Investigation of sprout-growth-inhibitory compounds in the volatile fraction of potato tubers

Summary

The fractionation of volatile substances produced by potato tubers using gas liquid chromatography (GC) was followed by assaying fractions for sprout-growth-inhibitory activity using a potato shoot-tip bioassay. A region of the chromatogram having high sprout-growthinhibiting activity was identified and subsequently further resolved by capillary column GC into several peaks, 5 of which gave well-defined mass spectra. Two of these compounds were identified as diphenylamine and dibenzothiophene. Diphenylamine showed high growthinhibitory activity in the bioassay and was shown to be an effective sprout suppressant for whole tubers. The compound was tested in small-scale storage trials using up to 0.5 tonne of potatoes to assess its potential as a sprout suppressant.

Zusammenfassung

Das Vorkommen natürlicher Keimwachstumshemmer in der flüchtigen Fraktion von Kartoffelknollen ist erneut untersucht worden. Die gesamte flüchtige Fraktion, die eine starke Hemmwirkung in einem Kartoffeltriebspitzen-Biotest (Tab. 1) zeigte, wurde mit Hilfe der Gaschromatographie auf einer mit Carbowax 20M gefüllten Säule abgetrennt. Die chromatographische Abtrennung wurde in 3 Fraktionen aufgeteilt (Abb. 1), die auf ihre wachstumshemmende Wirksamkeit untersucht wurden (Tab. 2). Dabei zeigte eine Fraktion (F3) eine Hemmwirkung des Keimwachstums. Diese Fraktion (Abb. 1) wurde erneut chromatographiert und in drei Unterfraktionen geteilt, die einzeln auf Keimwachstumshemmung untersucht wurden. Die Hemmwirkung wurde den Unterfraktionen F3a und F3b (Tab. 2) zugeordnet. Sie wurden vereinigt und erneut auf einer Kapillarsäule mit Carbowax 20M chromatographiert, wobei mehrere Gipfel auftraten (Abb. 2). Fünf davon ergaben gut definierte Massenspektren. Zwei dieser Verbindungen wurden als Diphenylamin (DPA) und Dibenzothiophen identifiziert (Abb. 3). Die chemische Natur dieser Verbindungen wurde an Hand authentischer Proben dieser Substanzen bestätigt, die identische Retentionszeiten und Massenspektren ergaben.

DPA und Dibenzothiophen wurden dem Biotest unterworfen (Abb. 4). Dabei erwiesen sich beide Verbindungen als wirksam, DPA zeigte dabei jedoch die grössere Aktivität. Für eine 50%ige Wachstumshemmung im Biotest waren etwa 10×10⁻⁵ mol/l DPA erforderlich, aber 8×10⁻⁵ mol/l Dimethylnaphtalen und 6×10⁻⁵ mol/l 3-Methyldiphenylamin (Abb. 5).

Weil DPA ein verhältnismässig wirkungsvoller Hemmstoff für das Keimwachstum ist und auch bereits in einigen Anwendungen als Lebensmittelzusatz zugelassen ist, wurde es auf seine Fähigkeit, die Keimung zu unterdrücken, untersucht. Wenn DPA direkt auf die Knollenoberfläche gebracht wird, hemmt es die Keimung sehr wirkungsvoll (Tab. 3). Für eine 50%ige Hemmwirkung sind weniger als 5 ppm erforderlich, wenn die Substanz entweder in Aceton gelöst und versprüht wird oder wenn sie auf die Knollenoberfläche direkt aufgetragen wird. Konzentrationen von 20 ppm schränken die Keimung nahezu vollständig ein. Wegen der verhältnismässig geringen Flüchtigkeit der Verbindung gibt es jedoch Probleme, sie auf den Kartoffelknollen im Lager zu verteilen. Es wurden 2 Applikationsmethoden geprüft (Tab. 4 und 5). Wurde DPA in Acetonlösung als Nebel ausgebracht, dann war die Verteilung der Substanz unzulänglich und die Keimunterdrückung ungleichmässig. Bei der zweiten Methode wurde die Substanz mit Tonerde gemischt und über die Knollenoberfläche gestäubt. Sie war vielversprechend, eine Weiterentwicklung dieser Methode ist jedoch erforderlich. Insgesamt weisen die Ergebnisse darauf hin, dass DPA wirkungsvoll die Keimung unterdrückt, und dass die Notwendigkeit besteht, verbesserte Applikationsmethoden für die Anwendung im Kartoffellager zu entwickeln.

Die Beobachtung, dass die Ansammlung flüchtiger Substanzen um die Kartoffelknolle zur Keimhemmung führt, wird im Hinblick auf die vorliegende Arbeit und auf die Ergebnisse früherer Autoren diskutiert. Es wird auch die Möglichkeit erwogen, dass die Wirkung Interaktionen zwischen zwei oder mehreren wachstumshemmenden flüchtigen Substanzen einschliesst.

Résumé

La présence d'inhibiteurs de la germination dans la fraction volatile des tubercules de pomme de terre a été de nouveau recherchée. La fraction volatile totale, ayant une haute activité inhibitrice dans un essai biologique sur extrémité de pousses (tabl. 1), a été isolée par chromatographie gaz-liquide sur colonne de Carbowax 20M. Trois fractions ont été séparées à partir de cette dernière (fig. 1) et leur activité inhibitrice a été étudiée (tabl. 2); une fraction (F3) a montré une action inhibitrice sur la croissance des germes. Cette fraction (fig. 1) a donné trois sous-fractions par chromatographie dont F3a et F3b (tabl. 2) qui possédaient l'activité recherchée. Ces deux fractions ont été mélangées et séparées de nouveau par chromatographie sur colonne capillaire de Carbowax 20M (fig. 2). Il en est résulté un certain nombre de pics dont 5 avaient un spectre bien défini. Deux substances ont été identifiées comme étant la diphénylamine (DPA) (fig. 3) et le dibenzothiophène. L'anologie chimique de ces composés a été confirmée à l'aide des produits purs qui donnaient le même temps de rétention et le même spectre que les substances alors inconnues.

DPA et dibenzothiophène ont été utilisés dans un essai biologique (fig. 4) et possédaient quelque activité, celle-ci étant beaucoup plus importante pour le DPA. Environ 10×10⁻⁵ mol/l de DPA sont nécessaires pour inhiber la croissance à 50% dans l'essai biologique alors que 8×10⁻⁵ mol/l et 6×10⁻⁵ mol/l respectivement de diméthylnaphthalène et de 3 méthyldiphénylamine (fig. 5) ont le même effet.

Comme le DPA est un inhibiteur efficace, déjà accepté en tant qu'additif alimentaire dans quelques appli ations, il a été testé comme inhibiteur de germination. Appliqué directement à la surface des tubercules, le DPA est un inhibiteur de germination très efficace (tabl. 3). Moins de 5 ppm sont nécessaires pour inhiber 50% de la germination s'il se trouve en solution dans l'acétone et est appliqué par pulvérisation ou au pinceau; à la concentration 20 ppm, il provoque une inhibition presque totale de la germination. Cependant, ce produit étant peu volatile, il pose un problème de dispersion à l'intérieur des tubercules en conservation. Deux méthodes d'application ont été essayées (tabl. 4 et 5); l'application du DPA par brumisation n'a pas donné de bons résultats car sa répartition n'a pas été régulière et le taux d'inhibition n'était pas homogène; mélangé à de l'alumine et appliqué par poudrage à la surface des tubercules, il a donné des résultats encourageants mais qui nécessitent encore des études. En conclusion, le DPA s'avère être un inhibiteur de germination efficace qui demande toutefois encore des recherches sur la méthode adéquate pour obtenir sa dispersion dans les locaux de conservation.

Les effects de l'accumulation de substances volatiles autour des tubercules sur l'inhibition de la germination sont discutés en relation avec le présent travail et les découvertes des premiers chercheurs. La possibilité que ces effets mettent en jeu deux inhibiteurs de croissance ou plus est prise en considération.