Antifungal activities of coumarins isolated from Angelica gigas and Angelica dahurica against Plant pathogenic fungi

당귀와 백지로부터 분리한 Coumarin계 물질들의 식물병원균에 대한 항균활성

In order to search potent antifungal substances from domestic plants, 40 plants cultivated in Korea were collected. After extracting with methanol (MeOH) and concentrating to dryness, the MeOH extracts were screened for in vivo antifungal activity against six plant diseases at a concentration of $2000{\mu}g/mL$. Fourteen extracts showed disease-controlling activity more than 90% against at least one of the 6 plant diseases tested; eight, seven, and three extracts controlled more than 90% the development of rice blast, tomato late blight, and wheat leaf rust, respectively. However, none of the extracts exhibited in vivo antifungal activity more than 90% against rice sheath blight, tomato gray mold, and barley powdery mildew. From the MeOH extracts of Angelica gigas and A. dahurica showing potent controlling activity against rice blast, 1 and 2 antifungal substances, respectively, were isolated by solvent partitioning and column chromatography. The three compounds were identified to be coumarins, namely, decursin, imperatorin, and isoimperatorin, by mass spectrometry and NMR spectroscopy. They were examined for in vitro and in vivo antifungal activities together with umbelliferone (7-bydroxycournarin) and scopoletin (6-methoxy-7-hydroxycoumarin) containing a free hydroxyl group at position 7 to investigate the structure-activity relationship. In vitro, most of 50% growth inhibitory concentrations ($IC_{50}$) were over $200{\mu}g/mL$, indicating that they have relatively weak antifungal activity. The antifungal activity of decursin and scopoletin, containing cyclic alkoxy groups instead of free hydroxyl group at position 7, was stronger than umbelliferone and scopoletin. Especially, decursin and imperatorin showed potent antifungal activities against Pythium ultimum and Magnaporthe grisea, respectively, with $IC_{50}$ values less than $25{\mu}g/mL$. In vivo, decursin and imperatorin showed potent antifungal activity against rice blast, whereas other coumarins hardly controlled the development of 6 plant diseases tested. These results suggest that the antifungal activity of 7-hydroxycoumarin derivative is substantially increased when the hydroxyl group at position 7 is protected by a stable cyclic alkoxy grouping.

식물자원으로부터 식물병원균에 대한 항균물질을 탐색하고자 국내에서 재배한 40종의 약용식물 추출물을 대상으로 항균활성을 검색하였다. 우선, 각 식물을 methanol (MeOH)로 추출, 농축한 MeOH추출물을 시료로 하여 $2000{\mu}g/mL$ 농도수준에서 6가지 식물병에 대한 in vivo 방제효과를 조사하였다. 40종의 시료 중 14종의 시료가 적어도 한가지이상의 식물병에 대하여 90% 이상의 방제효과를 나타내었다. 벼 도열병, 토마토 역병 및 밀 붉은녹병에 대해서는 각각 8개, 7개 및 3개의 시료가 90% 이상의 효과를 나타내었으나, 벼 잎집무늬마름병, 토마토 잿빛곰팡이병 및 보리 흰가루병에 대해서는 90% 이상의 방제효과를 보이는 시료는 없었다. 벼 도열병에 대하여 높은 활성을 보이는 당귀(Angelica gigas, 당귀(當歸))와 백지 (Angelica dahurica, 백지(白芷))의 MeOH추출물로부터 solvent partitioning과 column chromatography를 통하여 각각 1개 및 2개의 항균물질을 분리하였으며 이들 물질은 질량분석 및 핵자기공명분석에 의하여 모두 coumarin계 물질인 decursin, imperatorin 및 isoimperatorin으로 동정되었다. 구조와 항균활성간의 관계를 알아보기 위하여 분리한 3개의 물질을 7번 위치에 free hydroxyl기를 가지고 있는 umbelliferone (7-hydroxycoumarin)과 scopoletin (6-methoxy-7-hydroxycoumarin)과 비교하여 in vitro 및 in vivo 항균활성을 조사하였다. In vitro에서 균사생육억제활성을 조사한 결과, 이들 물질들은 대상식물병원 곰팡이에 대하여 50% 균사생육억제농도 ($IC_{50}$)가 대부분 $200{\mu}g/mL$ 이상으로 나타나 항균활성이 비교적 약한 것으로 나타났다. 또한 7번 위치에 hydroxyl기가 노출되어 있는 umbelliferone과 scopoletin보다는 7번 위치의 free hydroxyl기 대신에 cyclic alkoxy기로 존재하는 decursin과 imperatorin이 곰팡이에 대한 항균활성이 강한 것으로 나타났다. 특히, decursin과 imperatorin은 각각 Pythium ultimum과 Magnaporthe grisea에 대하여 $25{\mu}g/mL$ 이하의 $IC_{50}$를 보여 강한 항균활성을 나타냈다. In vivo 실험에서는 decursin과 imperatorin은 여섯 가지 식물병 중 벼 도열병에 대하여 항균활성이 높은 것으로 나타났으며, 다른 세 개의 물질은 식물병 방제활성이 거의 없는 것으로 나타났다. 이상의 실험결과 7-hydroxycoumarin계 물질들의 항진균활성과 관련하여 7번 위치에 free hydroxyl기가 있는 것보다는 이 hydroxyl기가 보다 안정한 cyclic alkoxy기로 치환되는 것이 높은 항균활성을 나타내는데 중요하다는 것을 알 수 있었다.