The fundamental concepts on the basis of linear free energy relationship (LFER), history of development, prediction of pharmacological effects, advantages and disadvantages, etc. according to the 2D and 3D QSAR methodologies were summarized in utilizing the quantitative structure-activity relation ship (QSAR) techniques for searching and development of new agrochemicals. Objectives, role of QSAR techniques in development process of pesticides and limitations in QSARs were discussed and introduced.
Control of plant diseases is largely dependent on use of agrochemicals. However, there are widening gaps between our knowledge on plant diseases gained from genetic/mechanistic studies and rapid translation of the knowledge into target-oriented development of effective agrochemicals. Here we propose that the time is ripe for computer-aided drug discovery/design (CADD) in molecular plant pathology. CADD has played a pivotal role in development of medically important molecules over the last three decades. Now, explosive increase in information on genome sequences and three dimensional structures of biological molecules, in combination with advances in computational and informational technologies, opens up exciting possibilities for application of CADD in discovery and development of agrochemicals. In this review, we outline two categories of the drug discovery strategies: structure- and ligand-based CADD, and relevant computational approaches that are being employed in modern drug discovery. In order to help readers to dive into CADD, we explain concepts of homology modelling, molecular docking, virtual screening, and de novo ligand design in structure-based CADD, and pharmacophore modelling, ligand-based virtual screening, quantitative structure activity relationship modelling and de novo ligand design for ligand-based CADD. We also provide the important resources available to carry out CADD. Finally, we present a case study showing how CADD approach can be implemented in reality for identification of potent chemical compounds against the important plant pathogens, Pseudomonas syringae and Colletotrichum gloeosporioides.
It was reviewed for the status of domestic research before and after 1990's for search of a new pesticides using 2D QSAR of quantitative structure-activity relationship (QSAR) methodologies (Sung, Nack-Do (2002) Development of new agrochemicals by quantitative structure-activity relationship (QSAR) methodology. Kor J. Pestic. Sci. 6, 166-174, 231-243 & 7, 1-11) which was proposed according to Hansch-Fujita equation based on the concept of biological Hammett equation.
Starting with linear free energy relationships (LFER), drug design to mimic of the activated complexes at transition state, and hydrolysis mechanisms to control the potency and residual properties of pesticides were introduced and summarized for the necessity. In order to understand the searching or development of new agrochemicals by two dimensional quantitative structure-activity relationship (2D QSAR) methodology, a series of the various descriptors, steric constants, electronic constants including quantum pharmacological parameters and hydrophobic constants were classified and discussed for results of the several studied cases. In addition, the processes of development of new agrochemicals by QSAR techniques were introduced simply.
Hyeonheui Ham;Ga-Ram Oh;Yong Hwan Lee;Yong Hoon Lee
The Plant Pathology Journal
/
v.40
no.5
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pp.525-536
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2024
Agrochemicals containing antibiotics are authorized to manage fire blight that has been occurring in Korea since 2015. The minimum inhibitory concentration (MIC) of each antibiotic against Erwinia amylovora, the causal pathogen of fire blight, has increased over the years due to the pathogen's frequent exposure to antibiotics, indicating the necessity to prepare for the emergence of antibiotic resistance. In this study, E. amylovora was exposed to stepwise increasing concentrations of eight different agrochemicals, each containing single or mixed antibiotics, and gene mutation and changes in MIC were assessed. Streptomycin and oxolinic acid induced an amino acid substitution in RpsL and GyrA, respectively, resulting in a rapid increase in MIC. Oxytetracycline initially induced amino acid substitutions or frameshifts in AcrR, followed by substitutions of 30S small ribosomal protein subunit S10 or AcrB, further increasing MIC. E. amylovora acquired resistance in the order of oxolinic acid, streptomycin, and oxytetracycline at varying exposure frequencies. Resistance acquisition was slower against agrochemicals containing mixed antibiotics than those with single antibiotics. However, gene mutations conferring antibiotic resistance emerged sequentially to both antibiotics in the mixed formulations. Results suggested that frequent application of mixed antibiotics could lead to the emergence of multidrug-resistant E. amylovora isolates. This study provided essential insights into preventing the emergence of antibiotic-resistant E. amylovora and understanding the underlying mechanisms of resistance acquisition.
Various Trichoderma spp. were evaluated for the development of biofungicides to control soilborne pathogen, Rhiztonia solani, Various Trichoderma spp. were initially tested for their ability to inhibit growth of R. solani by inhibition zone test. Inhibition zones of 3∼5 mm toward R. solani were detected on PDA agar plates. The parasitic activity of strains, the activities of cell-wall-degrading enzymes such as glucanases and chitinases, were also evaluated. Highest activities of glucanase and chitinase were 3.5 U/ml and 0.9 U/ml, respectively, Isolated Trichoderma spp. also exhibited good growth with currently used agrochemicals, which represents that the isolated biofungicides can be mutually used with agrochemicals.
Modeling and synthesis of novel hydroxyethyl 2-iminothiazolines were carried out through molecular modification of lead compound, 2-phenyliminothiazolines 1, for the purpose of development of new fungicidal agrochemicals. Oxygen atom of the hydroxyethyl group in 2-iminothiazolines 3 would locate in the proximity of the imino carbon at C-2 of 2-iminothiazoline moiety through neighboring group participation, and so that it would affect the biological activity of the molecule. Reaction of $\gamma$-chloroacetoacetanilides 5 with hydroxyethylureas 6 gave 29 kinds of new corresponding hydroxyethyl 2-iminothiazolines 3 in high yields.
Two sulphamide (dichlofluanid and tolylfluanid) and three dicarboximide fungicides (iprodione, vinclozolin, procymidone) were used to investigate the correlation between in vitro antifungal activities and in vivo disease controlling activities against Botrytis cinerea, a causal agent of tomato gray mold and to develop efficient in vitro assays. They controlled effectively the development of tomato gray mold disease in vivo and their controlling activities were similar one another. However, several in vitro assays revealed that their in vitro antifungal activities were quite different between sulphamide and dicarboximide fungicides; the formers showed stronger inhibition activities for spore germination than the latters, whereas the formers inhibited mycelial growth less severely than the latters. The results indicate that the fungicides having different modes of action can show different in vitro antifungal activities according to in vitro assays, even if they have similar in vivo disease controlling activities. On the other hand, two rapid and efficient in vitro assays named Microtiter plate methods I (MPM I) and II (MPM II) were developed for the evaluation of fungicides for inhibitory activities against spore germination and mycelial growth of B. cinerea, respectively. The antifungal activities of five fungicides of two chemical groups in MPM I and II were correlated with the inhibitory activities against spore germination and mycelial growth using solid media, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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