Echinochloa colona is one of the most problematic weeds in the paddy fields of the world. In recent years, this species is likely to be introduced in Korea due to global warming, the expansion of international trade including agricultural products, and increasing tourists. We tried to identify the species from Korean Echinochloa crus-galli and E. oryzicola in order to establish the control measures in case of the initial influx. For this study, Echinochloa colona collected from the National Plant Germplasm System, USA were examined and E. crus-galli and E. oryzicola were collected in Korea. It is, however, very difficult to identify for Echinochloa species using morphological characters because of numerous interspecific and intraspecific types found in nature. Thus, we barcoded the species using rbcL, matK, and ITS. All three markers identified E. colona very well from the others. ITS alone may be enough as a DNA barcode for E. colona identification, when considering cost and effectiveness. The barcode sequences were deposited to the National Center for Biotechnology Information database for public use.
Seed size and days required to reach specific growth stages were determined for Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv. varieties which are major grass species found in Korean paddy field and the results were compared with E. frumentacea (Roxb.) Link. In addition, responses of the Echinochloa species on preemergence herbicides (molinate, esprocarb, and mefenacet) were investigated with respect to time of application. One thousand seed weight of E. crus-galli var. oryzicola was about 3 times heavier than that of var. praticola, but was not significantly different that of E. frumentacea. Days requited to reach the 2.5 leaf-stage (LS) were 11, 13, and 14 days after seeding for E. frumentacea, E. crus-galli var. oryzicola, and E. crus-galli var. praticola, respectively. E. crus-galli var. praticola was more sensitive to molinate, esprocarb and mefenacet than var. oryzicola and the sensitivity of both the varieties decreased as the time of application LS was delayed. However, there was no great difference in the response for E. frumentacea when applied between 1.5 and 3.0 LS. In thiocarbamate hebicides esprocarb was more active to Echinochloa species than molinate and the higher the active ingredient of the herbicides, the greater was the activity to Echinochloa species. Differential susceptibility of Echinochloa species to the herbicides was not related to the seed size, but to the early growth stages at the time of herbicide application which were affected by the seed size.
The herbicidal activities against barnyardgrass (Echinochloa crus-galli) by R-groups on the hexahydroisoindol-1-one ring of new 2-(4-chloro-5-(2-chloroallyloxy)-2-fluorophenyl) -3-thioalkoxy-2,3,4,5,6,7-hexahydroisoindol-1-one derivatives were studied using molecular holographic quantitative structure-activity relationships (HQSAR) methodology. Based on the results, the statistical results of the optimised HQSAR model (I-2) exhibited the best predictability and fitness for the herbicidal activities based on the cross-validated value ($r^2_{cv.}$ or $q^2=0.714$) and non-cross-validated value ($r^2_{ncv.}=0.922$), respectively. From the based graphical analyses of atomic contribution maps, herbicidal activities against barnyardgrass were confirmed depends upon the C4-C6 atoms of hexahydroisoindoline-l-one ring, carbon atom of ortho-position and meta-methyl group of 3-tolylthio substituent (8).
Three-dimensional quantitative structure-activity relationships (3D-QSARs) for the herbicidal activities against pre-emergence barnyard grass (Echinochloa crus-galli) by new 2-(4-(6-chloro-2-benzoxazolyloxy)phenoxy)-N-phenylpropion amide derivatives were studied quantitatively using comparative molecular field analysis (CoMFA) and comparative molecular similarity indices analysis (CoMSIA) methodologies. The best CoMFA model (AI-2) and CoMSIA model (AII-4) were derived from an atom based fit alignment and a combination of CoMFA fields. The herbicidal activities from CoMFA and CoMSIA contour maps showed that the activity will be able to be increased according to the substituents variation on the N-phenyl ring.
Three-dimensional quantitative structure-activity relationships (3D-QSARs) on the herbicidal activities against in-vitro pre-emergence rice plant (Oryza sativa L.) and barnyard grass (Echinochloa crus-galli) by new 5-benzofuryl-2-[1-(alkoxyimino)alkyl]-3-hydroxycyclohex-2-en-1-one derivatives were studied quantitatively using comparative molecular similarity indices analysis (CoMSIA) methodology. The optimized CoMSIA model(A5: $r^2_{cv.}=0.569$ & $r^2_{ncv.}=0.941$) for rice plant exhibited a good correlation with steric (31.6%) and hydrophobic (39.7%) factors of the substrate molecules, and the model (B4: $r^2_{cv.}=0.569$ & $r^2_{ncv.}=0.941$) for barnyardgrass exhibited a good correlation with electrostatic (46.7%) and H-bond acceptor field (30.8%), respectively. The predicted $R_1=SF_5,\;R_2=R_3=R_4=H(P1)$ substituent (Rice plant: $pI_{50}=4.84$ & Barnyardgrass: $pI_{50}=7.21$, ${\Delta}pI_{50}=2.37$) by the model (B4) not only exhibited to the highest herbicidal activity against barnyardgrass, but also exhibited to the highest selecticity between two plants.
The herbicidal activities against pre-emergence barnyard grass (Echinochloa crus-galli) by a series of new 2-(4-(6-chloro-2-benzoxazolyloxy)phenoxy)-N-phenylpopionamide derivatives as substrate molecule were studied using molecular holographic (H) quantitative structure activity relationships (HQSAR) methodology. From the based on the findings, the higher herbicidal active compounds are predicted by the derived HQSAR model. The best HQSAR model (VI-1) was derived from fragment distinction combination of atoms/bonds in fragment size, $7{\sim}10$bin. The herbicidal activities from atomic contribution maps showed that the activity will be able to increased according to the R-substituents variation of the N-phenyl ring and change of 6-chloro-2-benzoxazolyloxy group. Based on the results, the statistical results of the best HQSAR model (VI-1) exhibited the best pedictability and fitness for the herbicidal activities based on the cross-validated value ($q^2=0.646$) and non cross-validated value ($r^2_{ncv.}=0.917$), respectively. From the graphical analyses of atomic contribution maps, it was revealed that the lowest herbicidal activitics depends upon the 4-(6-chloro-2-benzoxazolyloxy)phenoxy group ($pred.pI_{50}=-3.20$). Particularly, the R=4-fluoro, X=isobutoxy substituent (P2) of (X)-phenoxy-N-(R)-phenylpropionamide derivative is predicted as the highest active compound ($pred.pI_{50}=9.12$).
Holographic quantitative structure activity relationships (HQSAR) as 2D QSAR between the herbicidal activities against root and shoot of rice plant (Orysa sativa L.) and barnyardgrass (Echinochloa crus-galli), and structures of A=3,4,5,6-tetra-hydrophthalimino, B = 3-chloro-4,5,6,7-tetrahydro-2H-indazolyl and C = 3,4-dimethylmaleimino substituents in 1-(5-methyl-3-phenylisoxazolin-5-yl)methoxy-2-chloro-4-fluorobenzene derivatives were studied and discussed. The statistical results of four HQSAR models for the herbicidal activities against root and shoot of the two plants showed the best predictability of the herbicidal activities based on the cross-validated $r^2\;_{cv}\;(q^2=\;0.760{\sim}0.924)$, non cross-validated conventional coefficient $(r^2\;_{ncv}\;=\;0.868{\sim}0.970)$ and PRESS values $(0.123{\sim}0.261)$. The results indicated that the qualities of HQSAR models for barnyardgrass were slightly higher than that of rice plant. And also, the predictability of HQSAR models were higher $(q^2\;=\;HQSAR\;>\;CoMFA)$ than CoMFA but the conventional coefficients of HQSAR models lower $(r^2\;=\;HQSAR\;<\;CoMFA)$ than CoMFA. Moreover, from the contribution maps, it was founded that the selectivity between the two plants depends upon the 2-fluoro-4-chloro-5-alkoxyanilino and $R_3$ substituent on the C-phenyl ring. These features suggest where to modify a molecular structure in order to improve its selective of herbicidal activities against barnyardgrass.
The herbicidal activities against the pre-emergence of rice plant (Oryza sativa L.) and barnyard grass (Echinochloa crus-gall) with changing substituents $(R_1-R_4)$ of new 5-benzofuryl-2-[1-(alkoxyimino) alkyl]-3-hydroxycyclohex-2-en-1-one derivatives as substrate molecules were studied quantitatively using comparative molecular field analyses (CoMFA). The optimized CoMFA models (rice plant: A5 & barnyard grass: B3) were derived from atom based fit alignment and a combination of CoMFA fields. The two models for herbicidal activity against two plants showed the best predictability and fitness ($q^2$>0.6 & ${r^2}_{ncv.}$>0.94) for the herbicidal activities. Also, CoMFA-HINT contour maps showed that the selective herbicidal activity between rice plant and barnyard grass depends on the hydrophobicity of $R_2\;and\;R_3$ groups in molecule. Therefore, it is expected that the herbicidal activity against barnyard grass will be improved by the introduction of the steric bulk small and hydrophobic group.
To improve the growth inhibition activities and selectivities for quinclorac family, novel 3-substituted phenyl-5-(3,7-dichloro-8-quinolinyl)-1,2,4-oxadiazole derivatives as the substrate were synthesized and their the activities ($pI_{50}$) against shoot and root of rice plant (Oryza sativa L.) and barn-yard grass (Echinochloa crus-galli) were measured. And the quantitative structure-activity relationships (QSARs) between physicochemical parameters of the substitutents (R) on phenyl group and the activities ($pI_{50}$) were analyzed quantitatively. According to the SAR analyses, the substrates of planar conformation showed higher herbicidal activities against barnyard grass than rice plant. The activities against rice plant depend on the electronic effect (shoots: ${\sigma}_{opt.}=0.49$ & root: $R_{opt.}=-0.15$) of substituents, whereas the activities against shoots and roots of barnyard grass depend on hydrophobicity (${\pi}_{opt.}=0.37{\sim}2.40$). There were conditions of selective growth inhibition activity against barnyard grass when such a ortho-substituted electron donating substituents showing the hydrophobicity value, ${\pi}=2.40$ were introduced on the phenyl ring. The 2-tolyl substituent predicted from SAR equations was expected to have better growth inhibition activity and selectivity (${\Delta}pI_{50}=1.26$) for barnyard grass.
The comparative molecular field analyses (CoMFA) models for the herbicidal activities against barnyardgrass (Echinochloa crus-galli) and rice plant (Orysa sativa L.) by the substituent (R) on the hexahydroisoindol-1-one ring in a series of new 2-(4-chloro-5-(2-chloroallyloxy)-2-fluorophenyl)-3-thioalkoxy-2,3,4,5,6,7-hexahydroisoindol-1-one derivatives were conducted and discussed for selectivity between both plants. The statistical results of the two best models (B2 & R7) showed the best predictability for the herbicidal activities based on the cross-validated value $q_2(r^2cv.=0.529{\sim}0.755)$ and none cross-validated value $({r^2}_{ncv.}=0.937{\sim}0.945)$, respectively. Based on the findings, the predictability and fitness of the model (B2) for barnyard grass was better than that of the model (R7) for rice plant. From the two models and contour maps, it is revealed that the novel selective character for herbicidal activity between the two plants depend on the electrostatic field and steric field for the substituent of ortho-positions on the S-phenyl group as R-substituent in hexahydroisoindol-1-one ring.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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