Search for biologically active substances of natural origin based on low-polar conifer extracts

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In recent years, research interest in the application of biologically active substances as a means of increasing the yield and stability of agricultural plants has been increasing. The main advantages of natural substances, which determines the prospects of their application in contemporary agricultural technologies, are seen in terms of their environmental safety and multifunctionality of action, including the ability to reduce various environmental stresses on plants. For both economic and ecological reasons, one of the main sources of biologically active substances consists of coniferous trees. Thus, an important task is presented in the search for new compounds from coniferous trees having growth-regulating and stress-protective properties as applied to various plants of commercial interest. In order to solve this problem, the growth-modulating and anti-stress biological activity of eight extracts containing compounds from needles and branches of three low-polar pine species (Pinus gen.) was tested using a model based on the Arabidopsis (thale cress) root and leaf rosette growth indicator. The obtained data confirmed the possibility of using the studied plant model for identifying the biological activity of low-polar metabolite extracts. Growth inhibition of the Arabidopsis main root, lateral roots and leaf rosettes by extracts and fractions of low-polar substances of the Pinus coniferous trees was demonstrated. The most significant growth inhibition of the main root was characteristic of the P. koraiensis (NIOC-28/1) needle hexane extract, while the neutral substances of the P. sibirica (NIOC-32/1) needle hexane extract suppressed the growth of both the main and accessory roots. The demonstrated allelopathic growth inhibition for Arabidopsis roots and leaf rosettes caused by extracts and fractions of low-polar substances of the Pinus coniferous trees shows the relevance of further study into the most active extracts for their possible application as herbicides. The absence of a positive effect for the studied extracts on the growth stability of the Arabidopsis root to heat shock was established.

About the authors

D. V. Pyatrikas

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: galdasova@sifibr.irk.ru

E. L. Gorbyleva

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: dzubina@sifibr.irk.ru

A. V. Fedyaeva

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: fedyaeva.anna@mail.ru

S. S. Zakharova

N.N. Vorozhtsov Novosibirsk Institute of Organic Chemistry of SB RAS, Novosibirsk National Research State University

Email: zakhsf@nioch.nsc.ru

A. V. Shpatov

N.N. Vorozhtsov Novosibirsk Institute of Organic Chemistry of SB RAS

Email: shpatov@nioch.nsc.ru

S. A. Popov

N.N. Vorozhtsov Novosibirsk Institute of Organic Chemistry of SB RAS

Email: spopov@nioch.nsc.ru

G. B. Borovskii

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: borovskii@sifibr.irk.ru

References

  1. Jurado A.S., Fernandes M.A.S., Videira R.A., Peixoto F.P., Vicente J.A.F. Herbicides: the face and reverse of the coin. An in vitro approach to the toxicity of herbicides in non-target organisms. In: Kortekamp A.E. (eds.) Herbicides and Environment. IntechOpen. 2011. P. 3–44. https://doi.org/10.5772/12976
  2. Jayaraj J., Wan A., Rahman M., Punja Z.K. Seaweed extract reduces foliar fungal diseases on carrot // Crop Protection. 2008. Vol. 27. Issue 10. P. 1360–1366. https://doi.org/10.1016/j.cropro.2008.05.005
  3. Khan W., Rayirath U.P., Subramanian S., Jithesh M.N., Rayorath P., Hodges D.M., et al. Seaweed extracts as biostimulants of plant growth and development // Journal of Plant Growth Regulation. 2009. Vol. 28. P. 386–399. https://doi.org/10.1007/s00344-009-9103-x
  4. Du Jardin P. The science of plant biostimulants – A bibliographic analysis: Ad hoc study report to the European Commission (contract 30-CE0455515/00-96), 2012. Available from: https://orbi.uliege.be/bitstream/2268/169257/1/Plant_Biostimulants_final_report_bio_2012_en.pdf.
  5. Hernandez-Herrera R.M., Santacruz-Ruvalcaba F., Ruiz-Lopez M.A., Norrie J., HernandezCarmona G. Effect of liquid seaweed extracts on growth of tomato seedlings (Solanum lycopersicum L.) // Journal of Applied Phycology. 2014. Vol. 26. Issue 1. P. 619–628. https://doi.org/10.1007/s10811-013-0078-4
  6. Du Jardin P. Plant biostimulants: Definition, concept, main categories and regulation // Scientia Horticulturae. 2015. Vol. 196. P. 3–14. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.09.021
  7. Шаповал О.А., Можарова И.П., Коршунов А.А. Регуляторы роста растений в агротехнологиях // Защита и карантин растений. 2014. N 6. С. 16–20.
  8. Горбылева Е.Л., Боровский Г.Б. Биостимуляторы роста и устойчивости растений терпеноидной природы и другие биологически активные соединения, полученные из хвойных пород // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018. Т. 8. N 4. С. 80–89. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2018-8-4-32-41
  9. Пат. № 2108803, Российская Федерация. Способ получения биологически активной суммы тритерпеновых кислот / В.А. Ралдугин, А.Г. Друганов, В.П. Климов, А.Н. Шубин, В.М. Чекуров; заявл. 08.04.1998; опубл. 20.04.1998/
  10. Graskova I.A., Kuznetsova E.V., Zhivetiev M.A., Chekurov V.M., Voinikov V.K. Effect of coniferous extract on potato plants // Journal of Stress Physiology & Biochemistry. 2009. Vol. 5. Issue 1-2. P. 38–44.
  11. Тарабанько В.Е., Ульянова О.А., Калачева Г.С. Исследование динамики содержания терпеновых соединений в компостах на основе сосновой коры и их ростостимулирующей активности // Химия растительного сырья. 2010. N 1. С. 121–126.
  12. Battisti D.S., Naylor R.L. Historical warnings of future food insecurity with unprecedented seasonal heat // Science. 2009. Vol. 323. Issue 5911. P. 240–244. https://doi.org/10.1126/science.1164363
  13. Wahid A., Gelani S., Ashraf M., Foolad M. Heat tolerance in plants: An overview // Environmental and Experimental Botany. 2007. Vol. 61. Issue 3. P. 199–223. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2007.05.011
  14. Obata T., Fernie A.R. The use of metabolomics to dissect plant responses to abiotic stresses // Cellular and Molecular Life Sciences. 2012. Vol. 69. P. 3225–3243. https://doi.org/10.1007/s00018-012-1091-5
  15. Raldugin V.A., Demenkova L.I., Pentegova V.A. Labdane acids and other components of the needles of Pinus pumila // Chemistry of Natural Compounds. 1985. Vol. 21. Issue 2. P. 192–197. https://doi.org/10.1007/BF00714911
  16. Гришко В.В., Шевцов С.А., Деменкова Л.И., Ралдугин В.А., Ляндрес Г.В. Групповой химический состав и основные компоненты экстракта обесхвоенных побегов кедра сибирского // Сибирский химический журнал. 1991. N 2. С. 94–97.
  17. Zinkel D.F., Han J.S. GLC determination of the resin acid composition in rosins and oleoresins: state of the art // Naval Stores Review. 1986. Vol. 96. Issue 2. P. 14–19.
  18. Shpatov A.V., Popov S.A., Salnikova O.I., Kukina T.P., Shmidt E.N., Um A.B.-H. Composition and Bioactivity of Lipophilic Metabolites from Needles and Twigs of Korean and Siberian Pines (Pinus koraiensis Siebold & Zucc. and Pinus sibirica Du Tour) // Chemistry & Biodiversity. 2017. Vol. 14. Issue 2. e1600203. https://doi.org/10.1002/cbdv.201600203
  19. Shpatov A.V., Popov S.A., Salnikova O.I., Shmidt E.N., Kang S.W., Kim S.M., et al. Lipophilic Extracts from Needles and Defoliated Twigs of Pinus pumila from Two Different Populations // Chemistry & Biodiversity. 2013. Vol. 10. Issue 2. P.
  20. –208. https://doi.org/10.1002/cbdv.201200009
  21. Mallik A.U. Allelopathy in Forested Ecosystems. In: Zeng R.S., Mallik A.U., Luo S.M. (eds). Allelopathy in Sustainable Agriculture and Forestry. New York: Springer, 2008. P. 363–386. https://doi.org/10.1007/978-0-387-77337-7_19
  22. Scognamiglio M., D’Abrosca B., Esposito A., Pacifico S., Monaco P., Fiorentino A. Plant growth inhibitors: allelopathic role or phytotoxic effects? Focus on Mediterranean biomes // Phytochemistry Review. 2013. Vol. 12. Issue 4. P. 803–
  23. https://doi.org/10.1007/s11101-013-9281-9
  24. Anwar T., Qureshi R., Qureshi H., Khan S., Khan S.A., Fatimah N., et al. Natural herbicidal potential of selected plants on germination and seedling growth of weeds // Applied Ecology and Eenvironmental Research. 2019. Vol. 17. Issue 4. P. 9679–9689. http://dx.doi.org/10.15666/aeer/1704_96799689
  25. Fernandez C., Santonja M., Gros R., Monnier Y., Chomel M., Baldy V., et al. Allelochemicals of Pinus halepensis as Drivers of Biodiversity in Mediterranean Open Mosaic Habitats During the Colonization Stage of Secondary Succession // Journal of Chemical Ecology. 2013. Vol. 39. Issue 2. P. 298–311. https://doi.org/10.1007/s10886-013-0239-6
  26. Li B., Shen Y.-H., He Y.-R., Zhang W.-D. Chemical Constituents and Biological Activities of Pinus Species // Chemistry & Biodiversity. 2013. Vol. 10. Issue 12. P. 2133–2160. https://doi.org/10.1002/cbdv.201100373
  27. Kil B.S., Yim Y.-J. Allelopathic effects of Pinus densiflora on undergrowth of red pine forest // Journal of Chemical Ecology. 1983. Vol. 9. Issue 8. P. 1135–1151. https://doi.org/10.1007/BF00982 17
  28. Kato-Noguchi H., Fushimi Y., Shigemori H. An allelopathic substance in red pine needles (Pinus densiflora) // Journal of Plant Physiology. 2009. Vol. 166. Issue 4. P. 442–446. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2008.06.012
  29. Lebedev V.G., Krutovsky K.V., Shestibratov K.A. ...Fell upas sits, the hydra-tree of death, or the phytotoxicity of trees // Molecules. 2019. Vol. 24. Issue 8. P. 1636. https://doi.org/10.3390/molecules24081636
  30. Уфимцев В.И., Беланов И.П. Аллелопатический режим в фитогенном поле сосны обыкновенной на техногенных элювиях Кузбасса // Вестник КрасГАУ. 2016. N 2 (113). С. 8–13.
  31. Лебедев В.М., Лебедев Е.В. Вопросы аллелопатии в лесных фитоценозах –
  32. состояние и перспективы // Агрохимия. 2015. N 4. С. 85–91.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».