Thesis
Reference
Phytochemical and bioactivity investigations of three invasive neophytes Buddleja davidii Franch (Buddlejaceae), Polygonum cuspidatum Sieb. & Zucc. and Polygonum sachalinensis F. Schmidt
ex Maxim (Nakai) (Polygonaceae)
FAN, Peihong
Abstract
This work aimed to reveal the invasive mechanism of invasiv plant species and to study their beneficial uses. An acetylcholinesterase inhibitor linarin was isolated from Buddleja davidii Franch (Buddlejaceae), and the structure-activity relationship was studied. HPLC/UV/ESI-MS analyses demonstrated different phytochemcial profiles of Polygonum cuspidatum Sieb. &
Zucc. and P. sachalinensis F. Schmidt ex Maxim (Polygonaceae) from China and Switzerland.
Seven compounds of 21 isolated compounds were reported for the first time from these two species. Allelopathy tests revealed strong phytotoxicity of the leaf and root extracts, and discovered two strong allelochemicals resveratrol and rhein, as well as piceid, resveratroloside or piceatannol glucoside with stronger activity than (-) - catechin. Other biotests showed the potential of the isolated compounds against α-glucosidase, aromatase or as anti-inflammatory agents. At last the total content of resveratrol in the invasive Swiss variety of P. cuspidatum was measured to prove it a source of resveratrol.
FAN, Peihong. Phytochemical and bioactivity investigations of three invasive
neophytes Buddleja davidii Franch (Buddlejaceae), Polygonum cuspidatum Sieb. &
Zucc. and Polygonum sachalinensis F. Schmidt ex Maxim (Nakai) (Polygonaceae). Thèse de doctorat : Univ. Genève, 2009, no. Sc. 4121
URN : urn:nbn:ch:unige-37706
DOI : 10.13097/archive-ouverte/unige:3770
Available at:
http://archive-ouverte.unige.ch/unige:3770
Section des sciences pharmaceutiques
Laboratoire de pharmacognosie et phytochimie Professeur Kurt Hostettmann
Phytochemical and Bioactivity Investigations of Three Invasive Neophytes Buddleja davidii Franch (Buddlejaceae), Polygonum
cuspidatum Sieb. & Zucc. and Polygonum sachalinensis F. Schmidt ex Maxim (Nakai) (Polygonaceae)
THÈSE
présentée à la Faculté des sciences de l’Université de Genève
pour obtenir le grade de Docteur ès sciences, mention sciences pharmaceutiques
par
Peihong FAN
de
Shandong (Chine)
Thèse N° 4121
GENÈVE
Atelier d’impression Repromail
Section des sciences pharmaceutiques
Laboratoire de pharmacognosie et phytochimie Professeur Kurt Hostettmann
Phytochemical and Bioactivity Investigations of Three Invasive Neophytes Buddleja davidii Franch (Buddlejaceae), Polygonum
cuspidatum Sieb. & Zucc. and Polygonum sachalinensis F. Schmidt ex Maxim (Nakai) (Polygonaceae)
THÈSE
présentée à la Faculté des sciences de l’Université de Genève
pour obtenir le grade de Docteur ès sciences, mention sciences pharmaceutiques
par
Peihong FAN
de
Shandong (Chine)
Thèse N° 4121
GENÈVE
Atelier d’impression Repromail
Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de thèse, Monsieur le Professeur Kurt Hostettmann, de m’avoir accueilli au sein de son laboratoire, ainsi que de m’avoir permis d’effectuer mon travail de thèse dans un groupe de recherche de renommée internationale.
Cela m’a permis de travailler avec des instruments analytiques de pointe et du matériel de première qualité. Cette expérience sera inoubliable. Je tiens également à exprimer ma reconnaissance de la confiance que le Professeur m’a accordée dans mon travail de recherche et dans mes tâches d’assistante en Pharmacie. De plus, je le remercie de m’avoir donné l’opportunité de présenter mes travaux lors de congrés internationaux et de les publier.
J’ai apprécié son dynamisme, sa générosité, son enthousiasme communicatif, ainsi que son aide pendant mon séjour à Genève. Merci à Madame le Docteur Maryse Hostettmann pour sa gentillesse et son amitié.
Je remercie chaleureusement mon responsable technique, Monsieur le Docteur Andrew Marston, pour sa grande disponibilité et ses précieux conseils. J’ai apprécié sa gentillesse, sa patience inoubliables et ses encouragements importants tout au long de mon travail. Il me tient également à coeur de souligner l’importance de l’aide ainsi que les conseils apportés par mon autre responsable technique Madame le Docteur Anne-Emanuelle Hay.
Ma reconnaissance va également aux membres du jury : Monsieur le Professeur Robert Anton du Laboratoire de Pharmacognosie de l’Université Louis Pasteur de Strasbourg, Monsieur le Docteur Ying Wang de l’Instituts Novartis pour la Recherche Biomédicale de Bâle et Monsieur le DocteurChristoph Carlen du Centre de Recherche Conthey. Je remercie aussi Monsieur le Docteur Raimana HO de l’Université de Genève comme membre interne du jury et comme bon collègue. Merci également à Monsieur le Professeur Pierre-Alain Carrupt pour avoir accepté de présider ce jury.
J’exprime toute ma gratitude à tous mes anciens et présents collègues pour leur acceuil, leur aide précieuse, leurs conseils, leur compréhension, leurs encouragements et leur sympathie tout au long de mon travail :
A Monsieur le Professeur Jean-luc Wolfender et à Madame le Docteur Karine Ndjoko-Ioset de m’avoir formé sur la RMN et la spectrométrie de masse, ainsi que pour leur patience, leur
A Madame Martine Cabo pour m’avoir aidé à utiliser tous le matériel d’expérience, pour ses sourires chaleureux et sa bonne humeur constante qui m’ont mis dans une bonne ambiance.
A notre sympathique secrétaire Madame Karin Megzari pour son aide, pour toutes les formalités administratives, spécialement pour m’avoir accueilli dans sa famille et pour son amitié familiale et sincère. Ainsi qu’à ses parents à Kloster pour leur accueil, à ses fils Yassin et Selim pour leur amitié et à son copain Alex pour son acceuil et son humour.
A Claudia, Sandra, Daphné, Aurélie, Trixie, Gaëtan, Fred, Yves, Hakim et Sylvian avec qui j’ai travaillé pendant trois ans. Merci pour leur aide, leurs bons conseils, leurs encouragements, leur soutient, leur amitié et pour tous les moments que nous avons partagés lors des sorties et des congrès. Je tiens aussi à remercier tout spécialement Gaëtan pour les analyses TOF-HRMS et Trixie pour la relecture de ma thèse. Ma reconnaissance va également à : Munir, Guibet, Aline, Elia, Anne-laure, Jean-gustave, Bernadette, Nadine, Philippe et Aude pour leur aide et leur amitié et également à une amie chinoise Xiaoling Wang, pour sa compagnie durant une année, ses conseils et ses encouragements importants.
A Lara, ma diplômante, pour son excellent travail qui a contribué à cette étude.
Je remercie également Monsieur le Professeur Leonardo Scapozza du Groupe de Biochimie Pharmaceutique de m’avoir permis de faire les expériences de ‘docking’ et ‘drug design’ dans son laboratoire, ainsi qu’à son doctorant Andrea Cristiani pour m’avoir montré la technique.
Je remercie également les secrétaires du laboratoire, Madame Dominique Hunziker et Madame Natalie Schregle de m’avoir aidé pour les traitements administratifs en rapport à ma soutenance.
Finalement, j’aimerais encore remercier toutes les personnes que j’ai rencontrées en Suisse et que je n’ai pas citées.
support during my study abroad.
I express my gratitude to Shandong University, School of Pharmaceutical Science, and all my colleagues in the Department of Natural Product Chemistry in Jinan to give me the opportunity to study abroad for three years. I’m always grateful to Prof. Hongxiang Lou for having brought me into the field of Phytochemistry, for his influence, confidence, encouragement and support.
在此，我还要感谢在日内瓦的中国朋友给予的帮助和欢乐, 感谢我的家人和国内的朋友 以他们的方式给于的支持和安慰，使我可以在异地安心的学习生活。
The present work was carried out in the Laboratory of Pharmacognosy and Phytochemistry of University of Geneva (September 2006 to July 2009), under the guidance of Prof. Kurt Hostettmann. Some aspects of the present research have been published and presented at scientific congresses as poster presentation.
Publications
Fan, P.H.; Hay, A.E.; Marston, A.; Hostettmann, K (2008). Acetylcholinesterase-inhibitory activity of linarin from Buddleja davidii, structure-activity relationships of related flavonoids and chemical investigation of Buddleja nitida. Pharmaceutical Biology, 46(9): 596-601.
Fan, P.H.; Hay, A.E.; Marston, A.; Lou, H.X.; Hostettmann, K (2009). Chemical variability of the invasive neophytes Polygonum cuspidatum Sieb. & Zucc and Polygonum sachalinensis F.Schmidt ex Maxim. Biochemical Systematics and Ecology, 37: 24-34.
Fan, P.H.; Marston, A.; Hay, A.E.; Hostettmann, K (2009). Rapid separation of three glucosylated resveratrol analogues from the invasive plant Polygonum cuspidatum by high- speed countercurrent chromatography. Journal of Separation Science, 32: 2979-2984.
Fan, P.H.; Terrier, L.; Hay, A.E.; Marston, A.; Hostettmann, K (2009). Antioxidant and enzyme inhibition activities and chemical profiles of Polygonum sachalinensis F. Schmidt ex Maxim (Polygonaceae). Fitoterapia, doi: 10.1016/j.fitote.2009.08.019.
Fan, P.H.; Marston, A (2009). How can phytochemists benefit from invasive plants? Natural Products Communication, (in press).
Fan, P.H.; Hostettmann, K, et al (2009). Phytotoxicity of the invasive neophyte Polygonum cuspidatum Sieb. & Zucc. (Polygonaceae). Chemoecology (In redaction)
Fan, P.H.; Marston, A.; Hay, A.E.; Hostettmann, K (2009). New caffeoyl esters from Asplenium ruta-muraria. Chemistry & biodiversity, (In redaction).
Posters
Fan, P.H.; Hay, A.E.; Marston, A.; Hostettmann, K (2008). Chemical constituents of Asplenium ruta-muraria. Joint international symposium of the international organization of chemistry for development (IOCD) and the international society for the development of natural products (ISDNP), Feb 24-29, Kasane (Botswana).
Fan, P.H.; Hay, A.E.; Marston, A.; Lou, H.X; Hostettmann, K (2008). Comparative Analysis of Chemical Profiles of the Invasive Neophytes Polygonum cuspidatum and Polygonum sachalinensis by HPLC-DAD-ESI/MS. The 1st International Conference on Plant Secondary Metabolism in the theme of "Human Heath and Plant Secondary Metabolites", June 8-10, Kunming (China).
and Annual Meeting of the Society for Medicinal Plant and Natural Product Research, Aug 16-20, Geneva, Switzerland. (published in Planta Medica 2009, 75: 928).
Oral presentation
Fan, P.H.; Hay, A.E.; Marston, A.; Hostettmann, K (2009). Allelopathic potential of two invasive neophytes Polygonum cuspidatum Sieb. & Zucc and P. sachalinensis F. Schmidt ex Maxim (Polygonaceae). PhD day, Ecole doctorale en Sciences Pharmaceutiques, ECOLE DE PHARMACIE GENEVE LAUSANNE, June 23, Hermance (Switzerland).
The units used in the present work are in agreement with the International System of Units.
2D Bidimensional
δ Chemical shift (NMR)
λmax Wavelength of the absorption maxima α/β-Glu α/β-Glucosidase
α-PNPG p-Nitrophenyl-α-D-glucopyranoside β-PNPG p-Nitrophenyl-β-D-glucopyranoside
AARS Allelopathic advantage against resident species
AChE acetylcholinesterase
AD Alzheimer’s disease
ADP Adenosine diphosphate
AIDS Acquired immune deficiency syndrome
ALT Alanine aminotransferase
ANOVA One-way anylysis of variance (Statistics)
ATCI Acetyl thiocholine iodide
BAECs Bovine aortic endothelial cells
BCC Bone calcium content
BChE Butyrylcholinesterase
BD Abbreviation of Buddela davidii as the prefix of the compounds identified in this work
BMD Bone mineral density
BMDM Bone marrow derived macrophage
BSA Bovine serum albumin
BuOH Butanol
CAM Chick embryo chorioallantoic membrane
CCC Counter current chromatography
CHUV Centre Hospitalier Universaitaire Vaudois, Switzerland
COSY Correlation spectroscopy (NMR)
CPC Centrifugal partition chromatograohy /Chinese Pharmacopoeia Committee
CPS/SKEW Swiss Commission for Wild Plant Conservation
Cys Crystallization
d Doublet (NMR)
DAD Photodiode array detector (UV)
DCC Dextran-coated charcoal
DCM Dichloromethane
dd Double doublet
diHETE 5,12-dihydroxy-6,8,10,14-eicosatetraenoic acid
DMSO Dimethyl Sulfoxide
DNA Deoxyribonucleic acid
DPPH 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl
DTNB Dithio-bis-(2-nitrobenzoic acid)
DTT Dithiothreitol
EDTA Ethylenediamine tetraacetic acid
eNOS Endothelial NOS
EtOAc Ethyl acetate
EtOH Ethanol
GC Gas chromatography
GISD Global Invasive Species Database
GSH Glutathione
HABs Harmful algal blooms
HbsAg Surface antigen of HBV
HBV Hepatitis-B-Virus
HETE 5-Hydroxy-6,8,11,14-eicosatetraenoic acid
HIV Human immunodeficiency virus
HMBC Heteronuclear multiple bond correlation (NMR)
HPLC High performance liquid chromatography
HPLC-UV/DAD HPLC coupled with ultraviolet photodiode array detector HPLC/UV/ESI-MS HPLC couples with UV and ESI MS
HR-ESI-TOF-MS High-resolution electrospray time of flight mass spectra
HSCCC high-speed countercurrent chromatography
HSQC Heteronuclear single quantum coherence (NMR)
HQ Hydroxyquinoline
IAS Invasive alien species
IC50 The concentration of substance that provides 50% inhibition to certain reaction
i.d. Internal diameter
iNOS Inducible NOS
J Coupling constant (NMR)
LDL Low density lipoprotein
LLE Liquid-liquid extraction
LIT Liver infusion tryptose medium
LOD Limits of detection
LOQ Limits of quantification
LPP Laboratory of pharmacognosy and phytochemistry (University of Geneva)
LPS Lipopolysaccharide
LTC4 Leukotriene C4
m Multiplet (NMR)
m/z Mass per electronic charge
MDA Malonaldehyde
MeOH Methanol
MPLC Medium pressure liquid chromatography
MS Mass spectra
MuLV Murine leukemia virus
MTT (3-4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide NADPH Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate
NAG N-acetyl-β–D-glucosaminidase
NMR Nuclear magnetic resonance
PC Abbreviation of Polygonum cuspidatum as the prefix of the compounds identified in this work
pH Power of Hydrogen
PMN-L Polymorphonuclear leukocytes
ppm Part per million
PS Abbreviation of Polygonum sachalinensis as the prefix of the compounds identified in this work
R2 Correlation coefficient of regression
ROS Reactive oxygen species
R.S.D Relative standard deviation (Statistic)
SE Standard error (Statistic)
SPE Solid phase extraction
TBA Thiobarbituric acid (radical-scavenging test)
TFA Trifluoroacetic acid
THF Tetrahydrofuran
TIC Total ion chromatogram
TLC Thin layer chromatography
TMS Tetramethylsilane
TNF Tumor necrosis factor
TPA 12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate
U Unit
UV Ultra Violet
WCS/CAS Wildlife Conservation Society/Chinese Alien Species (China)
WHO World Health Organization
REMERCIEMENTS………...i
SCIENTIFIC COMMUNICATIONS………..………...v
ABBREVIATION AND SYMBOLS………...vii
TABLE OF CONTENTS…..………...xi
RESUME DE THESE EN FRANCAIS...xv
Chapter I AIM OF THIS WORK...1
Chapter II INTRODUCTION……...……….7
1. Invasive alien species and invasive neophytes: some definitions ...…………9
2. History of invasive alien plants ... ………..10
2.1. Introduction of invasive alien plants... 10
2.2. Impacts of invasive alien plants ... 11
2.3. Examples of invasive cases ... 13
2.4. Current situation of invasive neophytes ... 14
3. Why some invasive plant species transmogrify from weak competitors at home to strong competitors abroad? Hypotheses on the mechanism of invasions ...……….17
4. Novel phytochemistry hypothesis: the phytochemical basis behind the mechanism of invasions………..19
4.1. Allelopathic... 19
4.2. Anti-herbivore... 20
4.3. Anti-microbial ... ……….22
4.4. Phytochemicals reported in the invasion mechanisms... 23
5. What role can phytochemists play in the war against invasive plants?...26
6. Can weeds be medicine? ... ...28
7. Initial approaches to the present study ... ………....29
8. Introduction to the three species for further study... ………30
8.1. Buddleja davidii Franch (Buddlejaceae) ... 30
8.1.1 Names, morphological characters and general invasive impacts ... 30
8.1.2. Previous chemical investigations ... 31
8.1.3. Previously reported bioactivities of B. davidii and related species ... 34
8.2. Polygonum cuspidatum Sieb. & Zucc. (Polygonaceae) ... 34
8.2.1 Names, morphological characters and general invasive impact... 34
8.2.2. Previous chemical investigations: ... 36
8.2.3. Previously reported bioactivities of P. cuspidatum... 41
8.3. Polygonum sachalinensis F. Schmidt ex Maxim (Nakai) (Polygonaceae) ... 44
8.3.1 Names, morphological characters and general invasive impacts ... 44
8.3.2. Previous chemical investigations ... 45
8.3.3. Previously reported bioactivities of P. sachalinensis ... 47
9. Bioassays performed in this work ... 48
9.1 Bioassays perfomed at the LPP ... 48
9.1.3. Acetylcholinesterase (AChE) inhibition biotests... 49
9.1.4. Glucosidase inhibition biotests ... 50
9.1.5. Antiparasitic activity ... 50
9.1.6. Allelopathy ... 51
9.2. Bioassays perfomed in collaboration with other institutions... 51
9.2.1. In vitro antiparasitic activity ... 51
9.2.2. Cytotoxity... 52
9.2.3. Nitric oxide inhibition test... 52
9.2.4. Aromatase inhibition test ... 52
Chapter III RESULTS AND DISCUSSION………..55
1. Initial screening for bioactivities of the studied plants ... 57
2. Acetylcholinesterase-inhibitory activity of Buddleja davidii ... 60
3. Chemical variability of the invasive neophytes Polygonum cuspidatum Sieb. and Zucc. and Polygonum sachalinensis F. Schmidt ex Maxim ... 69
4. Isolation of compounds from MeOH extracts of roots and stems of P. cuspidatum and P. sachalinensis ... 83
4.1. Fractionation and purification of the MeOH extract of the roots of P. cuspidatum from Switzerland ... 83
4.2. Structure elucidation of the isolated compounds from P. cuspidatum... 85
4.2.1. Compounds PC1-PC3 ... 85
4.2.2. Compound PC4 ... 87
4.2.3. Compound PC5 ... 88
4.2.4. Compound PC6 ... 89
4.2.5. Compounds PC7 -PC12 ... 92
4.3. Fractionation and purification of the MeOH extract of the stems and roots of P . sachalinensis from Switzerland ... 92
4.4. Structure elucidation of the isolated compounds from P. sachalinensis ... 94
4.4.1. Compounds PS1 and PS2 ... 94
4.4.2. Compound PS3 ... 95
4.4.3. Compound PS4 ... 97
4.4.4. Compounds PS5-PS7 ... 100
4.4.5. Compounds PS8-PS9 ... 101
5. Study of biological activities... 102
5.1. Allelopathic potential of compounds from P. cuspidatum and P. sachalinensis .... 102
5.1.1. Effect of crude extracts on root length of L. sativum ... 102
5.1.2. Effect of constituents of P. cuspidatum on root length of L. sativum ... 103
5.1.3. Bioguided fractionation of the DCM extract of leaves of P. cuspidatum (Swiss) by Flash Chromatography and TLC Agar plate bioassay of the active fractions... 107
5.2. Antioxidant and enzyme inhibition activities of the invasive plant P. sachalinensis109 5.2.1. Activities of MeOH extracts from P. sachalinensis... 109
5.2.2. Activities of pure compounds ... 110
5.3. Anti-inflammatory assay... 113
5.4. Aromatase inhibition ... 115
5.5. Discussion ... 116
6. Content of resveratrol in the plants after hydrolysis... 117
1. Bioactivity screening ... 123
2. Acetylcholinesterase-inhibitory activity of Buddleja davidii ... 124
3. Chemical variability of the invasive neophytes Polygonum cuspidatum Sieb. and Zucc. and Polygonum sachalinensis F. Schmidt ex Maxim... 126
3.1. Differences of phytochemical profiles between Chinese samples and Swiss samples of P. cuspidatum... 126
3.2. Comparison of chemical profiles of P. sachalinensis with P. cuspidatum... 126
4. Isolation of compounds from P. cuspidatum and P. sachalinensis... 127
5. Allelopathic potential of crude extracts and pure compounds ... 130
6. AChE, α/β-glucosidase inhibition and free radical scavenging of crude extracts and pure compounds from P. sachalinensis ... 132
7. anti-inflammatory activity ... 133
8. Aromatase inhibitory activity ... 133
9. Content of resveratrol of the plant extract after enzymatic hydrolysis ... 133
Chapter V MATERIALS AND METHODS………135
1. Chemical and biological materials and instruments... 137
2. Plant materials and extraction... 138
2.1. Plant materials ... 138
2.2. Extraction for analysis and isolation ... 139
2.3. Extraction for measurement of resveratrol in P. cuspidatum... 140
2.4. Liquid-liquid extraction (LLE) on stems MeOH extract of P. sachalinensis... 140
3. Preparative separation techniques ... 140
3.1. Counter current chromatography (CCC)... 140
3.2. Medium pressure liquid chromatography (MPLC)... 142
3.3. Flash chromatography... 143
3.4. Solid phase extraction (SPE)... 143
3.5. Semi-preparative high performance liquid chromatography... 143
4. Analytical techniques... 144
4.1. Thin layer chromatography (TLC)... 144
4.2. High performance liquid chromatography coupled with ultraviolet photodiode array detector (HPLC-UV/DAD) ... 144
4.3. High performance liquid chromatography coupled with ultraviolet photodiode array detector and mass spectrometry (HPLC-UV/MS)... 145
5. Physico-chemical methods ... 146
5.1. High resolution mass spectra (HR-MS) ... 146
5.2. Nuclear magnetic resonance spectrometry (NMR) ... 146
5.3. Polarimeter... 147
6. Chemical and biological assays... 147
6.1. Reagents for TLC detection... 147
6.2. Free radical scavenging assay with DPPH... 148
6.2.1. TLC autobiography test on extracts ... 148
6.2.2. Microplate assay on P. sachalinensis ... 148
6.3. Antifungal tests on extracts... 149
6.3.1. TLC autobiography... 149
6.3.2. In vitro parasite inhibition assay ... 150
6.3.3. β-hematin polymerization inhibition assay on extracts... 153
6.4. In vitro cytotoxicity assay on extracts ... 154
6.5. Acetylcholinesterase inhibition assay... 154
6.5.1. TLC autobiography test on Buddleja davidii... 154
6.5.2. Microplate assay on P. sachalinensis ... 155
6.6. α/β-glucosidase inhibition assay on P. sachalinensis. ... 157
6.7 Allelopathy tests... 157
6.7.1. Seeds used in the test... 157
6.7.2. Seedling growth tests ... 158
6.7.3. TLC-Agar plate bioassay... 159
6.8. Nitric oxide inhibition assay... 159
6.9. Aromatase inhibition activity ... 160
7. Chemical reactions ... 161
7.1. Methylation of rhoifolin and apigenin-7-O -glucoside... 161
7.2. Acid hydrolysis and enzymatic hydrolysis of piceid ... 161
7.3 Enzymatic hydrolysis of extract solution... 162
8. Physical constants and spectral data for the isolated compounds ... 163
8.1. Compounds isolated from B. davidii and methylation ... 163
8.2. Compounds isolated from P. cuspidatum... 167
8.3. Compounds isolated from P. sachalinensis... 178
Chapter VI REFERENCES..………189
ABSTRACT.………... 203
Introduction
Une espèce exotique envahissante parvient à se reproduire en dehors de sa zone traditionnelle et sa concurrence constitue pour les espèces et les écosystèmes indigènes une menace écologique, économique ou de santé publique. On appelle néophytes les plantes introduites depuis 1500 après J.-C. Depuis que l’homme voyage, il transporte intentionnellement ou accidentellement tout un cortège d’animaux et de plantes qui ont ainsi l’occasion de s’implanter sur de nouveaux territoires. Cependant, la plupart des espèces introduites dans un nouvel environnement ne s’adaptent pas forcément : elles ne survivent pas et disparaissent plus ou moins rapidement. Mais quelques unes d’entre elles y trouvent des conditions adéquates, sans prédateurs ni compétiteurs, et peuvent alors proliférer. Après une phase d’expansion, elles deviennent invasives et engendrent souvent un impact écologique et économique négatif. D’un point de vue écologique, en changeant la structure ou la composition d’un habitat, les espèces exotiques envahissantes le rendent inadéquate pour d’autres espèces. Cela affecte l’agriculture et les écosystèmes naturels. Dans de nombreux cas, des espèces exotiques envahissantes prennent le dessus sur les espèces indigènes dans leur quête de ressources essentielles. De plus, elles se reproduisent souvent plus facilement que les espèces indigènes, les dépassant rapidement en nombre. Elles peuvent ainsi entraîner la disparition d’espèces et la déstabilisation des écosystèmes. Economiquement, les espèces exotiques envahissantes peuvent réduire considérablement les productions agricoles et aquatiques. Cependant, la répression ou l’éradication de celles qui sont établies peut s’avérer extrêmement coûteuse et difficile. Enfin, concernant la santé publique, les espèces exotiques envahissantes peuvent être toxiques ou allergisantes sur les humains et le bétail. D’ailleurs, certaines sont porteuses de maladies ou en sont les vecteurs (transporteurs).
Par exemple, la berce du Caucase (Heracleum mantegazzianum, Apiaceae), originaire d’Asie a été introduite en Europe et en Amérique du Sud. Cette plante, formant volontiers des populations denses, fait avec ses feuilles énormes de l'ombre aux plantes poussant à ses pieds, si bien que la végétation indigène finit par disparaître faute de lumière. De plus, le suc de la berce du Caucase contient des furanocumarines qui sont phototoxiques. Le contact avec la plante, accompagné ou suivi d'une exposition de la peau au soleil, engendre des brûlures désagréables avec formation de cloques, qui peuvent laisser des marques. Un autre exemple, la
le bloquage des voies d’eau, limitant ainsi le trafic maritime. La jacinthe d’eau empêche aussi la lumière et l’oxygène de pénétrer dans l’eau et d’atteindre les plantes submergées.
L'ombrage et le recouvrement des plantes aquatiques indigènes réduisent gravement la diversité biologique des écosystèmes aquatiques. Quant à l’ambroisie (Ambrosia artemisiifolia, Asteraceae) origine du Canada, elle est considérée comme une espèce envahissante en Europe, en Asie et en Australie. Environ 10 à 15% de la population est allergique à son pollen. Les symptômes sont plus sévères que pour les autres allergies respiratoires (rhinite, asthme, urticaire).
Les invasions biologiques sont d’autant plus importantes que le commerce et le transport se mondialisent. Elles sont considérées aujourd’hui comme étant la deuxième cause d’appauvrissement de la biodiversité dans le monde, juste après la destruction des habitats. Il existe néanmoins des programmes de lutte et de recherche sur la gestion des espèces exotiques, qui visent à gérer les populations établies de manière à ralentir leur expansion ou à atténuer leur effet, pour le bien de nos environnements, de nos cultures et de notre économie.
De nombreux programmes de recherche ont été initiés en Amérique du Nord, en Afrique du Sud, en Australie, en Nouvelle-Zélande et en Europe. Les premières actions entreprises dans ces pays ont été un recensement des espèces envahissantes avérées et une évaluation des espèces à potentiel d’invasion. Dans de nombreux pays, la première démarche gouvernementale fut la limitation des introductions sur le territoire, puis le retrait du marché d’espèces considérées comme envahissantes.
Comment expliquer que les espèces envahissantes ne le soient pas dans leur aire indigène? Les interactions biotiques avec les autres composantes des écosystèmes semblent déterminer en grande partie le succès écologique d’une espèce. De nombreuses hypothèses sont apparues récemment. Parmi elles, les deux plus importantes sont:
L’hypothèse ERH (angl.: Enemy release hypothesis) stipule qu’une plante est moins sujette à l’attaque par des ennemis naturels en dehors de son aire d’indigénat qu’au sein de celle-ci.
Cette hypothèse se fonde sur l’idée, intuitivement séduisante, selon laquelle une longue histoire évolutive a permis à des herbivores et à des agents pathogènes de s’adapter aux
L’hypothèse NWH (angl.: Novel weapons hypothesis or Allelopathic advantage against resident species (AARS)) suggère quant à elle que les plantes envahissantes libèrent dans leur environnement des composés chimiques (angl.: allelochemicals) qui exercent un effet négatif (phytotoxicité) sur leur compétiteur.
Étant donné que des composés anti-herbivores ou anti-microbiens peuvent exister derrière l’hypothèse ERH, les deux hypothèses ont été combinées dans le cadre de ‘Novel phytochemistry hypothesis’ : les plantes envahissantes possèdant des métabolites secondaires uniques ou peu représentatifs de leur aire nouvelle vont probablement devenir envahissantes. Ces métabolites ‘nouveaux’ peuvent présenter des effets allélopathiques, anti- herbivores, antimicrobiens qui vont aider les plantes à devenir envahissantes.
Cette dernière hypothèse (Novel phytochemistry) a été verifiée dans beaucoup de cas. Par exemple, chez Centaurea maculosa (Asteraceae) (spotted knapweed), la (–)-catéchine a été identifiée comme substance phytotoxique dans les sécrétions de racine, alors que la (+)- catéchine est un composé anti-microbien. Dans d’autres espèces, la 8-hydroxyquinoline, la cnicine, le désoxymikanolide, les ocimenones, le méthyl jasmonate, certaines anthraquinones et l’antofine ont été rapportés comme étant des substances phytotoxiques également. Quels métabolites secondaires sont responsables des capacités d’invasion? A ce jour, aucune règle présentant un lien entre la structure d’une molécule et les propriétés invasives d’une espèce ne peut être avancée. La recherche doit se faire de manière multidisciplinaire afin de mettre en lumière des mécanismes de ce phénomène d’invasion et proposer des solutions pour lutter contre cela. Des phytochimistes peuvent jouer un rôle important en étudiant des espèces envahissantes (organes, sécrétion de racine...), en comparant leurs profils phytochimiques avec ceux d’espèces non envahissantes, en examinant les effets allélopathiques, anti- microbiens, anti-herbivores ou en cherchant de nouvelles bioactivités qui permettraient de les utiliser à bon escient.
Ainsi, le but de ce travail est de chercher des substances potentiellement bioactives dans ce genre d’espèces au moyen de criblages et de tests biologiques. En même temps, des études phytochimiques et allélopathiques peuvent contribuer à comprendre partiellement le mécanisme d’invasion.
notamment). Il s’agit de l’ambroisie (Ambrosia artemisiifolia L. (Asteraceae)), du buddléia de David (Buddleja davidii Franch (Buddlejaceae)), de la berce du Caucase (Heracleum mantegazzianum Sommier & Levier (Apiaceae)), de la renouée du Japon (Polygonum cuspidatum Sieb. & Zucc.) et de la renouée de sakhaline (Polygonum sachalinensis F. Schmidt ex Maxim) (Polygonaceae). Les cibles étudiées étaient des microorganismes (Candida albicans, Cladosporium cucumerinum), des parasites (Plasmodium falciparum, Trypanosoma cruzi, Trypanosoma brucei ssp. rhodesiense, Leishmania amazonensis, Leishmania donovani, et le test d’inhibition du β-hematine), des radicaux libres, des enzymes (acétylcholinesterase, α/β-glucosidase, aromatase). Des tests de mesure d’activité allélopathique et de cytotoxicité étaient également impliqués.
Selon les résultats du criblage, la deuxième partie du travail a consisté à isoler des substances de l’extrait des feuilles de B. davidii, qui inhibe fortement l’acétylcholinesterase (AChE). Les relations entre structure et activité ont été considérées. Une espèce similaire, Buddleja nitida a été comparée avec B. davidii en terme de phytochimie et de bioactivité.
La troisième partie du travail a été dédiée à la comparaison d’échantillons de P. cuspidatum suisse (envahissante) et chinois (indigène) en utilisant la Chromatographie Liquid Haute Performance (CLHP) associée successivement à un spectrophotomètre UV à barrettes de diode (UV-DAD), ainsi qu’à un Spectromètre de Masse (SM). L’autre espèce envahissante P.
sachalinensis similaire morphologiquement avec P. cuspidatum, a également pu être étudiée.
La quatrième partie du travail concerne l’investigation des propriétés invasives de P.
cuspidatum et de P. sachalinensis. Il s’agissait d’isoler des substances de deux espèces et ensuite de mesurer l’activité allelopathique des extraits et des composés purs.
La cinquième partie du travail impliquait des tests sur microplaque mesurant l’inhibition de l’acétylcholinesterase, des α/β-glucosidases et de l’activité anti-radicalaire des extraits et des composés isolés de P. sachalinensis. L’activité anti-aromatase et le potentiel anti- inflammatoire des composés majoritaires ont également été testés.
P. cuspidatum est reconnue traditionnellement comme étant une source importante de resvératrol. Mais la teneur de ce composé n’est pas la même dans l’espèce invasive que dans
profiter de l’abondance de cette plante en tant que nouvelle source importante de resvératrol.
Résultats
Le criblage réalisé n’a montré aucune activité important contre les microorganismes et les parasites, mais:
• Tous les extraits étaient potentiellement anti-radicalaires.
• L’extrait méthanolique des feuilles de B. davidii était un fort inhibiteur de l’AChE.
• Des extraits méthanoliques de P. cuspidatum et de P. sachalinensis inhibaient les α/β- glucosidase ainsi que l’aromatase.
• Des extraits au dichlorométhane et au méthanol de P. cuspidatum et P. sachalinensis montraient une importante activité allélopathique.
De l’extrait MeOH des feuilles de B. davidii, un flavonoïde inhibiteur de l’AChE, la linarine, a été isolée. Le fractionnement bioguidé a été réalisé par CPC (Chromatographie de Partage Centrifuge) avec la méthode bioautographique d’inhibition de l’AChE sur couche mince. Dans ce test, la Quantité Minimal Inhibitrice (QMI) de linarine était de 10 ng. La comparaison de B.
davidii avec B. nitida (Panama) a révélé l’absence de linarine dans l’extrait de B. nitida, en utilisant la CLHP-UV-DAD/SM, mais la présence chez les deux espèces de l’isoactéoside et de l’actéoside en composé majoritaire.
Les recherches bibliographiques montrent qu’il existe peu de flavonoïdes capables d’inhiber l’AChE. Ainsi, l’activité d’analogues structuraux des composés isolés au LPP ou commerciaux a été évaluée. Afin d’obtenir des structures proches de celle de la linarine, la fortunelline et la tilianine ont été synthétisées par méthylation de la rhoïfoline et de l’apigénine-7-O-glucoside respectivement. Parmi les dix-sept structures, en plus de la linarine, seule la tilianine a montré une activité intéressante avec une QMI de 40 ng. Cependant, les relations structure-activité ont pu être mises en évidence : La coexistence du sucre en C-7 et du 4’-OMe est nécessaire, la longueur du sucre et le type de liaison interglycosidique peuvent influencer l’activité.
Dans la troisième partie du travail, une première analyse par CLHP-UV-DAD/SM des extraits de racines et de tiges de P. cuspidatum provenant de Chine et de Suisse, ainsi que des extraits
temps de rétention, les spectres UV et les spectres de masse avec ceux des témoins ou rapportées dans la littérature. Certaines substances comme les dimères du flavanol gallate, ont été rapportées ici pour la première fois dans ces espèces. La comparaison des espèces envahissantes et indigènes de P. cuspidatum a permis de mettre en évidence l’existence unique du piceatannol glucoside et de quelques proanthocyanidines dans des extraits de l’espèce invasive. La comparaison des deux espèces envahissantes P. cuspidatum et P. sachalinensis montrait que les substances majoritaires dans les racines de deux espèces ne sont pas les mêmes, malgré une apparence similaire. Par contre, les profils phytochimiques des tiges des deux espèces sont similaires. Les phénylpropanoïd glucosides sont majoritaires dans les racines et les tiges de P. sachalinensis. Ils sont aussi présents dans les tiges et le bois de P. cuspidatum, alors que les stilbènes et les anthraquinones prédominent dans les racines de P. cuspidatum.
Dans la quatrième partie du travail, tout d’abord, trois stilbènes similaires, le picéide, le resvératroloside et le picéatannol glucoside ont pu être isolés de l’extrait MeOH des racines de P. cuspidatum, en utilisant la Chromatographie à Contre-Courant à Grande Vitesse (angl.
High speed countercurrent chromatography: HSCCC). Neuf autres composés ont été isolés de P. cuspidatum par la suite, par Chromatographie Liquide Moyenne Pression (CLMP). Parmi eux, la (-)-catéchine et la procyanidine B3 ont été rapportées ici pour la première fois chez cette espèce. De l’extrait MeOH des tiges et des racines de P. sachalinensis, neuf composés ont été isolés et identifiés par HSCCC, CLMP, Flash Chromatographies et CLHP semi- préparative. Cinq composés, le quercétin-3-O-arobipyranoside, la N-trans-feruloyltyramine, le lapathoside D, le lapathoside C et l’hydropiperodide ont été rapportés pour la première fois chez cette espèce.
La mesure d’activité allélopathique a été réalisée avec le modèle de la pousse de cresson commun (Lepidium sativum, Brassicaceae) sur des extraits de tous les organes de P.
cuspidatum (suisse et chinois) et de P. sachalinensis (suisse). Tous les extraits montraient des inhibitions significatives statistiquement à la concentration de 1.0 mg/mL. En particuliers, l’extrait DCM des feuilles (90% inhibition), l’extrait DCM des tiges de P. cuspidatum (suisse,
flavonoïdes et acide organique) de cette espèce.
À l’exception du physcion et de la quercétine, les quinze autres composés (la (-)-catéchine, la (+)-catéchine, l’(-)-épicatéchine, la procyanidine B3 , l’émodine-8-O-glucoside, le physcion-8- O-glucoside, l’émodine, la rhéine, le resvératrol, le picéide, le resvératroloside, le picéatannol glucoside, la vanicoside B, la quercétine-3-O-galactoside, l’acide gallique) montraient un certain effet allélopathique. L’(-)-épicatéchine (40.82% inhibition), le resvératroloside (42.09%), le picéatannol glucoside (46.94%), le resvératrol (66.58%) et la rhéine (100%) montraient une activité plus forte que la (-)-catéchine (39.80%), un allélochimique rapporté dans la litérature pour une concentration de 0.5 mg/mL. Des valeurs d’IC50 de ces composés ont été mesurées. Parmi les stilbènes, le resvératrol (IC50 0.41 mM) est cinq fois plus fort que ses glucosides correspondants le picéide (2.70 mM), le resvératroloside (2.25 mM), et le picéatannol glucoside (3.03mM). L’(-)-épicatéchine (IC50 2.50 mM) présente une activité comparable à la (-)-catéchine (3.81 mM). Le composé le plus actif était la rhéine avec une IC50
de 0.04 mM, soit cent fois plus forte que la (-)-catéchine dans ce test.
Pour tester si l’activité de la rhéine et du resvératrol est spécifique sur L. sativum, l’effet sur Brassica pekinensis, Raphanus sativus, Lactuca sativa, Portulaca sativa a été observé de la même façon. Il a été prouvé que ces deux composés inhibent aussi les pousse de ces quatre espèces, et de plus, la rhéine a toujours un effet supérieur à celui du resvératrol.
Pour tracer des substances allélopathiques dans l’extrait DCM des feuilles de P. cuspidatum (suisse), un test sur CCM-Agar a été developpé. Deux bandes actives ont été trouvées dont les déterminations structurales sont en cours d’élucidation après une purification par CCM préparative.
Dans la cinquième partie du travail, les extraits MeOH de tous les organes de P. sachalinensis montraient un certain effet d’inhibition (jusqu’à 80%) contre l’AChE, l’α-glucosidase et l’anti- radicalaire à une concentration finale de 200 à 300 µg/mL, mais étaient très faibles contre la β-glucosidase (60% d’inhibition ) malgré une concentration finale jusqu'à 1.125 mg/mL.
Les activités des composés isolés de P. sachalinensis : deux flavonoïdes, le quercétine-3-O-β- D-galactopyranoside et le quercétine-3-O-arabinoside; cinq phénylpropanoïdes, la N-trans- feruloyltyramine, le lapathoside D, le lapathoside C , l’hydropiperoside, le vanicoside B ont
pour l’AChE, l’acarbose pour l’α-glucosidase, le castanospermine pour l’β-glucosidase, la quercertine pour l’anti-radicaire). Les IC50 des composés potentiellement actifs ont été mesurées.
Dans le test d’Ellman de l’AChE, les molécules les plus actives sont le vanicoside B et le quercétine-3-O-β-D-galactopyranoside avec une IC50 de 0.062 mM et 0.068mM respectivement, elles sont nettement inférieures à celle de l’inhibiteur connu, la galanthamine (IC50 0.0009 mM). Les relations structure-activité ont pu être mises en évidence : la liason ester est importante pour les phénylpropanoïdes, alors que l’aglycone et le type de sucre sont importants pour les flavonoïdes.
Dans le test contre l’α-glucosidase, le quercétine-3-O-β-D-galactopyranoside (IC50 0.201 mM), la N-trans-feruloyltyramine(IC50 0.244 mM), et le lapathoside D (IC50 0.113 mM) montraient des activités plus fortes que l’inhibiteur connu, l’acarbose (IC50 0.375 mM). La quercétine, le sucrose et l’acide cafféique n’ont pas d’activité évidente, ce qui suggère que la liaison interglucosidique est importante. Dans le test contre la β-glucosidase, tous les composés testés n’ont pas montré d’activité importante.
La tendance de la relation structure-activité dans le test anti-radicaire n’a rien à voir avec celle observée dans les autres tests.
P. cuspidatum est un médicament traditionnel chinois qui est utilisé comme anti- inflammatoire. Dans ce travail, le potentiel anti-inflammatoire des six composés isolés (l’hydropiperoside, le vanicoside B, la procyanidine B3, le picéide, le picéatannol glucoside, le resvératroloside) et le resvératrol a été évalué en mesurant l’inhibition de l’oxyde nitrique (NO) produite par des moelles osseuses dérivées de macrophages (angl : bone marrow derived macrophage, BMDM) stimulés avec le LPS (le lipopolysaccharide). Les deux phénylpropanoïdes (l’hydropiperoside et le vanicoside B) et les deux stilbènes (le picéatannol glucoside et le resvératroloside) inhibaient significativement la production de NO à 25 µg/mL, alors que la procyanidine B3 et le picéide ne l’inhibaient pas. Mais après diluer, les deux derniers commencent à montrer l’effet d’inhibition. Dans le test des macrophages de souris Raw 264.7 stimulés avec le LPS, les trois analogues de stilbènes, le picéide, le picéatannol
Des extraits de racines de P. cuspidatum et de P. sachalinensis (Suisse) montraient une bonne inhibition contre l’aromatase (92.3% et 90.3%), celui des tiges de P. sachalinensis était de 88.7%. Ensuite, l’hydropiperoside, le vanicoside B, la N-trans-feruloyltyramine, lepicéide, le picéatannol glucoside, le resvératroloside etle quercétine-3-O-β-D-galactopyranoside ont été testés. Tous montraient plus que 60% d’inhibition à 0.4 mg/mL.
Enfin, la teneur en resvératrol dans les racines de P. cuspidatum suisse et chinois a été mesurée en utilisant une CLHP-UV/DAD après une transformation par β-glucosidase des stilbènes glucosides. Malgré la teneur en resvératrol dans l’échantillon suisse 2.7 fois moins que celle de l’échantillion chinois (3.94 mg/g et 10.74 mg/g de matériel sec), la variété envahissante P. cuspidatum devrait être une bonne source de resvératrol.
Conclusions et perspectives
Le phénomène d’espèces envahissantes est reconnu comme l’un des plus graves problèmes écologiques et économiques. Ce travail a été dédié à l’étude de ce genre de plante pour trouver des substances bioactives dans le but de profiter de leur abondance et également pour contribuer à expliquer leur mécanisme d’invasion.
Trois plantes (Buddleja davidii Franch (Buddlejaceae), Polygonum cuspidatum Sieb. & Zucc.
et Polygonum sachalinensis F. Schmidt ex Maxim (Polygonaceae)) ont été choisies. Les analyses CLHP/UV/ESI-SM et les isolements bioguidés en utilisant la CPC, la HSCCC, la CLMP, la Flash Chromatographie, la CLHP Semi-préparative ont été effectués. Plusieurs activités et relations structure-activité ont été mises en évidence.
La découverte de la linarine comme un inhibiteur potentiel d’AChE dans l’extrait de B. davidii montrait un bon exemple de valorisation des plantes invasives. La discussion de la relation structure-activité a montré le pouvoir d’un flavanoïde contre l’AChE. L’analyse CLHP/UV/ESI-SM a permis de comparer B. davidii et B. nitida et de mettre en évidence des constituants dans l’extrait de B. nitida, espèce encore jamais étudiée.
Les comparaisons entre deux espèces de P. cuspidatum, l’une provenant de Suisse et envahissante et l’autre provenant de Chine et indigène, ainsi qu’entre les deux espèces similaires P. cuspidatum et P. sachaliensis (suisse) par analyse de CLHP/UV/ESI-SM ont montré quelques différences. Vingt et un composés ont été isolés et identifiés. L’isolement a
La mesure d’activité allélopathique avec le modèle de la pousse de L. sativum a revélé que les extraits les plus actifs étaient les extraits DCM des feuilles et des tiges et l’extrait MeOH des racines. Ceci indique que l’effet de partie aérienne n’est pas négligeable. Le test sur des composés purs a permis de trouver des composés allélochimiques comme le resvératrol, la rhéine et des stilbènes glucosides. Cette découverte nous encourage à étudier la concentration de ces substances dans la terre où se trouve dans la sécretion de la racine de cette plante et les influences sur des espèces autour de cette plante avant que nous puissions expliquer si l’hypothèse de ‘nouvelle phytochimie’ est valable pour cette espèce envahissante.
Quant aux autres bioactivités, certains phénylpropanoïdes comme le vanicoside B et les flavonoïdes comme le quercétine-3-O-β-D-galactopyranoside peuvent inhiber l’AChE à un certain niveau, alors que le quercétine-3-O-β-D-galactopyranoside, la N-trans- feruloyltyramine et le lapathoside D sont des inhibiteurs de l’α-glucosidase, ce qui peut expliquer des activités des extraits de P. sachalinensis. Dans le test anti-inflammatoire, les deux phénylpropanoïdes l’hydropiperoside et le vanicoside B isolés de P. sachalinensis sont inhibiteurs, ceci pouvant contribuer à l’effet anti-inflammatoire. Par contre, les effets des analogues de stilbènes majoritaires sont très sensibles à la concentration, malgré le fait que P.
cuspidatum est une herbe anti-inflammatoire. L’hydropiperoside, le vanicoside B, la N-trans- feruloyltyramine, le picéide, le picéatannol glucoside, le resvératroloside et lequercétine-3-O- β-D-galactopyranoside peuvent tous inhiber l’aromatase, ce qui peut également expliquer l’activité des extraits de P. cuspidatum et de P. sachalinensis. Ainsi, il faut aller plus loin pour rechercher des effets potentiels de certains phénylpropanoïdes, flavonoïdes et stilbènes provenant de P. cuspidatum et de P. sachalinensis contre des maladies relatives à l’AChE, l’α-glucosidase, l’aromatase ou NO comme l’Alzheimer, le diabète, l’infection VIH, le cancer du sein ou l’inflammation.
Enfin, la teneur en resvératrol mesurée dans les racines de P. cuspidatum (Suisse) montre qu’elle est l’une des bonne sources de resvératrol.
En conclusion, ce travail a exposé des composés allélopathiques, qui a permis de discuter du mécanisme d’invasion. Cependant il révélait des activités potentielles des composés de plantes envahissantes comme inhibiteurs d’AchE, d’α-glucosidase, d’aromatase, d’anti-radicalaire,
Chapter I
A IM OF THIS W ORK
Invasive alien plants (noxious weeds) are alien species that have established and spread, and that cause harm to the environment, economy or human health by out-competing native species, reducing agricultural and fisheries production, or spreading diseases, etc. In Europe, invasive alien species are also known as invasive neophytes which groups the plant species introduced since 1500. With the accelerating pace of globalization, the phenomenon of invasive alien species has become one of humankind’s greatest threats to the biological diversity of our planet, placing major constraints on development. No country can afford to ignore this serious environmental and economic threat.
In Switzerland, invasive neophytes are also a real threat for indigenous species and an increasing number of activities have been undertaken. Since 2004, the Swiss Commission for Wild Plant Conservation (CPS/SKEW) has reported the Black List and the Watch List: lists of actual and potential invasive plant species in Switzerland according to their impact on human health, construction and economic loss in agriculture or forest.
Numerous approaches to eradicate or control these invasive plants have been developed, including mechanical, chemical, biological, habitat management, and a combination of methods. But to curb the future economic and environmental impacts of invasive exotic species, the mechanisms behind these exotic invasions should be understood.
Why some plants are invasive? The high adaptability of the species itself and the vulnerability of the ecosystem are the first factors. But why they transmogrify from weak competitors at home to strong competitors abroad remains one of the most elusive questions in ecology. With the increasing research interest, there are number of theories for successful, exotic plant invasion. Two key theories are based upon the changes that occur as a result of plant displacement: the enemy release hypothesis (ERH) and the novel weapons hypothesis (NWH).
The former hypothesis points out that exotic plants experience a decrease of its natural enemies in the new site compared to the native surroundings of the plant. The latter hypothesis proposes that exotic plants add novel chemicals to the soil that exert strong phytotoxic effects. A number of observations in recent research have revealed that invasive species have allelopathic, anti-herbivore and anti-microbial advantages. The occurrence of invasion is multifactorial. Recently, ‘Novel phytochemistry hypothesis’ was proposed to combine all these factors: exotic plants in their new area, apt to produce potent secondary compounds that are unique or which may be underrepresented in the native plants.
Many phytochemicals in root exudates, e.g. (–)-catechin have been found to be phytotoxic.
However, allelopathic effects not only derive from the release of phytotoxins from roots.
Overall plant biochemistry (inside and outside of the plant, and above- and below-ground) can influence invasions either directly (i.e., production of phytotoxins) or indirectly (i.e., by making a plant less likely to be eaten by insects), and that community neighbors can induce these changes (i.e., other plants, insects or possibly soil microbes). A complete study of the plant biochemistry enables a far-reaching analysis of the defensive and aggressive abilities of a plant that are related to invasion.
Based on the knowledge of the above phenomena, this work aimed to study invasive plant species, trying to find ‘special’ bioactive chemicals inside these species against microorganisms or have therapeutic effects in humans. Furthermore, their study would contribute to revealing their invasive mechanisms. At the same time, we aimed to study the beneficial uses of these plants to gain from this wide-spread resource.
To start, five plants which are on a blacklist of Switzerland, Ambrosia artemisiifolia L.
(Asteraceae), Buddleja davidii Franch (Buddlejaceae), Heracleum mantegazzianum Sommier
& Levier (Apiaceae), Polygonum cuspidatum Sieb. & Zucc. and Polygonum sachalinensis F.
Schmidt ex Maxim (Polygonaceae) were selected for a bioactivity screening study to valorize them.
Although no obvious antimicrobial activities were found, Buddleja davidii showed interesting acetylcholinesterase (AChE) inhibitory activity. Bioguided isolation was undertaken and some structure-activity relationships were studied.
Polygonum cuspidatum is a traditional medicine in China, and at the same time an invasive weed in Europe. To investigate the difference in their phytochemical profiles, comparisons of native and invasive plant materials were performed with HPLC/UV/ESI-MS. Further isolation work was done to provide enough compounds for bioassays.
The allelopathic potentials of crude extracts, those compounds of significant difference between species, as well as other compounds were systematically studied to discuss the mechanism of invasion.
The plant Polygonum sachalinensis has a similar appearance to Polygonum cuspidatum, and it poses many problems by its invasiveness. The phytochemical similarity to P. cuspidatum was analyzed by HPLC/UV/ESI-MS, and its major compounds were isolated.
Additionally, to valorize the major compounds of these species, AChE, α/β-glucosidase and aromatase inhibitory activities, as well as free radical scavenging power, anti-inflammatory activities were investigated.
Finally, to prove the abundant material of the invasive P. cuspidatum can still be an important resource of resveratrol, the content of resveratrol of the plant extract after enzymatic hydrolysis was measured with HPLC.
Chapter II
I NTRODUCTION
1. Invasive alien species and invasive neophytes: some definitions
Invasive alien species have come to be recognised as one of the greatest threats to biodiversity globally. They also have serious economic, environmental and health impacts, placing major constraints on development.
As understanding and management of invasive alien species have increased, terminology has grown and evolved, the following definitions attempt to give clarity and context to some basic terms [CPS/SKEW 2007, Shine 2008].
Alien species – a species that has been intentionally or unintentionally introduced to a location, area, or region where it does not occur naturally. Synonymous terms such as non- native species or non-indigenous species are more precise, and may be used in place of terms such as introduced, exotic, feral, foreign, ornamental or weedy species.
Invasive species – a species that has established and spread, or has the potential to do so, outside its natural distribution range, it then threatens ecosystems, habitats and/or other species, potentially causing economic and/or environmental damage, or harm to human health.
The majority of invasive species are alien, but it is important to note that native species may also become invasive, usually under altered environmental conditions.
Invasive alien species (IAS) – an alien species that has established and spread, and that causes, or has the potential to cause harm to the environment, economy or human health.
Because different terminology has developed in various sectors, IAS may be referred to other terms such as noxious species, nuisance species, pests and weeds. But it is important to note that not all alien species may become invasive.
Neophytes: Alien plant species that have been introduced after the year 1500 and are established in nature.
Invasive Neophytes: Neophytes that spread rapidly and reach high abundances, so that they crowd out native species.
Black List: List of invasive alien plants that actually cause damage in the areas of biodiversity, health, and/or economy. The establishment and the spread of these species must be prevented.
Watch List: List of invasive alien plants which have the potential to cause damage. Their spread needs to be monitored and if necessary prevented. They already cause damage in neighboring countries.
2. History of invasive alien plants
2.1. Introduction of invasive alien plants
Over the millennia, plant species have dispersed throughout the world by natural means, such as ocean currents, winds, attached to floating logs, etc. The major barriers to their spread have been the limitations of their own dispersal abilities, natural geological obstacles, and environmental factors. However, with the advent of widespread human movement, humans have aided the process of species dispersal by carrying organisms or their propagules (seeds, roots, etc.) with them around the world. Humans have also created many new and very effective vectors such as grain and wood shipments, or ballast tanks in ships; as well as many new pathways such as long-distance trucking, aeroplanes and ship voyages. Wherever humans have travelled, they have deliberately introduced species to new locations for food, social or economic purposes (crops, plants intended to improve soil condition, to provide fuel wood or pasture or to prevent erosion, botanical gardens, private gardens, farms or scientific research establishments, etc). This type of introduction is referred to as an intentional introduction. At the same time, smuggling of plants, animals, curios, seeds and foodstuffs is a serious problem worldwide. The risk of IAS introductions through this pathway is high. However many more species have been accidentally transported around the world as a consequence of human activities such as trade, travel and transport. These are called unintentional introductions. As a result, many species have been able to establish new populations outside their native range.
These incursions have shown a dramatic increase in frequency, extent and damage over the last half a century. There is little doubt that this is largely due to the increase in “the Four Ts”:
Trade, Travel, Transport and Tourism. The continuing globalisation of the present day is undoubtedly facilitating and accelerating the introduction.
Species being introduced must survive during and after the journey. Many species fail to survive unless they are cared for, due to unsuitable environmental conditions such as light, temperature, salinity, nutrient levels, etc. The survivors must persist and reproduce successfully until they establish a self-sustaining ‘founder population’ (initial group of organisms of the same species that establishes in the new environment). The established species begins to multiply and spread, sometimes after a substantial time lag (or lag phase) of a few years or even decades. This is the explosion phase (i.e., they become invasive). In some species (e.g., trees) this may be more than 100 years, in others (e.g., water hyacinth) it may be
a few weeks. So, after these three main phases: introduction, establishment, spread, an invasive alien plant will exert all its influence on the local environment [Shine 2008].
2.2. Impacts of invasive alien plants
Impacts can be direct or indirect, and can be grouped into three main categories - ecological, economic and health [Shine 2008].
Ecological impacts may include:
• Competition with native species for resources such as light, air, soil nutrients
• Habitat alteration, such as shading out native species, clogging freshwater systems, permanently altering nutrient cycles or soil properties
• Disturbance to ecological processes such as pollination, by for example producing more attractive flowers for pollinators, or causing a decline in pollinator populations
• Disruption of ecosystem services such as flood attenuation and shore protection
• Transmission and spread of pathogens and parasites
Economic impacts may include(Table 2-1):
a) Direct costs:
• Reductions in agricultural production due to displacement of pasture by unpalatable grasses and woody species, or through environmental changes caused by the invading species
• Impacts on fisheries and aquaculture through, for example, the introduction of phytoplankton species that cause harmful algal blooms, of smothering plants like salvinia
• Secondary economic impacts from human health issues associated with introduced pathogens and toxic species, including increased monitoring, testing, diagnostic and treatment costs, and loss of social productivity due to illness and death in affected people
• Costs of producing and using chemicals and machines to deal with the invasive species b) Indirect costs:
• Degradation of ecosystem services, such as reduced water supplies from alien trees growing in catchments and along rivers, or siltation of dams and rivers due to increased soil erosion
