Meten van vluchtige en niet-vluchtige antischimmelactiviteit van Biocontrol-producten

Wereldwijde verliezen van groenten en fruit kunnen oplopen tot 50% van productie¹ en zijn voornamelijk het gevolg van voedselbederf veroorzaakt door schimmelbederf in het veld of tijdens opslag na de oogst^2,3, ondanks de uitgebreide werkgelegenheid van synthetische fungiciden sinds het midden van de twintigste eeuw⁴. Het gebruik van deze stoffen wordt heroverwogen omdat het ernstige gevaren voor het milieu en de gezondheid met zich mee brengt. Aangezien de schadelijke gevolgen van het gebruik ervan in ecosystemen zichtbaar zijn en het bewijs van mogelijke gevolgen voor de gezondheid zich heeft opgehoopt^5,6, worden nieuwe alternatieven voor oude profylactische strategieën ontwikkeld voor pre – en post-harvest behandelingen^7,8,9. Vandaar dat de uitdaging waar we voor staan tweeledig is. Nieuwe fungicide strategieën moeten ten eerste de werkzaamheid van voedselbescherming tegen fytopathogenen handhaven en tegelijkertijd bijdragen tot een drastische vermindering van de ecologische voetafdruk van landbouwpraktijken. Om dit ambitieuze doel te bereiken, worden strategieën voorgesteld die zijn geïnspireerd op de natuurlijke afweer die in planten is geëvolueerd, aangezien meer dan 1000 plantensoorten zijn gemarkeerd vanwege hun antimicrobiële eigenschappen⁸. Planten die bijvoorbeeld natuurlijke fungiciden hebben ontwikkeld om fytopathogenen te bestrijden, zijn een nieuwe bron bij het verkennen van de ontwikkeling van nieuwe biocontroleproducten². Etherische oliën zijn vlaggenschipmoleculen van dit type. Bijvoorbeeld, Origanum essentiële olie beschermt tomatenplanten tegen grijze schimmel in kassen ¹⁰ en Solidago canadensis L. en cassia essentiële oliën zijn aangetoond dat het bewaren van nageoogst aardbeien tegen grijze schimmel schade^11,12. Deze voorbeelden illustreren dat biocontrole en met name plantaardige producten een oplossing vormen die biologische werkzaamheid en ecologische duurzaamheid combineert.

Planten zijn dus een belangrijke bron van moleculen die van potentieel belang zijn voor de gewasbeschermingsindustrie. Er is echter slechts een handvol plantaardige producten voorgesteld om als biocontroleproducten te worden gebruikt, ook al worden zij algemeen erkend als veilig, niet-fytotoxisch en milieuvriendelijk². Er zijn enkele problemen waargenomen bij de omzetting van het laboratorium naar het veld , zoals een afname van de werkzaamheid na toepassing in vivo^2,9. Het wordt dus belangrijk om het vermogen van laboratoriumtests te verbeteren om de veldefficiëntie beter te voorspellen. In dit verband zijn antischimmeltestmethoden voor plantaardige producten nodig, zowel om hun antischimmeleffectiviteit te evalueren als om hun optimale gebruiksomstandigheden te definiëren. In het bijzonder zijn biocontroleproducten over het algemeen minder efficiënt dan chemische fungiciden, dus een beter begrip van hun werkingswijze is belangrijk voor het voorstellen van geschikte formuleringen, om de wijze van toepassing op gebieden te identificeren en om te bepalen welke ontwikkelingsfase van de ziekteverwekker kwetsbaar is voor het kandidaat-bioproduct.

Huidige benaderingen die antibacteriële en schimmelwerende activiteiten aanpakken, omvatten diffusiemethoden zoals agar-schijfdiffusie, verdunning, bioautografie en flowcytometrie¹³. De meeste van deze technieken, en meer in het bijzonder, de standaard antischimmelgevoeligheidstests – agarschijfdiffusie en verdunningstests – zijn goed aangepast voor het evalueren van de antimicrobiële activiteit van oplosbare verbindingen op bacteriële en schimmelsporen in vloeibare suspensuspensus¹⁴. Deze methoden zijn echter over het algemeen niet geschikt voor het testen van vaste verbindingen zoals gedroogd plantenpoeder of voor het kwantificeren van antischimmelactiviteit tijdens de groei van mycelium, omdat ze sporenverdunning of sporenverspreiding op agarplaten en/of verdunning van antischimmelverbindingen vereisen¹³. In de met voedsel vergiftigde methode worden agarplaten met het antischimmelmiddel ingeënt met een schijf met een diameter van 5-7 mm die is bemonsterd uit een 7-daagse oude schimmelcultuur zonder rekening te houden met de precieze hoeveelheid starten van mycelium. Na incubatie wordt de antischimmelactiviteit bepaald als een percentage van de radiale groeiremming^17,18,19. Met deze aanpak kunnen we de antischimmelactiviteit op myceliale groei evalueren. De agarverdunningsmethode wordt daarentegen uitgevoerd om de antischimmelactiviteit te bepalen op sporen die direct zijn ingeënt op het oppervlak van de agarplaat die de antischimmelverbindingen bevat^13,20,21. Deze twee benaderingen geven complementaire resultaten op antischimmelactiviteit. Dit zijn echter twee onafhankelijke technieken die parallel worden gebruikt en die geen nauwkeurige vergelijking naast elkaar bieden van de relatieve werkzaamheid van antischimmelverbindingen op sporen en mycelium^17,20,22 omdat de hoeveelheid beginnend schimmelmateriaal verschilt in de twee benaderingen. Bovendien is de antischimmelactiviteit van een plantaardig product vaak het gevolg van de combinatie van antischimmelmoleculen die door planten worden gesynthetiseerd om ziekteverwekkers onder ogen te zien. Deze moleculen omvatten eiwitten, peptiden^23,24, en metabolieten met een grote chemische diversiteit en behorend tot verschillende klassen moleculen zoals polyfenolen, terpenen, alcaloïden²⁵, glucosinolaten⁸, en organosulfurverbindingen²⁶. Sommige van deze moleculen zijn vluchtig of worden vluchtig tijdens een aanval van ziekteverwekkers²⁷. Deze middelen zijn meestal slecht in water oplosbare en hoge dampdrukverbindingen die moeten worden teruggewonnen door waterdestillatie als essentiële oliën, waarvan sommige antimicrobiële activiteiten goed zijn vastgesteld²⁸. Dampfase gemedieerde gevoeligheidstesten zijn ontwikkeld om de antimicrobiële activiteit van vluchtige stoffen na verdamping en migratie via de dampfase te meten²⁹. Deze methoden zijn gebaseerd op de introductie van antischimmelverbindingen op afstand van de microbiële cultuur^{29,30,31,32,33}. In de veelgebruikte dampfase agartest worden essentiële oliën op een papierschijf afgezet en in het midden van de deksel van de Petrischaal geplaatst op afstand van de bacteriële of schimmelspoorsuspensie, die wordt verspreid op agarmedium. De diameter van de zone van groeiremming wordt vervolgens op dezelfde manier gemeten als voor de agar-schijfdiffusiemethode^20,24. Er zijn andere benaderingen ontwikkeld om kwantitatieve meting te bieden van de dampfase antischimmelgevoeligheid van etherische oliën, afgeleid van de bouillonverdunningsmethode waaruit een remmende dampfase gemedieerde antimicrobiële activiteit werd berekend³², of afgeleid van agar-disk diffusietesten³¹. Deze methoden zijn over het algemeen specifiek voor dampfaseactiviteitsstudies en niet geschikt voor contactremmingstesten. Dit sluit de bepaling uit van de relatieve bijdrage van vluchtige en niet-vluchtige agentia aan de antischimmelactiviteit van een complex bioactief mengsel.

De kwantitatieve methode die we hebben ontwikkeld is bedoeld om het antischimmeleffect van gedroogd plantenpoeder te meten op gecontroleerde hoeveelheden sporen en gekweekt mycelium afgezet op het oppervlak van een agarmedium om de luchtgroei van fytopathogenen te reproduceren tijdens infectie van planten¹⁵ en een onderling verbonden myceliaal netwerk¹⁶. De aanpak is een aangepaste experimentele opstelling op basis van de agarverdunnings- en voedselvergifmethoden die in dezelfde experimentele opstelling ook een zij-aan-zij kwantificering van de bijdrage van zowel vluchtige als niet-vluchtige antischimmelmetabolieten mogelijk maakt. In deze studie is de methode vergeleken met de activiteit van drie goed gekarakteriseerde antischimmelpreparaten.