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Authors
Abstract(s)
Nematicides with a lower environmental impact are urgently required to tackle plantparasitic
nematodes while safeguarding human health and the surrounding
ecosystems. A wide variety of volatile compounds is biosynthesized by living
organisms, with plants being especially known for the bioactivity of their volatile
metabolites. Several volatile phytochemicals are already approved as plant protection
products in the European Union. Still, against the pinewood nematode (PWN), a major
threat to conifer forests worldwide, none is currently used. This work aimed at
screening volatiles as bionematicides against the PWN through an in vitro approach to
identify the most active molecules. These were further analyzed to gain insight into
their potential mode of action through computational chemistry, resorting to molecular
docking and structure-activity relationship approaches. Lastly, an ecotoxicological
evaluation was conducted to gauge the safety of the most successful volatiles in
comparison to commercial nematicides as novel plant protection products. In the
present work, 43 out of the 129 volatiles tested induced complete mortality (100 %), at
1 mg/mL, against the PWN. When compared to emamectin benzoate, a traditional
nematicide, 36 volatiles showed higher activities. The 10 most active volatiles were
mainly oxygen-containing medium-chain fatty acid derivatives, which were 11- to 41-
fold stronger and fast-acting than emamectin benzoate. Molecular docking studies
pointed towards their higher affinity to the active site of the PWN enzyme alcohol
dehydrogenase, suggesting a potential involvement in the mechanisms of nematicidal
activity. Furthermore, the (eco)toxicological properties of these volatiles were
consistently reported and/or predicted as safer for human health and the environment
than traditional nematicides. Overall, combining in vitro and in silico approaches might
be leveraged for the development and approval of volatiles as sustainable and effective
bionematicides.
São urgentemente necessários novos nematodicidas com características mais amigas do ambiente e com baixos impactos para a saúde humana para salvaguardar uma produção agrícola e florestal mais sustentável. Os organismos vivos biossintetizam uma variedade de compostos voláteis, sendo as plantas principalmente conhecidas pelos seus metabolitos secundários bioativos. Alguns compostos voláteis encontramse aprovados como substâncias ativas para a proteção das plantas dentro da União Europeia. Contudo, contra o nemátode da madeira do pinheiro (NMP), uma séria ameaça mundial às florestas de coníferas, não há nenhum ainda aprovado. Assim, este trabalho pretende identificar voláteis com elevada atividade nematodicida in vitro, sugerir os seus potenciais modos de ação, pela avaliação da adequação estrutural in silico de voláteis nematicidas ao sítio catalítico de enzimas do NMP, e também comparar o seu comportamento ambiental com o de nematodicidas comerciais. Neste trabalho, procedeu-se à despistagem da atividade nematodicida de 129 compostos voláteis através de ensaios de contacto direto. Destes, 43 compostos demonstraram maior atividade do que as formulações comerciais dos nematodicidas benzoato de emamectina e oxamil. Os 10 compostos com maior atividade foram principalmente derivados de ácidos gordos oxigenados de cadeia carbonada média, que revelaram uma atividade 11 a 41 vezes mais forte e mais rápida do que o benzoato de emamectina. Recorrendo a simulações de docking molecular, alguns destes nematodicidas voláteis foram indicados como tendo afinidade para o sítio ativo da enzima álcool desidrogenase, sugerindo a sua potencial participação no mecanismo de atividade destes compostos no nemátode da madeira do pinheiro. Os compostos mais promissores foram ainda comparados com os nematodicidas tradicionais no que diz respeito aos parâmetros (eco)toxicológicos disponibilizados por bases de dados e calculados com software especializado. Os voláteis com maior atividade contra o nemátode da madeira do pinheiro evidenciaram o potencial para uma maior segurança para a saúde humana e o meio ambiente do que o benzoato de emamectina ou o oxamil. Em suma, uma maior integração das abordagens in vitro e in silico nesta área tem o potencial de alavancar o desenvolvimento e a homologação de voláteis como bionematodicidas sustentáveis e eficazes.
São urgentemente necessários novos nematodicidas com características mais amigas do ambiente e com baixos impactos para a saúde humana para salvaguardar uma produção agrícola e florestal mais sustentável. Os organismos vivos biossintetizam uma variedade de compostos voláteis, sendo as plantas principalmente conhecidas pelos seus metabolitos secundários bioativos. Alguns compostos voláteis encontramse aprovados como substâncias ativas para a proteção das plantas dentro da União Europeia. Contudo, contra o nemátode da madeira do pinheiro (NMP), uma séria ameaça mundial às florestas de coníferas, não há nenhum ainda aprovado. Assim, este trabalho pretende identificar voláteis com elevada atividade nematodicida in vitro, sugerir os seus potenciais modos de ação, pela avaliação da adequação estrutural in silico de voláteis nematicidas ao sítio catalítico de enzimas do NMP, e também comparar o seu comportamento ambiental com o de nematodicidas comerciais. Neste trabalho, procedeu-se à despistagem da atividade nematodicida de 129 compostos voláteis através de ensaios de contacto direto. Destes, 43 compostos demonstraram maior atividade do que as formulações comerciais dos nematodicidas benzoato de emamectina e oxamil. Os 10 compostos com maior atividade foram principalmente derivados de ácidos gordos oxigenados de cadeia carbonada média, que revelaram uma atividade 11 a 41 vezes mais forte e mais rápida do que o benzoato de emamectina. Recorrendo a simulações de docking molecular, alguns destes nematodicidas voláteis foram indicados como tendo afinidade para o sítio ativo da enzima álcool desidrogenase, sugerindo a sua potencial participação no mecanismo de atividade destes compostos no nemátode da madeira do pinheiro. Os compostos mais promissores foram ainda comparados com os nematodicidas tradicionais no que diz respeito aos parâmetros (eco)toxicológicos disponibilizados por bases de dados e calculados com software especializado. Os voláteis com maior atividade contra o nemátode da madeira do pinheiro evidenciaram o potencial para uma maior segurança para a saúde humana e o meio ambiente do que o benzoato de emamectina ou o oxamil. Em suma, uma maior integração das abordagens in vitro e in silico nesta área tem o potencial de alavancar o desenvolvimento e a homologação de voláteis como bionematodicidas sustentáveis e eficazes.
Description
Mestrado em Engenharia Agronómica – Proteção de Plantas / Instituto Superior de Agronomia, Universidade de Lisboa
Keywords
Alcohol Dehydrogenase bionematicides molecular docking pinewood nematode volatile organic compounds bionematodicidas compostos orgânicos voláteis docking molecular Nemátode-da-Madeira-do-Pinheiro
Pedagogical Context
Citation
Cavaco, T.A.F. Development of volatile bionematicides based on in vitro and in silico approaches. Lisboa: ISA, 2024, 106 p. Dissertação de Mestrado
Publisher
Instituto Superior de Agronomia, Universidade de Lisboa