timer var isotiocyanatene i frømelet mer giftige enn de rene forbindelsene. LC50-verdiene beregnet basert på deler per million (ppm) av isotiocyanatfrøbehandlinger var lavere enn LC50-verdiene for BITC-, AITC- og 4-HBITC-applikasjoner. Vi observerte larver som konsumerte frømelpellets (figur 3A). Følgelig kan larver få mer konsentrert eksponering for giftige isotiocyanater ved å innta frømelpellets. Dette var mest tydelig i IG- og PG-frømelbehandlingene ved 24-timers eksponering, hvor LC50-konsentrasjonene var henholdsvis 75 % og 72 % lavere enn for rene AITC- og 4-HBITC-behandlinger. Ls- og DFP-behandlinger var mer giftige enn ren isotiocyanat, med LC50-verdier henholdsvis 24 % og 41 % lavere. Larvene i kontrollbehandlingen forpuppet seg (fig. 3B), mens de fleste larvene i frømelbehandlingen ikke forpuppet seg, og larveutviklingen ble betydelig forsinket (fig. 3B, D). I Spodopteralitura er isotiocyanater assosiert med veksthemming og utviklingsforsinkelse79.
Larver av Ae. Aedes aegypti-mygg ble kontinuerlig eksponert for Brassica-frøpulver i 24–72 timer. (A) Døde larver med partikler av frømel i munndelene (sirklet inn); (B) Kontrollbehandling (dH20 uten tilsatt frømel) viser at larvene vokser normalt og begynner å forpuppe seg etter 72 timer. (C, D) Larver behandlet med frømel; frømelet viste forskjeller i utvikling og forpuppet seg ikke.
Vi har ikke studert mekanismen bak den toksiske effekten av isotiocyanater på mygglarver. Tidligere studier på røde ildmaur (Solenopsis invicta) har imidlertid vist at hemming av glutation S-transferase (GST) og esterase (EST) er hovedmekanismen for isotiocyanats bioaktivitet, og AITC kan, selv ved lav aktivitet, også hemme GST-aktivitet. Importerte røde ildmaur i lave konsentrasjoner. Dosen er 0,5 µg/ml80. I motsetning til dette hemmer AITC acetylkolinesterase hos voksne maisbiller (Sitophilus zeamais)81. Lignende studier må utføres for å belyse mekanismen bak isotiocyanats aktivitet hos mygglarver.
Vi bruker varmeinaktivert DFP-behandling for å støtte forslaget om at hydrolyse av planteglukosinolater for å danne reaktive isotiocyanater fungerer som en mekanisme for bekjempelse av mygglarver ved hjelp av sennepsfrømel. DFP-HT-frømel var ikke giftig ved de testede påføringsmengdene. Lafarga et al. 82 rapporterte at glukosinolater er følsomme for nedbrytning ved høye temperaturer. Varmebehandling forventes også å denaturere myrosinase-enzymet i frømel og forhindre hydrolyse av glukosinolater for å danne reaktive isotiocyanater. Dette ble også bekreftet av Okunade et al. 75 som viste at myrosinase er temperaturfølsom, noe som viser at myrosinaseaktiviteten ble fullstendig inaktivert når senneps-, svartsenneps- og blodrotfrø ble utsatt for temperaturer over 80 °C. Disse mekanismene kan føre til tap av insektdrepende aktivitet til varmebehandlet DFP-frømel.
Sennepsfrømel og dets tre viktigste isotiocyanater er dermed giftige for mygglarver. Gitt disse forskjellene mellom frømel og kjemiske behandlinger, kan bruk av frømel være en effektiv metode for myggbekjempelse. Det er behov for å identifisere passende formuleringer og effektive leveringssystemer for å forbedre effektiviteten og stabiliteten ved bruk av frøpulver. Resultatene våre indikerer potensiell bruk av sennepsfrømel som et alternativ til syntetiske plantevernmidler. Denne teknologien kan bli et innovativt verktøy for å kontrollere myggvektorer. Fordi mygglarver trives i akvatiske miljøer og frømelglukosinolater omdannes enzymatisk til aktive isotiocyanater ved hydrering, gir bruk av sennepsfrømel i mygginfisert vann et betydelig kontrollpotensial. Selv om den larvicide aktiviteten til isotiocyanater varierer (BITC > AITC > 4-HBITC), er det behov for mer forskning for å avgjøre om kombinasjonen av frømel med flere glukosinolater synergistisk øker toksisiteten. Dette er den første studien som demonstrerer de insektdrepende effektene av avfettet korsblomstrende frømel og tre bioaktive isotiocyanater på mygg. Resultatene fra denne studien er banebrytende ved å vise at avfettet kålfrømel, et biprodukt av oljeutvinning fra frøene, kan tjene som et lovende larvicidalt middel for myggbekjempelse. Denne informasjonen kan bidra til å videreutvikle oppdagelsen av plantebaserte biokontrollmidler og deres utvikling som billige, praktiske og miljøvennlige biopesticider.
Datasettene som ble generert for denne studien og de resulterende analysene er tilgjengelige fra den korresponderende forfatteren på rimelig forespørsel. Ved studiens slutt ble alt materiale som ble brukt i studien (insekter og frømel) destruert.
Publisert: 29. juli 2024