Plant secondary compounds and soil microbial processes in carbon and nitrogen cycling in relation to tree species

The aim of this study was to explore soil microbial activities related to C and N cycling and the occurrence and concentrations of two important groups of plant secondary compounds, terpenes and phenolic compounds, under silver birch (Betula pendula Roth), Norway spruce (Picea abies (L.) Karst) and Scots pine (Pinus sylvestris L.) as well as to study the effects of volatile monoterpenes and tannins on soil microbial activities. The study site, located in Kivalo, northern Finland, included ca. 70-year-old adjacent stands dominated by silver birch, Norway spruce and Scots pine. Originally the soil was very probably similar in all three stands. All forest floor layers (litter (L), fermentation layer (F) and humified layer (H)) under birch and spruce showed higher rates of CO2 production, greater net mineralisation of nitrogen and higher amounts of carbon and nitrogen in microbial biomass than did the forest floor layers under pine. Concentrations of mono-, sesqui-, di- and triterpenes were higher under both conifers than under birch, while the concentration of total water-soluble phenolic compounds as well as the concentration of condensed tannins tended to be higher or at least as high under spruce as under birch or pine. In general, differences between tree species in soil microbial activities and in concentrations of secondary compounds were smaller in the H layer than in the upper layers. The rate of CO2 production and the amount of carbon in the microbial biomass correlated highly positively with the concentration of total water-soluble phenolic compounds and positively with the concentration of condensed tannins. Exposure of soil to volatile monoterpenes and tannins extracted and fractionated from spruce and pine needles affected carbon and nitrogen transformations in soil, but the effects were dependent on the compound and its molecular structure. Monoterpenes decreased net mineralisation of nitrogen and probably had a toxic effect on part of the microbial population in soil, while another part of the microbes seemed to be able to use monoterpenes as a carbon source. With tannins, low-molecular-weight compounds (also compounds other than tannins) increased soil CO2 production and nitrogen immobilisation by soil microbes while the higher-molecular-weight condensed tannins had inhibitory effects. In conclusion, plant secondary compounds may have a great potential in regulation of C and N transformations in forest soils, but the real magnitude of their significance in soil processes is impossible to estimate.

Rihmamatolääkkeiden vaikutuskohteita. Betuliinin johdannaisia mahdollisiksi uusiksi yhdisteiksi

Jokisokeus eli onkosersiaasi on ihmisen loismatotauti, jota aiheuttaa Onchocerca volvulus -rihmamato. Tautia esiintyy trooppisilla alueilla Afrikassa ja Latinalaisessa Amerikassa. Tartunnan saaneita on noin 37 miljoonaa. Jokisokeus ilmenee iho- ja silmäoireina. Oireet johtuvat loisen nuorimmista muodoista eli mikrofilarioista. Jokisokeutta vastaan on käyty jakamalla lähinnä mikrofilarioihin tehoavaa ivermektiiniä. Tarvetta olisi lääkkeelle, joka tappaisi aikuiset madot tai steriloisi naaraat. Rokote olisi vielä parempi vaihtoehto. Antibiootit on uusi hoitokeino, sillä O. volvuluksella on elintärkeänä symbionttina Wolbachia-bakteeri. Doksisykliini tappaa vähintään 60 prosenttia aikuisista madoista ja steriloi naaraita, mutta kuuri kestää viikkoja. Yksi lupaava yhdiste on emodepsidi, jolla on loismatolääkkeille uusi vaikutusmekanismi. Rihmamatolääkkeiksi on testattu lukuisia yhdisteitä. Jotkut niistä inhiboivat entsyymejä, joilla madot kiertävät ihmisen immuunipuolustusta. Toiset häiritsevät neljä kertaa tapahtuvaa nahanvaihtoa. Hyvä lääkkeiden vaikutuskohde on loiselle välttämätön mutta puuttuu nisäkkäiltä. Betuliini on triterpeeni, jota on runsaasti koivun tuohessa. Betuliini ja monet sen johdannaiset ovat farmakologisesti aktiivisia yhdisteitä, joita tutkitaan etenkin syöpä- ja HIV-lääkkeiksi. Helsingin yliopiston lääkekemian ryhmä on syntetisoinut ja tutkinut lukuisia johdoksia. Jotkin niistä ovat lupaavia esimerkiksi Leishmania-alkueläimiin, Chlamydia pneumoniae -bakteeriin ja alfaviruksiin. Siksi yhdisteitä kannattaisi tutkia muihinkin taudinaiheuttajiin, kuten rihmamatoihin. Sekä Wolbachialla että C. pneumoniaella on sama lipidisynteesireitti, joka on kummallekin elintärkeä. Betuliinista syntetisoitiin johdoksia, joissa betuliinin alkoholeja on hapetettu karbonyyleiksi ja joihin on liitetty typpiheterorengas. Sekä Leishmania donovani että L. braziliensis -tutkimuksissa tehokkain oli formyylibetuliinin heterosykli. Vaikka valmistettuja yhdisteitä ei ole tutkittu rihmamatotesteissä, jatkossa voisi syntetisoida johdannaisia, joissa karbonyylien tilalla on typpirakenteita, koska C. pneumoniaehen hyvin tehonneessa yhdisteessä betuliinin OH-ryhmien tilalla on oksiimi.