peraminy, jako alternatywnego środka ochr - BIOL

Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 48 (2) 2008
ZASTOSOWANIE ZAAWANSOWANYCH METOD
SPEKTRALNYCH W BADANIACH ANTYFIDANTU
– PERAMINY, JAKO ALTERNATYWNEGO ŚRODKA
OCHRONY ROŚLIN
ANDRZEJ ŁAPIŃSKI1, ALINA T. DUBIS2
1
Polska Akademia Nauk, Instytut Fizyki Molekularnej
Smoluchowskiego 17, 60-179 Poznań
[email protected]
2
Uniwersytet w Białymstoku, Instytut Chemii
Piłsudskiego 11/4, 15-443 Białystok
[email protected]
I. WSTĘP
Człowiek chcąc chronić rośliny użyteczne, stara się wyeliminować lub znacznie
ograniczyć wpływ pozostałych elementów układu i w takich przypadkach najczęściej
stosuje pestycydy. Alternatywą do tego rodzaju środków ochrony roślin mogą być substancje nazywane antyfidantami (terminem antyfidanty określa się substancje częściowo
lub całkowicie hamujace żerowanie owadów). Posiadają one liczne zalety: (a) są nietoksyczne dla owadów (są to najczęściej związki pochodzenia roślinnego, oddziałują one
na ich narządy smaku, powodując zaprzestanie żerowania na chronionych roślinach
i w efekcie śmierć głodową owadów), (b) cechuje je selektywność działania (są one
aktywne wobec wąskiej grupy owadów, pozostając obojętnymi wobec innych), (c) są
biodegradalne (antyfidanty są pochodzenia naturalnego, a co za tym idzie, zarówno one,
jak i ich pochodne są przyjazne dla środowiska).
W roku 1986 został odkryty przez Rowana (Rowan i wsp. 1986) nowy alkaloid
1-okso-2,3-dipodstawiona-pirolo[1,2-a]pirazyna, który został nazwany peraminą. Cząsteczka peraminy zawiera dwa interesujące elementy strukturalne: lipofilowy, pirolopirazynowy układ pierścieniowy i hydrofilową, silnie zasadową grupę guanidynową
w łańcuchu bocznym. Własności peraminy jako antyfidantu zaobserwowano wtedy, gdy
okazało się, że niektóre z roślin wykazują znaczną odporność na trawożerne owady.
Powiązano następnie to z obecnością grzybowych endofitów (Power 1984; Clay 1989).
Okazało się, że zainfekowane trawy stanowią pożywienie dla mniejszej liczby larw
i osobników dorosłych Listronotus bonariensis, głównego szkodnika pastwisk, upraw
kukurydzy, pszenicy, jęczmienia i innych plonów (Prestidge i Gallagher 1985; Rowan
1990). W ekstraktach z zainfekowanych liści życicy trwałej Lolium perenne zidentyfikowano wówczas właśnie peraminę, która wykazywała silne działanie antyfidantne
(Brimble i wsp. 1988). Odkryto później, że peramina wykazuje działanie antyfidantne
Zastosowanie zaawansowanych metod spektralnych...
731
również w stosunku do takich owadów, jak: chrząszcz Phaedon cochleariae (F.), niektóre mszyce Rhopalsiphum maidis i Drosophila melanogaster oraz silnie redukuje
wzrost gąsiennic Spodeptera frugiperda (Siegel i wsp. 1987).
Celem badań jest zastosowanie metod spektroskopii wibracyjnej i elektronowej do
pełnej charakterystyki peraminy oraz określenie pasm charakterystycznych dla badanej
substancji, służących jako wskaźniki obecności substancji czynnej na podłożu biologicznym w warunkach polowych.
II. MATERIAŁ I METODY
Obiektem badań jest alkaloid peramina wykazujący działanie antyfidantne w stosunku do owadów trawożernych oraz obiecujące działanie zniechęcające do żerowania
w stosunku do niektórych szkodników magazynowych.
W pracy zastosowano szerokie spektrum metod analizy spektroskopowej. Przeprowadzono badania widm absorpcyjnych peraminy w fazie stałej oraz w roztworach.
Ponadto widma oscylacyjne zmierzono z wykorzystaniem techniki odbicia dyfuzyjnego.
Wykorzystano do tego celu spektrometry: FT-IR Bruker Equinox 55 (od 400 do
9 000 1/cm) oraz NIR/Vis/UV Perkin-Elmer Lambda 19 (od 3 200 do 45 000 1/cm).
Poza tym do badań użyto technikę rozproszenia Ramana. Widma rozproszeniowe zarejestrowano za pomocą dyspersyjnego spektrometru ramanowskiego HORIBA Jobin
Yvon HR 800. W celu pełnego zinterpretowania danych eksperymentalnych przeprowadzono obliczenia ab initio. Do obliczeń widm wibracyjnych zastosowano metodę
B3LYP, a w przypadku wyznaczenia energii wzbudzeń wewnątrzmolekularnych
TD-B3LYP; baza obliczeniowa – 6-311++G(d,p).
III. WYNIKI I ICH OMÓWIENIE
Wykorzystywane przez nas techniki pomiarowe dostarczają szeregu interesujących
informacji na temat oddziaływań i dynamiki procesów na poziomie molekularnym.
Ponadto są powszechnie stosowane do rozwiązywania szeregu praktycznych problemów związanych między innymi z identyfikacją składu chemicznego mieszanin (pozycja pasm związku chemicznego jest charakterystyczna dla konkretnego związku, tak jak
linie papilarne u człowieka). Na rysunku 1. przedstawiono widma eksperymentalne
peraminy zmierzone różnymi technikami spektroskopowymi.
Najintensywniejsze pasma oscylacyjne dla antyfidantu peraminy obserwuje się przy
następujących liczbach falowych: 3132 (C-H r), 3086 (C-H r), 1667 (C=O r, C=C r),
1607 (C=O r, C=C r), 1473 (N-H z), 1428 (CH3 z), 1396 (CH2 z), 1379 (C-N r, CH2 z),
1363 (C-N r), 1076 (N-H r), 739 (C-H z); oznaczenia: r – rozciąganie wiązań, z – zginanie wiązań. Interpretację widm wykonano w oparciu o obliczenia ab initio drgań
normalnych z wykorzystaniem zaawansowanych metod chemii kwantowej.
Na rysunku 2. przedstawiono widma absorpcyjne peraminy w zakresie przejść elektronowych w fazie stałej oraz w roztworach wodnym i w etanolu. W widmach dominują
dwa szerokie pasma leżace w okolicy 270 nm oraz 230 nm. Pierwsze z nich związane
jest ze wzbudzeniem π→π* pirolopirazynowego układu pierścieniowego, a drugie z wewnątrzmolekularnym przeniesieniem ładunku pomiędzy lipofilowym układem pierście-
732
Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 48 (2) 2008
Liczba falowa − Wave number [1/cm]
Rys. 1. Widmo odbicia dyfuzyjnego (a), widmo absorpcyjne (b) oraz widmo rozproszenia Ramana (c) zarejestrowane dla antyfidantu peraminy
Fig. 1. Absorption spectrum (a), diffusion reflectance spectrum (b), and Raman spectrum recorded for antifeedant peramine
Rys. 2. Widma elektronowe peraminy zarejestrowane w fazie stałej w matrycy KBr (a), w roztworze wodnym (b) oraz w alkoholu etylowym (c)
Fig. 2. Electronic spectra of peramine in the solid state in KBr matrices (a), in water (b), and
ethanol (c) solutions
niowym a hydrofilową, silnie zasadową grupą guanidynową. Poza tym zaobserwowano
dla peraminy efekt rozpuszczalnikowy. Pasmo elektronowe występujące w okolicy
230 nm wykazuje przesunięcie batochromowe (w KBr – 228 nm, w wodzie – 229 nm,
w alkoholu etylowym – 230 nm), a z kolei pasmo obserwowane w okolicy 270 nm
Zastosowanie zaawansowanych metod spektralnych...
733
wykazuje przesunięcie hipsochromowe (w KBr – 229 nm, w wodzie –288 nm, w alkoholu etylowym – 284 nm).
W pracy przedstawiono dla molekuły peraminy charakterystyczne pasma oscylacyjne i elektronowe, które w metodzie odbicia dyfuzyjnego, czy też w metodzie całkowitego wewnętrznego odbicia (ATR – Attenuated Total Reflectance) mogą służyć jako
wskaźniki obecności substancji czynnej na roślinie uprawnej (Dubis i Łapiński 2008).
Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2006–2008 jako projekt badawczy
nr N310 063 31/2813.
IV. LITERATURA
Brimble M.A., Brimble M.T., Hodges R., Lane G.A. 1988. Synthesis of 2-Methylpyrrolo
[1,2-a]pyrazin-1(2H)-one. Aust. J. Chem. 41: 1583–1590.
Clay K. 1989. Clavicipitaceous endophytes of grasses: their potential as biocontrol agents. Mycol.
Res. 92: 1–12.
Dubis A.T., Łapiński A. 2008. Własności fizykochemiczne peraminy i jej pochodnych jako alternatywnego środka ochrony roślin. Prog. Plant Protection/Post. Ochr. Roślin 48: 715–718.
Power R.J.B. 1984. Argentine stem weevil life cycle. DSIR Information Series No. 105/2, 1st
revision.
Prestidge R.A, Gallagher R.T. 1985. Lolitrem B – A stem weevil toxin isolated from Acremonium-infected ryegrass. Proc. 38th N.Z. Weed Pest Control Conf.: 38–40.
Rowan D.D., Hunt M.B., Gaynor D.L. 1986. Peramine, a novel insect feeding deterrent from
ryegrass infected with the endophyte Acremonium loliae. J. Chem. Soc., Chem. Commun.:
935–936.
Rowan D.D. 1990. Effect of fungal metabolite peramine and analogs on feeding and development
of argentine stem weevil (Listronotus bonariensis). J. Chem. Ecol. 5: 1547–1555.
Siegel M.R., Latch G.C.M., Johnson M.C. 1987. Fungal endophytes of grasses. Annu. Rev. Phytopathol. 25: 293–315.
ANDRZEJ ŁAPIŃSKI, ALINA T. DUBIS
APPLICATION OF ADVANCED SPECTROSCOPIC METHODS
FOR INVESTIGATION OF A NATURAL ANTIFEEDANT PERAMINE
AS ALTERNATIVE PLANT PROTECTION CHEMICAL
SUMMARY
Using the advanced spectroscopic methods the vibrational and electronic spectra were investigated. On the bases of the quantum chemical methods the assignments of observed transitions
were proposed. Moreover, it was shown which bands can be used as indicators of the presence of
active substance on cultivated plants.
Key words: antifeedants, IR and Raman spectroscopy, DFT calculations