Гранулы на основе поликапролактона с аллилизотиоцианатом для борьбы с золотистой картофельной нематодой

   Целью исследования являлось изучение характеристики экструдированных гранул на основе биоразлагаемого поликапролактона и монтмориллонита, депонированных аллилизотицианатом, и их влияния на Globodera rostochiensis RoI.

   Полученные гранулы были охарактеризованы с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, дифференциальной сканирующей калориметрии и сканирующей электронной микроскопии. Показано, что эффективность инкапсулирования аллилизотиоцианата в монтмориллонит зависит от условий получения комплекса и составляет от 0,76 до 29,83 %, а в гранулах поликапролактона/монтмориллонита/аллилизотиоцианата после термической обработки снижается до 1,06 %. По результатам инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье установлено, что включение аллилизотиоцианата не приводит к образованию новых химических связей, но существенно влияет на температуру деградации поликапролактона, которая снижается с 537 до 472 °С. По сравнению с термограммой монтмориллонита на термограмме для комплекса монтмориллонита/аллилизотиоцианата было показано уменьшение содержания воды на 2,9 %, связанное с вымещением части молекул воды из межмолекулярного пространства монтмориллонита молекулами аллилизотиоцианата. В ходе проведения эксперимента с двумя сортами картофеля, зараженными цистами нематод, установлено, что обработка почвы растворами аллилизотиоцианата позволяет снизить количество цист Globodera rostochiensis RoI по сравнению с положительным контролем (необработанный зараженный картофель) в 1,5–3,0 раза в зависимости от сорта. Кроме того, в отличие от растворов аллилизотиоцианата гранулы поликапролактона/монтмориллонита/аллилизотиоцианата более эффективны, что делает их перспективными для применения в борьбе с Globodera rostochiensis RoI.

1. Burlingame B., Mouille B., Charrondiere R. Nutrients, bioactive non-nutrients and anti-nutrients in potatoes. Journal of Food Composition and Analysis. 2009;22(6):494-502. DOI: 10.1016/j.jfca.2009.09.001.

2. Subbotin S.A., Franco J., Knoetze R., Roubtsova T.V., Bostock R.M., del Prado Vera I.C. DNAbarcoding, phylogeny and phylogeography of the cyst nematode species from the genus Globodera (Tylenchida: Heteroderidae). Nematology. 2020;22(3):269-297. DOI: 10.1163/15685411-00003305.

3. Perry R.N. Dormancy and hatching of nematode eggs. Parasitology Today. 1989;5(12):377-383. DOI: 10.1016/0169-4758(89)90299-8.

4. Devine K.J., Byrne J., Maher N., Jones P.W. Resolution of natural hatching factors for golden potato cyst nematode, Globodera rostochiensis. Annals of Applied Biology. 1996;129(2):323-334. DOI: 10.1111/j.1744-7348.1996.tb05755.x.

5. Rowe J. Globodera rostochiensis (yellow potato cyst nematode). CABI Compendium. 2008. DOI: 10.1079/cabicompendium.27034.

6. Duan Y., Chen L., Liu G., Li H., Wang X., Wang Y., et al. Plant Pathogenic Nematodes: The Economic Importance of Plant Pathogenic Nematodes. Beijing: Sinece Press; 2011, р. 1-2.

7. He Y., Wang R., Zhao H., Ren Y., Agarwal M., Zheng D., et al. Predicting potential global distribution and risk regions for potato cyst nematodes (Globodera rostochiensis and Globodera pallida). Scientific Reports. 2022;12:21843. DOI: 10.1038/s41598-022-26443-0.

8. Dias E., Costa F.G., Morais S., de Lourdes Pereira M. A review on the assessment of the potential adverse health effects of carbamate pesticides. Topics in Public Health. 2015. DOI: 10.5772/59613.

9. Saxena G., Bharagava R.N. Bioremediation of industrial waste for environmental safety. Volume I: Industrial waste and its management. Singapore: Springer Singapore; 2020, 447 p. DOI: 10.1007/978-981-13-1891-7.

10. Chen J., Li Q.X., Song B. Chemical nematicides: recent research progress and outlook. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2020;68(44):12175-12188. DOI: 10.1021/acs.jafc.0c02871.

11. Sukhanova A.A., Boyandin A.N., Ertiletskaya N.L. Potato cyst nematode management strategies: current situation and promising approaches. ASC Agricultural Science & Technology. 2022;2(3):415-425. DOI: 10.1021/acsagscitech.1c00274.

12. Ellenby C. The influence of crucifers and mustard oil on the emergence of larvae of the potato-root eelworm, Heterodera rostochiensis Wollenweber. Annals of Applied Biology. 1945;32(1):67-70. DOI: 10.1111/j.1744-7348.1945.tb06761.x.

13. Brown K.K., Hampton M.B. Biological targets of isothiocyanates. Biochimica et Biophysica Acta – General Subjects. 2011;1810(9):888-894. DOI: 10.1016/j.bbagen.2011.06.004.

14. Wood C., Kenyon D.M., Cooper J.M. Allyl isothiocyanate shows promise as a naturally produced suppressant of the potato cyst nematode, Globodera pallida, in biofumigation systems. Nematology. 2017;19(4):389-402. DOI: 10.1163/15685411-00003054.

15. Brown P.D., Morra M.J., McCaffrey J.P., Auld D.L., Williams L. Allelochemicals produced during glucosinolate degradation in soil. Journal of Chemical Ecology. 1991;17:2021-2034. DOI: 10.1007/BF00992585.

16. Kržan A. Biodegradable polymers and plastics // Innovative Value Chain Development for Sustainable Plastics in Central Europe (Plastice). 2012;12:12-29.

17. Shin J., Kathuria A., Lee Y.S. Effect of hydrophilic and hydrophobic cyclodextrins on the release of encapsulated allyl isothiocyanate (AITC) and their potential application for plastic film extrusion. Journal of Applied Polymer Science. 2019;136(42):48137. DOI: 10.1002/app.48137.

18. Bernardos A., Bozik M., Alvarez S., Saskova M., Perez-Esteve E., Kloucek P., et al. The efficacy of essential oil components loaded into montmorillonite against Aspergillus niger and Staphylococcus aureus. Flavour and Fragrance Journal. 2019;34(3):151-162. DOI: 10.1002/ffj.3488.

19. Volova T., Demidenko A., Kurachenko N., Baranovsky S., Petrovskaya O., Shumilova A. Efficacy of embedded metribuzin and tribenuron-methyl herbicides in field-grown vegetable crops infested by weeds. Environmental Science and Pollution Research. 2021;28:982-994. DOI: 10.1007/s11356-020-10359-1.

20. Castillo D.F., Sanchez-Andica R.A., Enriquez B.F., Restrepo J., Paez-Melo M.I. Encapsulation of Ruta essential oil in chitosan and alginate matrices as an ecological alternative for the control of nematodes. Journal of Microencapsulation. 2023;40(4):233-245. DOI: 10.1080/02652048.2023.2188939.

21. Piao X., Zhang L., Zhang S., Yi F. Nematicidal action of microencapsulated essential oil of flesh fingered citron. Journal of Chemistry. 2020:7934605. DOI: 10.1155/2020/7934605.

22. De Souza A.G., dos Santos N.M.A., da Silva R.F., dos Santos Rosa D. Synergic antimicrobial properties of Carvacrol essential oil and montmorillonite in biodegradable starch films. International Journal of Biological Macromolecules. 2020;164. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2020.07.226.

23. Dahlin P., Hallmann J. New insights on the role of allyl isothiocyanate in controlling the root knot nematode Meloidogyne hapla. Plants. 2020;9(5):603. DOI: 10.3390/plants9050603.

24. Maruthupandy M., Seo J. Allyl isothiocyanate encapsulated halloysite covered with polyacrylate as a potential antibacterial agent against food spoilage bacteria. Materials Science and Engineering: C. 2019;105:110016. DOI: 10.1016/j.msec.2019.110016.

25. Yildiz M. Potato: from Incas to all over the world. London: IntechOpen; 2008, 148 p. DOI: 10.5772/intechopen.68698.

26. Zasada I.A., Ferris H. Sensitivity of Meloidogyne javanica and Tylenchulus semipenetrans to isothiocyanates in laboratory assays. Phytopathology. 2003;93(6):747-750. DOI: 10.1094/PHYTO.2003.93.6.747.

27. Coyne D.L., Nicol J.M., Claudius-Cole B. Practical plant nematology: a field and laboratory guide. Cotonou: SP-IPM Secretariat, International institute of Tropical Agriculture (IITA), 2007, 92 p. DOI: 10.22004/ag.econ.56182.

28. Gartner U., Hein I., Brown L.H., Chen X., Mantelin S., Sharma S.K., et al. Resisting potato cyst nematodes with resistance. Frontiers in Plant Science. 2021;12:661194. DOI: 10.3389/fpls.2021.661194.

29. Noling J.W. Soil Fumigation. In: Capinera, J.L. (ed.). Encyclopedia of entomology. Dordrecht: Springer; 2008, p. 3452-3463. DOI: 10.1007/978-1-4020-6359-6_4265.

30. Wu H., Wang C.-J., Bian X. -W., Zeng S. -Y., Lin K. -C., Wu B., et al. Nematicidal efficacy of isothiocyanates against root-knot nematode Meloidogyne javanica in cucumber. Crop Protection. 2011;30(1):33-37. DOI: 10.1016/j.cropro.2010.09.004.

31. Lazzeri L., Curto G., Leoni O., Dallavalle E. Effects of glucosinolates and their enzymatic hydrolysis products via myrosinase on the root-knot nematode Meloidogyne incognita (Kofoid et White) Chitw. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2004;52(22):6703-6707. DOI: 10.1021/jf030776u.

32. Ren Z., Li Y., Fang W., Yan D., Huang B., Zhu J., et al. Evaluation of allyl isothiocyanate as a soil fumigant against soil-borne diseases in commercial tomato (Lycopersiconesculentum Mill.) production in China. Pest Management Science. 2018;74(9):2146-2155. DOI: 10.1002/ps.4911.

33. Dai R., Lim L.-T. Release of allyl isothiocyanate from mustard seed meal powder entrapped in electrospun PLA–PEO nonwovens. Food Research International. 2015;77(3):467-475. DOI: 10.1016/j.foodres.2015.08.029.

34. Paal J., Henselewski H., Muth J., Meksem K., Menendez C.M., Salamini F., et al. Molecular cloning of the potato Gro1-4 gene conferring resistance to pathotype Ro1 of the root nematode Globodera rostochiensis, based on a candidate gene approach. The Plant Journal. 2004;38(2):285-297. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2004.02047.x.

35. Bakker E., Achenbach U., Bakker J., van Vliet J., Peleman J., Segers B., et al. A high-resolution map of the H1 locus harbouring resistance to the potato cyst nematode Globodera rostochiensis. Theoretical and Applied Genetics. 2004;109:146-152. DOI: 10.1007/s00122-004-1606-z.

36. Grillo R., dos Santos N.Z.P., Maruyama C.R., Rosa A.H., de Lima R., Fraceto L.F. Poly (ɛ-caprolactone) nanocapsules as carrier systems for herbicides: physico-chemical characterization and genotoxicity evaluation. Journal of Hazardous Materials. 2012;231-232:1-9. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2012.06.019.

37. Goldman L.R., Beller M., Oregon H., Jackson R.J. Aldicarb food poisonings in California, 1985−1988: toxicity estimates for humans. Archives of Environmental Health: an International Journal. 1990;45(3):141-147. DOI: 10.1080/00039896.1990.9936707.