Melaleuca rhaphiophylla essential oil as biopesticide : chemical composition and biological activities against pest and seedborne diseases

Abstract

Resumo: O uso recorrente e indiscriminado de pesticidas ocasionou o surgimento de insetos elinhagens fúngicas resistentes, além da presença de resíduos nos grãos, afetando a saúdehumana. Diversas pesquisas demonstram a eficácia do uso de óleos essenciais (EOs) nocontrole de insetos e patógenos de armazenamento. Diante do exposto, o objetivo dapesquisa foi analisar e avaliar a eficiência do EO de Melaleuca rhaphiophylla(Myrtaceae) (MREO) no manejo de pragas (Sitophilus zeamais e Sitophilus oryzae) efitopatógenos (Aspergillus spp. e Fusarium spp.) de armazenamento. O MREO foiextraído pelo método de arraste a vapor em dorna, e analisado por cromatografia gasosaacoplado a espectrometria de massas. No capítulo 01, foi avaliado o efeito inseticidacontra os gorgulhos pelo método de contato e fumigação. Em seguida, a concentraçãoletal (CL), tempo letal (TL) e o tempo médio de sobrevivência (TMS) foram estimadospelo método de fumigação. A atividade fungicida contra Aspergillus flavus, Aspergillusniger, Aspergillus nomius e Fusarium graminearum foi avaliada pelo método de contatoe volatilização. O capítulo 02 objetivou avaliar a atividade inseticida e o efeito emmarcadores bioquímicos do MREO e sua emulsão (MREM) contra S. zeamais e S. oryzae.Enquanto, o capítulo 03 objetivou avaliar o efeito do MREO sobre o crescimento micelial,estimatimar concentração mínima inibitória (CIM) e a concentração inibitória média(CI50), determinar se o efeito é fungistático ou fungicida, avaliar o efeito do MREO nagerminação de conídios, esporulação e no metabolismo respiratóriodo contra A. flavus,A. niger, A. nomius, Fusarium culmorum e F. graminearum, além do efeito na germinaçãode sementes de trigo. Foram identificados 22 compostos na composição química doMREO e os compostos majoritários foram a-terpineno (6,46%), 1,8-cineol (11,54%), ?-terpineno (13,2%), terpinoleno (28,72%) and terpinen-4-ol (19,82%). O método defumigação ocasionou maior mortalidade para ambos os insetos (> 80%). Os valores daCL50 (90,55 e 72,88 de substância por L-1 de ar), TL50 (0,92 e 1,23 horas) e TMS (92,17e 92,67 horas) foram similares entre as espécies (S. zeamais e S. oryzae, respectivamente).O método de volatilização demonstrou baixa atividade fungicida (< 30% de inibição)contra todos os isolados. O método de contato ocasionou uma inibição superior a 90%,com alta toxicidade para Aspergillus. O MREO ocasionou taxa de mortalidade acima de25%, com aumento na síntese enzimática da acetilcolinesterase (AChE) para ambas asespécies de gorgulhos. Houve dano de peroxidação lipídica (LPO) apenas para S. zeamaise inibição da glutathione s-transferase (GST), a-esterase, e superoxido dismutase (SOD)para S. oryzae. O tratamento MREM causou taxa de mortalidade inferior a 1.5%, comaumento das enzimas GST, SOD e LPO para ambas as espécies e um aumento naatividade enzimática de esterase-ß para S. zeamais e esterase-a para S. oryzae. Naconcentração de 1,5%, o MREO ocasionou inibição do crescimento micelial acima de95%, com o valor do CIM sendo 1% para todos os isolados. O valor da CI50 variou entrenos isolados expostos ao MREO, com o menor valor de 0,07% para com A. niger e omaior em 0,33% para F. culmorum (NRRL3288). O MREO inibiu a taxa de germinaçãodos conídios de todos os isolados e reduziu a capacidade de esporulação dos fungos,especialmente do gênero Fusarium. O aumento na concentração do MREO ocasionoumaior inibição da atividade respiratória para os isolados de Fusarium. A taxa degerminação das sementes de trigo após o tratamento com o MREO foi de 96%, e nocontrole negativo 98%. Concluí-se que o MREO demonstra elevada atividade inseticidae fungicida, enquanto o MREM ocasiona uma toxicidade crônica contra os gorgulhos. Nossos resultados apontam que o MREO apresenta potencial como um produtoalternativo ao controle de pragas e fungos de armazenamento, e para o tratamento desementes de trigo, visando a produção orgânica da cultura.

Abstract: The recurrent and indiscriminate use of pesticides has led to the emergence of resistantinsects and fungal strains, in addition to the presence of residues in grains, affectinghuman health. Several studies demonstrate the effectiveness of using essential oils (EOs)in controlling insects and storage pathogens. In view of the above, the objective of thisresearch is to analyze and evaluate the efficiency of Melaleuca rhaphiophylla(Myrtaceae) essential oil (MREO) in the management of storage pests (Sitophilus zeamaisand Sitophilus oryzae) and phytopathogens (Aspergillus spp. and Fusarium spp.). The EOwas extracted in a vat using the steam drag and analyzed by gas chromatography–massspectrometry. In chapter 01, the insecticidal effect against weevils was evaluated throughcontact and fumigation. Then, the lethal concentration (LC), lethal time (LT), and meansurvival time (MST) were estimated by fumigation. The antifungal activity againstAspergillus flavus, Aspergillus niger, Aspergillus nomius and Fusarium graminearumwas tested through volatilization and direct contact. The chapter 02 aimed to evaluate theinsecticidal activity and effect of MREO and its emulsion (MREM) on biochemicalmarkers against S. zeamais and S. oryzae. The chapter 03 aimed to evaluate the effect ofMREO on mycelial growth, estimate minimum inhibitory concentration (MIC) and meaninhibitory concentration (IC50), determine whether the effect is fungistatic or fungicidal,evaluate the effect of MREO on conidial germination, sporulation and respiratorymetabolism against A. flavus, A. niger, A. nomius, Fusarium culmorum and F.graminearum, in addition to the effect on wheat seed germination. Twenty-twocompounds were identified in the chemical composition of MREO, and the majorcompounds were a-terpinene (6.46%), 1,8-cineole (11.54%), ?-terpinene (13.2%),terpinolene (28.72%) and terpinen -4-ol (19.82%). Regarding the insects, the applicationusing fumigation caused the highest mortality in both species (> 80%). The values forLC50 (90.55 and 72.88 of substance L-1 of air), LT50 (0.92 and 1.23 hours) and MST (92.17and 92.67 hours) were similar between species (S. zeamais and S. oryzae, respectively).The volatilization method showed low fungicidal activity (< 30% inhibition) to allisolates. The contact method showed an inhibition greater than 90% with higher toxicityfor Aspergillus. The MREO caused a mortality rate above 25%, with increased enzymaticsynthesis of acetylcholinesterase (AChE) for both weevils. There was lipid peroxidation(LPO) damage only for S. zeamais and inhibition of GST, a-esterase, and superoxidedismutase (SOD) activity for S. oryzae. The MREM caused a mortality rate lower than1.5%, with an increase in glutathione s-transferase (GST), SOD, and LPO enzymes forboth species and an increase in the enzymatic activity of esterase-ß for S. zeamais andesterase-a for S. oryzae. MREO at 1.5% caused growth inhibition above 95%, with theMIC value of 1% for all isolates. The IC50 value varied among isolates exposed to MREO,with lower value of 0.07% for A. niger and higher at 0.33% for F. culmorum(NRRL3288). MREO inhibited the germination rate of conidia of all isolates, and reducedthe sporulation capacity of fungi, especially species of the genus Fusarium. The increasein the concentration of MREO caused greater inhibition of respiratory activity for allisolates of Fusarium spp.. The germination rate of wheat seeds after treatment withMREO was 96%, while negative control was 98%. We concluded that MREOdemonstrated higher insecticidal and fungicidal activity, while MREM caused chronictoxicity against weevils. Our results showed that MREO has potential as an alternative product to control storage pests and fungi, for the treatment of wheat seeds, aiming at theorganic production of the crop.