Phytotoxic and antifungal compunds from legume seeds that accumulate glactomannan and xyloglucan as cell wall storage polysacharides

Sesbania virgata (Cav.) Pers. e Hymenaea courbaril L. var. stilbocarpa (Fabaceae) são duas espécies tropicais que acumulam, respectivamente, galactomanano e xiloglucano como polissacarídeos de reserva nas sementes, os quais são mobilizados logo após protrusão da radícula, gerando grande quantidade de monossacarídeos e oligossacarídeos. Parte desses açúcares é liberada para o meio, sem que haja, contudo, contaminações por microrganismos. Estudos prévios indicaram que exsudatos dessas sementes apresentam substâncias com atividade antifúngica e fitotóxica e sugeriram também que oligossacarídeos oriundos da degradação do galactomanano agem como moléculas sinalizadoras de mecanismos de defesa em plantas. Entretanto, a liberação, natureza química e atividade biológica desses compostos ainda não haviam sido estudadas. Dessa forma, este trabalho teve por objetivos elucidar as estruturas químicas e estudar a exsudação de substâncias fitotóxicas e antifúngicas por sementes de S. virgata e H. courbaril, assim como, verificar a possível influência de oligossacarídeos derivados de galactomanano na produção desses metabólitos ativos em S. virgata. As sementes de S. virgata e H. courbaril foram germinadas em câmaras climatizadas à 25º C e fotoperíodo de 12 h e seus exsudatos foram coletados em diferentes períodos do processo de embebição, sendo posteriormente submetidos à bioensaios de fitotoxicidade com sementes de alface (Lactuca sativa L.) e de tomate (Solanum lycopersicum L.). Para o isolamento de compostos ativos, extratos dos exsudatos e extratos das sementes foram obtidos em larga escala através de extrações com solventes orgânicos, sendo, posteriormente, fracionados em colunas de gel de sílica utilizando gradientes de diclorometano e MeOH. As frações coletadas foram ensaiadas quanto a sua atividade fitotóxica em plântulas de Arabidopsis thaliana L. e de arroz (Oryza sativa L.) cultivadas in vitro. A atividade antifúngica dos extratos e frações foi determinada por métodos de bioautografia e microdiluição in vitro com fungos filamentosos e leveduras. As substâncias isoladas foram identificadas e caracterizadas por técnicas de 13C RMN e 1H RMN (1-D e 2-D). Quantificação e detecção de compostos também foram realizadas por análises em HPLC, HPLCMS e GC-MS. Os resultados obtidos demonstraram que ambas as sementes exsudam metabólitos secundários antifúngicos e fitotóxicos logo no início do processo de embebição. O flavonóide (+)-catequina é a principal fitotoxina dos exsudatos das sementes de S. virgata, sendo encontrada no tegumento das sementes e liberada em altas concentrações no primeiro dia de embebição. Quercetina também foi encontrada no tegumento das sementes de S. virgata, mas não é exsudada durante a germinação. Análises cromatográficas sugeriram a presença do alcalóide sesbanimida A nos extratos do embrião e nos exsudatos de S. virgata, como a principal substância antifúngica presente. Sementes de S. virgata embebidas em soluções contendo oligossacarídeos de galactomanano exsudaram maior quantidade de (+)-catequina do que aquelas embebidas apenas em água destilada, sugerindo que esses oligossacarídeos possam atuar como oligossacarinas sinalizadoras. Duas bicumarinas, a ipomopsina, anteriormente extraída de outra espécie vegetal e a himenaína, uma bicumarina inédita, foram isoladas de extratos do embrião das sementes de H. courbaril. Esses metabólitos também são exsudados durante a germinação e apresentam toxicidade às raízes de plântulas de A. thaliana quando co-aplicados e não apresentam atividade antifúngica, com exceção da escopoletina, também detectada nestes extratos. Entretanto, essas substâncias apresentaram atividade antioxidante, sendo himenaína a que apresentou maior capacidade seqüestradora do radical livre DPPH, sugerindo o envolvimento desses compostos na proteção a danos causados por radicais livres. Os dados obtidos neste trabalho sobre a atividade fitotóxica, antifúngica e antioxidante dos metabólitos isolados das sementes de S. virgata e H. courbaril sugerem que eles podem funcionar como estratégias adaptativas que contribuem para o sucesso do estabelecimento inicial dessas espéciesSesbania virgata (Cav.) Pers. and Hymenaea courbaril L. var. stilbocarpa (Fabaceae) are two tropical legume species with seeds that contain galactomannan and xyloglucan, respectively, as seed storage polysaccharides, which are broken down after germination, generating large amounts of monosaccharides and oligosaccharides. Part of these sugars is released to the environment, but no contamination is observed. Previous studies demonstrated that these seed leachates have antifungal and phytotoxic activity and also suggested that oligosaccharides derived from galactomannan can act as signaling molecules in plant defense mechanisms. However, exudation, chemical structure and biological activities of the compounds have not been studied. Therefore, the aims of this work were to study the release of the bioactive compounds from seeds of S. virgata and H. courbaril, to elucidate their chemical structure and to analyze the influence of galactomannan oligosaccharides on the production of these substances in S. virgata. Seeds of S. virgata and H. courbaril were germinated at 25º C and photoperiod of 12 h, and the leachates were collected at different periods of the imbibition process, and submitted to phytotoxic bioassays with seeds of lettuce (Lactuca sativa L.) and tomato (Solanum ycopersicum L.). For compound isolation, extracts of seeds and leachates were obtained in large amounts and fractionated in silica gel columns with different gradient of dichloromethane and methanol. The fractions collected were assayed in vitro with seedlings of Arabidopsis thaliana L. and rice (Oryza sativa L.). The antifungal activity of the extracts and fractions were determined by bioautography and microdilution tests. The compounds were identified and characterized by 13C NMR and 1H NMR (1-D and 2-D) techniques. Compounds were also detected and quantified by HPLC, HPLC-MS and GC-MS. Our results showed that both seeds exude antifungal and phytotoxic metabolites at the beginning of imbibition process. The flavonoid (+)-catechin is the major phytotoxin in the S. virgata seed exudates, being found in the seed coat and leached in high amounts at the first day of imbibition. Quercetin was also found in the seed coat of S. virgata seeds, but it is not released during germination. The alkaloid sesbanimide A was detected in the embryo and exudates extracts of S. virgata, being the most important antifungal compound found in the extracts. Seeds of S. virgata imbibed with a galactomannan oligosaccharide solution leached more (+)-catechin than those imbibed in distilled water, suggesting that these molecules can act as oligosaccharins. Two biscoumarin, ipomopsin, previously reported in other plant species, and hymenain, a novel one, were identified in embryo extracts of H. courbaril. These compounds are also released by the seeds during germination, and showed a phytotoxic effect on roots of A. thaliana seedlings when co-applied, but they have not antifungal activity. Escopoletin were also detected in the embryo extracts, and showed antifungal activity to Cladosporium sphaerospermum Pemzig. Additionally, the biscoumarin and scopoletin, showed antioxidant activity, hymenain being the substance with higher scavenger activity to DPPH free radical, suggesting its involvement in the protection of the cells against free radical damages. Our findings related to the phytotoxic, antifungal, and antioxidant activities of metabolites isolated from seeds of S. virgata and H. courbaril suggest that they could act as adaptive strategies that contribute to the success of the initial establishment of these specie