バイオコントロール製品の揮発性および不揮発性抗真菌活性の測定
Summary
植物由来製品の抗真菌効果を定量化するために設計された修飾寒天ベースの方法について述べています。このプロトコルを通じて、抗真菌活性に対する揮発性および不揮発性の寄与の両方を評価することができる。さらに、真菌に対する有効性は、単一の実験セットアップの主要な発達段階で測定することができる。
Abstract
記載されたプロトコルは、微生物の量とその発生段階を正確に決定できるプラグ転送技術に基づいています。指定された数の胞子が寒天プレートに広がる。この寒天プレートは、培養が必要ない胞子を除いて、真菌が期待される発達段階に到達できるように、定義された期間インキュベートされる。胞子、ヒファ、または菌糸体で覆われた寒天プラグは、次に取り出され、試験対象の抗真菌化合物を含む寒天培地に移管され、真菌から離れた場所または接触した状態で配置されます。この方法は、液体抽出物と固体サンプル(粉末)の両方を試験するのに適用可能です。特に、生理活性混合物中の揮発性物質と不揮発性物質の相対的な寄与を定量化し、特に胞子、初期のヒファ、および菌糸体に対するその効果を決定するために適しています。
この方法は、バイオコントロール製品、特に植物由来製品の抗真菌活性の特性評価に非常に関連しています。実際に、植物の処理のために、結果は、アプリケーションのモードの選択を導き、トリガーのしきい値を確立するために使用することができます。
Introduction
果物や野菜の世界的な損失は、生産1の最大50%に達することができ、20世紀半ばから合成殺菌剤の広範な雇用にもかかわらず、主に畑や収穫後の貯蔵中に生じた食の腐敗から生じる2、3。これらの物質の使用は、深刻な環境および健康上の危険を表すため、再考されています。その使用の有害な結果が生態系全体に現れ、潜在的な健康への影響の証拠が5、6を蓄積したので、収穫前および収穫後の治療7、8、9のための古い予防戦略に代わる新しい選択肢が開発されている。したがって、私たちが直面する課題は2倍です。新しい殺菌戦略は、まず、植物病原体に対する食物保護の有効性のレベルを維持し、それに付随して、農業慣行の環境フットプリントを劇的に削減することに貢献しなければならない。この野心的な目標を達成するために、植物で進化した自然防御に触発された戦略は、その抗菌特性8のために1000種以上の植物種が強調されているように提案されています。例えば、植物病原体と戦うために天然の殺菌剤を開発した植物は、新しいバイオコントロール製品の開発を探求する新しい資源である2.エッセンシャルオイルはこのタイプの旗艦分子です。例えば、オリガナム精油は、トマト植物を温室10およびSolidagoカナデンシスL.およびカシアエッセンシャルオイルの灰色のカビ損傷11,12から収穫後のイチゴを保存することが示されている。これらの例は、バイオコントロールおよび特に植物由来の製品が生物学的有効性と環境持続可能性を組み合わせた溶液を表していることを示している。
したがって、植物は作物保護産業にとって潜在的な関心の分子の重要な資源である。しかし、一般的に安全で非植物性で環境に優しいと認識されているにもかかわらず、バイオコントロール製品として使用される植物製品はほんの一握りです。ラボから現場への移調の難点が見られ、一度インビボ2,9に適用されると効力が低下するなどがある。したがって、現場の有効性をより良く予測するために、ラボテストの能力を向上させることが重要になります。この文脈では、植物由来の製品の抗真菌試験方法は、その抗真菌効果を評価し、使用するための最適な条件を定義するために必要です。具体的には、バイオコントロール製品は一般的に化学殺菌剤よりも効率が悪いので、適切な製剤を提案し、フィールドでの適用様式を特定し、病原体のどの発達段階がバイオ製品候補に対して脆弱かを定義するために、それらの作用様式をよりよく理解することが重要です。
抗菌活動や抗真菌活動に取り組む現在のアプローチには、寒天ディスク拡散、希釈、バイオサイン、フローサイトメトリーなどの拡散法が含まれる13.これらの技術のほとんど、より具体的には、標準的な抗真菌感受性試験(寒天ディスク拡散および希釈アッセイ)は、液体懸濁液中の細菌および真菌胞子に対する可溶性化合物の抗菌活性を評価するために十分に適応されている14.しかし、これらの方法は、一般的に乾燥植物粉末などの固体化合物を試験したり、寒天プレートに広がる胞子希釈または胞子を必要とするため、菌糸体の成長中に抗真菌活性を定量化するには適していません。13.食品中毒法では、抗真菌剤を含む寒天プレートを、7日間の古い真菌培養物から採取した直径5~7mmのディスクを、正確な菌糸体の量を考慮せずに接種する。インキュベーション後、抗真菌活性は放射状増殖阻害の割合として決定される17,18,19.このアプローチにより、菌体成長に対する抗真菌活性を評価することができます。対照的に、寒天希釈法は、抗真菌化合物を含む寒天プレートの表面に直接接種された胞子に対する抗真菌活性を決定するために行われる13,20,21.これら2つのアプローチは、抗真菌活性に対する相補的な結果を与える。しかし、これらは、胞子と菌糸体上の抗真菌化合物の相対的な有効性の正確な並べて比較を提供しない並列で使用される2つの独立した技術です17,20,22 開始真菌材料の量は、2つのアプローチで異なります。さらに、植物由来の産物の抗真菌活性は、しばしば、植物によって合成された抗真菌分子の組み合わせから生じる病原体に直面する。これらの分子は、タンパク質、ペプチドを包含する23,24、および広範な化学的多様性を有し、ポリフェノール、テルペン、アルカロイドなどの分子の異なるクラスに属する代謝産物25、グルコシノレート8、および有機硫黄化合物26.これらの分子の一部は、病原体の攻撃中に揮発性または揮発性になる27.これらの薬剤は、ほとんどの場合、精油として水蒸留を通じて回収しなければならない水溶性および高気圧化合物であり、その抗菌活性が十分に確立されている28.気相媒介感受性アッセイは、蒸発後の揮発性化合物の抗菌活性を測定し、蒸気相を介して移動する29.これらの方法は、微生物培養物から離れた抗真菌化合物の導入に基づく29,30,31,32,33.一般的に使用される気相寒天アッセイでは、エッセンシャルオイルを紙ディスクに堆積させ、寒天培地に広がる細菌または真菌胞体懸濁液から遠く離れたペトリ皿のカバーの中央に置かれます。成長阻害のゾーンの直径は、寒天ディスク拡散法と同じ方法で測定されます。20,24.その他のアプローチは、阻害された気相媒介性抗菌活性を計算したブロス希釈法に由来する精油の気相抗真菌感受性の定量的測定を提供するために開発された32、または寒天ディスク拡散アッセイに由来する31.これらの方法は、一般に気相活性研究に特異的であり、接触阻害アッセイには適さない。これは、複雑な生理活性混合物の抗真菌活性に対する揮発性および不揮発性物質の相対的な寄与の決定を妨げる。
我々が開発した定量法は、乾燥植物粉末が乾燥した植物粉末の制御量の胞子及び成長した菌糸体を寒天培地の表面に付着させ、植物15 の感染時の植物病原体の空中成長ならびに相互接続された菌網16に及ぼす抗真菌効果を測定することを目的とする。このアプローチは、寒天希釈法と食品毒法に基づく改変実験セットアップであり、同じ実験セットアップにおいて、揮発性および不揮発性抗真菌性代謝産物の寄与を並べて定量化することもできる。本研究では、この方法は、3つの十分に特徴付けられる抗真菌製剤の活性に対してベンチマークされている。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで提示されるアプローチは、最小限に処理された植物由来の製品の抗真菌特性の評価を可能にする。このプロトコルでは、寒天表面上の胞子の均質な分布は、2mmガラスビーズを使用して達成される。このステップでは、ビーズを適切に配布し、再現性のある結果を得るためのハンドリングスキルが必要であり、最終的には真菌の成長の異なる段階で抗真菌効果の比較を可能にします。5mm?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
フランク・イェーツの貴重なアドバイスにとても感謝しています。この作品はSup’Biotechによって支えられていました。
Materials
| Autoclave-vacuclav 24B+ | Melag | ||
| Carbendazim | Sigma | 378674-100G | |
| Distilled water | |||
| Eppendorf tubes | Sarstedt | 72.706 | 1.5 mL |
| Falcons tubes | Sarstedt | 547254 | 50 mL |
| Five millimeters diameter stainless steel tube | retail store | / | |
| Food dehydrator | Sancusto | six trays | |
| Garlic powder | Organic shop | ||
| Glass beads | CLOUP | 65020 |  2 mm |
| Hemocytometer counting cell | Jeulin | 713442 | / |
| Incubator | Memmert | UM400 | 30 °C |
| Knife mill | Bosch | TSM6A013B | |
| Manual cell counter | Labbox | HCNT-001-001 | / |
| Measuring ruler | retail store | ||
| Microbiological safety cabinets | FASTER | FASTER BHA36, TYPE II, Cat 2 | |
| Micropipette | Mettler-Toledo | 17014407 | 100 – 1000 µL |
| Micropipette | Mettler-Toledo | 17014411 | 20 – 200 µL |
| Micropipette | Mettler-Toledo | 17014412 | 2 – 20 µL |
| Petri dish | Sarstedt | 82-1194500 | 55 mm |
| Petri dish | Sarstedt | 82-1473 | 90 mm |
| Pipette Controllers-EASY 60 | Labbox | EASY-P60-001 | / |
| Potato Dextrose Agar | Sigma | 70139-500G | |
| Precision scale-RADWAG | Grosseron | B126698 | AS220.R2-ML 220g/0.1mg |
| Rake | Sarstedt | 86-1569001 | / |
| Reverse microscope AE31E trinocular | Grosseron | M097917 | / |
| Sterile graduated pipette | Sarstedt | 1254001 | 10 mL |
| Thymus essential oil | Drugstore | Essential oil 100% | |
| Tips 1000 µL | Sarstedt | 70.762010 | |
| Tips 20 µL | Sarstedt | 70.760012 | |
| Tips 200 µL | Sarstedt | 70.760002 | |
| Tooth pick | retail store | ||
| Trichoderma spp strain | Strain of LRPIA laboratory | ||
| Tween-20 | Sigma | P1379-250ML | |
| Tween-80 | Sigma | P1754-1L | |
| Tweezers | Labbox | FORS-001-002 | / |
References
- FAO. Global food losses and food waste – Extent, causes and prevention. FAO. , (2011).
- da Cruz Cabral, L., Fernández Pinto, V., Patriarca, A. Application of plant compounds to control fungal spoilage and mycotoxin production in foods. International Journal of Food Microbiology. 166 (1), 1-14 (2013).
- Romanazzi, G., Smilanick, J. L., Feliziani, E., Droby, S. Postharvest biology and technology integrated management of postharvest gray mold on fruit crops. Postharvest Biology and Technology. 113, (2016).
- Morton, V., Staub, T. A Short History of Fungicides. APSnet Feature Articles. (1755), 1-12 (2008).
- Brandhorst, T. T., Klein, B. S. Uncertainty surrounding the mechanism and safety of the post- harvest fungicide Fludioxonil. Food and Chemical Toxicology. 123, 561-565 (2019).
- Bénit, P., et al. Evolutionarily conserved susceptibility of the mitochondrial respiratory chain to SDHI pesticides and its consequence on the impact of SDHIs on human cultured cells. PLoS ONE. 14 (11), 1-20 (2019).
- Usall, J., Torres, R., Teixidó, N. Biological control of postharvest diseases on fruit: a suitable alternative. Current Opinion in Food Science. 11, 51-55 (2016).
- Tripathi, P., Dubey, N. K. Exploitation of natural products as an alternative strategy to control postharvest fungal rotting of fruit and vegetables. Postharvest Biology and Technology. 32 (3), 235-245 (2004).
- Abbey, J. A., et al. Biofungicides as alternative to synthetic fungicide control of grey mould (Botrytis cinerea)-prospects and challenges. Biocontrol Science and Technology. 29 (3), 241-262 (2019).
- Soylu, E. M., Kurt, &. #. 3. 5. 0. ;., Soylu, S. In vitro and in vivo antifungal activities of the essential oils of various plants against tomato grey mould disease agent Botrytis cinerea. International Journal of Food Microbiology. 143 (3), 183-189 (2010).
- Liu, S., Shao, X., Wei, Y., Li, Y., Xu, F., Wang, H. Solidago canadensis L. essential oil vapor effectively inhibits botrytis cinerea growth and preserves postharvest quality of strawberry as a food model system. Frontiers in Microbiology. 7, 0 (2016).
- El-Mogy, M. M., Alsanius, B. W. Cassia oil for controlling plant and human pathogens on fresh strawberries. Food Control. 28 (1), 157-162 (2012).
- Balouiri, M., Sadiki, M., Ibnsouda, S. K. Methods for in vitro evaluating antimicrobial activity: A review. Journal of Pharmaceutical Analysis. 6 (2), 71-79 (2016).
- Arikan, S. Current status of antifungal susceptibility testing methods. Medical Mycology. 45 (7), 569-587 (2007).
- Girmay, Z., Gorems, W., Birhanu, G., Zewdie, S. Growth and yield performance of Pleurotus ostreatus (Jacq. Fr.) Kumm (oyster mushroom) on different substrates. AMB Express. 6 (1), 87 (2016).
- Fischer, M. S., Glass, N. L. Communicate and fuse: how filamentous fungi establish and maintain an interconnected mycelial network. Frontiers in Microbiology. 10, 1-20 (2019).
- Mohana, D. C., Raveesha, K. A. Anti-fungal evaluation of some plant extracts against some plant pathogenic field and storage fungi. Journal of Agricultural Technology. 4 (1), 119-137 (2007).
- Balamurugan, S. In vitro activity of aurantifolia plant extracts against phytopathogenic fungi phaseolina. International Letters of Natural Sciences. 13, 70-74 (2014).
- Ameziane, N., et al. Antifungal activity of Moroccan plants against citrus fruit pathogens. Agronomy for sustainable development. 27 (3), 273-277 (2007).
- Rizi, K., Murdan, S., Danquah, C. A., Faull, J., Bhakta, S. Development of a rapid, reliable and quantitative method – “SPOTi” for testing antifungal efficacy. Journal of Microbiological Methods. 117, 36-40 (2015).
- Imhof, A., Balajee, S. A., Marr, K., Marr, K. New methods to assess susceptibilities of Aspergillus isolates to caspofungin. Microbiology. 41 (12), 5683-5688 (2003).
- Goussous, S. J., Abu el-Samen, F. M., Tahhan, R. A. Antifungal activity of several medicinal plants extracts against the early blight pathogen (Alternaria solani). Archives of Phytopathology and Plant Protection. 43 (17), 1745-1757 (2010).
- Ng, T. B. Antifungal proteins and peptides of leguminous and non-leguminous origins. Peptides. 25 (7), 1215-1222 (2004).
- Hu, Z., Zhang, H., Shi, K. Plant peptides in plant defense responses. Plant Signaling and Behavior. 13 (8), (2018).
- Iriti, M., Faoro, F. Chemical diversity and defence metabolism: How plants cope with pathogens and ozone pollution. International Journal of Molecular Sciences. 10 (8), 3371-3399 (2009).
- Lanzotti, V., Bonanomi, G., Scala, F. What makes Allium species effective against pathogenic microbes. Phytochemistry Reviews. 12 (4), 751-772 (2013).
- Kyung, K. H. Antimicrobial properties of allium species. Current Opinion in Biotechnology. 23 (2), 142-147 (2012).
- Hyldgaard, M., Mygind, T., Meyer, R. L. Essential oils in food preservation: mode of action, synergies, and interactions with food matrix components. Frontiers in microbiology. 3, 12 (2012).
- Bueno, J. Models of evaluation of antimicrobial activity of essential oils in vapour phase: a promising use in healthcare decontamination. Natural Volatiles & Essential Oils. 2 (2), 16-29 (2015).
- Doi, N. M., Sae-Eaw, A., Suppakul, P., Chompreeda, P. Assessment of synergistic effects on antimicrobial activity in vapour- and liquidphase of cinnamon and oregano essential oils against Staphylococcus aureus. International Food Research Journal. 26 (2), 459-467 (2019).
- Amat, S., Baines, D., Alexander, T. W. A vapour phase assay for evaluating the antimicrobial activities of essential oils against bovine respiratory bacterial pathogens. Letters in Applied Microbiology. 65 (6), 489-495 (2017).
- Feyaerts, A. F., et al. Essential oils and their components are a class of antifungals with potent vapour-phase-mediated anti-Candida activity. Scientific Reports. 8 (1), 1-10 (2018).
- Wang, T. H., Hsia, S. M., Wu, C. H., Ko, S. Y., Chen, M. Y., Shih, Y. H., Shieh, T. M., Chuang, L. C. Evaluation of the antibacterial potential of liquid and vapor phase phenolic essential oil compounds against oral microorganisms. PLoS ONE. 11 (9), 1-17 (2016).
- Dean, R., et al. The Top 10 fungal pathogens in molecular plant pathology. Molecular Plant Pathology. 13 (4), 414-430 (2012).
- Leadbeater, A. Recent developments and challenges in chemical disease control. Plant Protection Science. 51 (4), 163-169 (2015).
- Jin, C., Zeng, Z., Fu, Z., Jin, Y. Oral imazalil exposure induces gut microbiota dysbiosis and colonic inflammation in mice. Chemosphere. 160, 349-358 (2016).
- Kumar, R., Ghatak, A., Balodi, R., Bhagat, A. P. Decay mechanism of postharvest pathogens and their management using non-chemical and biological approaches. Journal of Postharvest Technology. 6 (1), 1-11 (2018).
- Talibi, I., Boubaker, H., Boudyach, E. H., Ait Ben Aoumar, A. Alternative methods for the control of postharvest citrus diseases. Journal of Applied Microbiology. 117 (1), 1-17 (2014).
- Arya, R., Sharma, R., Malhotra, M., Kumar, V., Sharma, A. K. Biodegradation Aspects of Carbendazim and Sulfosulfuron: Trends, Scope and Relevance. Current Medicinal Chemistry. 22 (9), 1147-1155 (2015).
- European Food Safety Authority. Conclusion on the peer review of the pesticide risk assessment of the active substance carbendazim. EFSA Journal. 8 (5), 1-76 (2010).
- Sakkas, H., Papadopoulou, C. Antimicrobial activity of basil, oregano, and thyme essential oils. Journal of Microbiology and Biotechnology. 27 (3), 429-438 (2017).
- Steyaert, J. M., Weld, R. J., Mendoza-Mendoza, A., Stewart, A. Reproduction without sex: conidiation in the filamentous fungus Trichoderma. Microbiology. 156, 2887-2900 (2010).
- Leontiev, R., Hohaus, N., Jacob, C., Gruhlke, M. C. H., Slusarenko, A. J. A Comparison of the antibacterial and antifungal activities of thiosulfinate analogues of allicin. Scientific Reports. 8 (1), 1-19 (2018).
- Scorzoni, L., et al. The use of standard methodology for determination of antifungal activity of natural products against medical yeasts Candida sp and Cryptococcus sp. Brazilian Journal of Microbiology. 38 (3), 391-397 (2007).
