KR20230028287A - Antipathogenic device for antifungal application and method thereof - Google Patents

Abstract

항진균 적용을 위한 항병원성 장치 및 이의 방법에 대한 다양한 구현예가 본원에 개시된다.Various embodiments of antipathogenic devices and methods for antifungal applications are disclosed herein.

Description

항진균 적용을 위한 항병원성 장치 및 그의 방법Antipathogenic device for antifungal application and method thereof

본 개시내용은 일반적으로 항병원성 장치를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이며, 특히 인간에 대한 독성 또는 환경에 대한 악영향이 없는 플라스모파라 비티콜라(Plasmopara viticola) 병원체에 대한 항진균 특성을 보유하는 질화규소 바이오세라믹에 관한 것이다.The present disclosure relates generally to systems and methods for antipathogenic devices, and in particular to plasmopara without toxicity to humans or adverse effects on the environment. To a silicon nitride bioceramic possessing antifungal properties against the Plasmopara viticola pathogen.

농약의 적용은 포도덩굴 감염을 예방하고 수확량을 향상시키는 가장 일반적인 방법이다. 그러나 난균 플라스모파라 비티콜라에 의해 유발될 수 있는 흰가루병 및 노균병은 다량의 항진균제를 자주 적용해야 한다. 유럽 연합에서 적용된 모든 합성 살진균제의 거의 2/3가 이러한 유형의 식물 병원체를 방제하는 데 사용된다. 북미가 원산지이고 지난 세기 말에 우발적으로 유럽에 도입된 플라스모파라 비티콜라는 여러 날씨 조절 연간 적용을 통해서만 제어할 수 있다. 건강상의 위험 및 환경에 미치는 영향을 최소화하기 위해, 최소 농도의 제한된 수의 살진균제만 사용되지만 두 요인 모두 병원체가 내성을 발달시킬 위험을 증가시킨다. 이러한 이유로, 최근에는 친환경 항진균 제품의 개발을 포함하여 화학적 처리의 대안을 찾기 위한 노력이 크게 주목받고 있다. 새로운 개념 중 일부는 식물 병원체에 대한 전신 내성을 부여하는 미생물을 포함한다. 집단 유전학을 이용한 숙주-병원체 상호작용의 조작을 통한 감염에 대한 번식 내성은 또 다른 선호되는 기술이다. 이것은 종종 화학적 제어와 병행하여 수행된다. 이러한 후자의 접근법은 전사적(transcriptomic) 및 분석적 방법에 기원을 두고 있다. 건강, 안전 및 환경 문제에 대한 대중의 민감성을 고려할 때 농약의 대안을 찾는 것은 현대 사회의 우선 순위가 되었다.The application of pesticides is the most common way to prevent grapevine infection and improve yield. However, oomycete plasmopara Powdery mildew and downy mildew, which can be caused by viticola, require frequent application of high doses of antifungal agents. Almost two-thirds of all synthetic fungicides applied in the European Union are used to control plant pathogens of this type. Plasmopara, native to North America and accidentally introduced to Europe at the end of the last century Viticola can only be controlled through the application of several weather control annuals. To minimize health risks and environmental impacts, only a limited number of fungicides in minimal concentrations are used, but both factors increase the risk that pathogens will develop resistance. For this reason, efforts to find an alternative to chemical treatment, including the development of environmentally friendly antifungal products, have recently received great attention. Some of the new concepts involve microorganisms conferring systemic resistance to plant pathogens. Reproductive resistance to infection through manipulation of host-pathogen interactions using population genetics is another favored technique. This is often done in parallel with chemical control. This latter approach has its origins in transcriptomic and analytical methods. Given the public's sensitivity to health, safety and environmental issues, finding alternatives to pesticides has become a priority of modern society.

플라스모파라 비티콜라는 잎과 어린 과일을 포함한 식물의 모든 부분을 공격한다. 온화하고 습한 날씨의 도움을 받아 무성 포자낭은 유주자를 방출하여 결국 기공에 부착하고 포낭을 형성하여 기공 아래 공동으로 침투 발아관을 형성한다. 발아관은 결국 감염 소낭으로 변한다. 일차 균사가 나타나 영양분을 끌어들이기 위해 기생근이 식물 조직을 관통하는 가지를 빠르게 발달시킨다. 며칠 간의 감염 인큐베이션 후, 포자낭포가 나타나 새로운 포자낭을 형성한다. 다양한 살진균제가 성장기에 사용되지만 종류, 양 및 시기는 질병의 특성과 포도덩굴의 품종의 다양성에 따라 다르다. 대부분의 지리적 지역에서, 노균병을 관리하려면 성장 주기 초기에 시작하는 몇 가지 적용이 필요하다. 살진균제의 빈번한 사용, 높은 비용 및 환경에 대한 장기적인 피해로 인해 보다 효과적이고 오래 지속되며 환경 친화적인 대안의 개발이 필요하다. 이러한 새로운 개념과 물질의 잠재력을 감안할 때, 전통적인 살진균 화합물은 진정으로 필요한 조건으로 제한되어야 한다. Plasmopara Viticola attacks all parts of plants, including leaves and young fruits. Aided by mild, humid weather, asexual sporangia release zoospores that eventually attach to stomata and form cysts, penetrating germ tubes into cavities beneath the stomata. Germination tubes eventually turn into infectious vesicles. Primary mycelia emerge and parasitic roots rapidly develop branches that penetrate plant tissue to attract nutrients. After several days of infection incubation, sporangia emerge and form new sporangia. A variety of fungicides are used during the growing season, but the type, amount and timing depend on the nature of the disease and the variety of varieties of the grapevine. In most geographic regions, control of Downy Mildew requires some application starting early in the growth cycle. The frequent use of fungicides, their high cost and long-term damage to the environment necessitate the development of more effective, long-lasting and environmentally friendly alternatives. Given the potential of these new concepts and materials, traditional fungicidal compounds should be limited to truly necessary conditions.

무엇보다도 이러한 관찰을 염두에 두고 본 개시내용의 다양한 양태가 고안되고 개발되었다.It is with these observations in mind, among other things, that various aspects of the present disclosure have been conceived and developed.

식물을 질화규소를 포함하는 조성물과 접촉시키는 것을 포함하는, 식물에서 병원체를 치료 또는 예방하는 방법이 본원에 개시된다. 조성물은 질화규소 입자의 슬러리 및 수성 용매를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 용매는 물을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 조성물은 약 0.5 부피% 내지 약 20 부피%의 질화규소를 포함할 수 있다. 접촉 단계는 분무, 미스팅(misting), 또는 침지(dipping)를 포함할 수 있다. 식물은 농업 식물, 나무 또는 덩굴을 포함할 수 있다. 일부 특정 구현예에서, 식물은 곡물, 콩과식물, 괴경, 목초, 지방종자, 채소 또는 과일을 포함할 수 있다. 일부 다른 특정 구현예에서, 나무는 과일, 조경 또는 삼림 나무일 수 있다. 또 다른 특정 구현예에서, 덩굴은 포도덩굴일 수 있다. 한 예에서, 식물은 카베르네 소비뇽, 카노나우 또는 술타나를 포함하는 비티스 비니페라일 수 있다. 상기 병원체는 노균병, 흰가루병, 보트리티스 썩음병, 푸사리움 썩음병, 녹병, 라이족토니아 썩음병, 스클레로티니아 썩음병, 스클레로티움 썩음병을 포함하는 식물 질병을 일으키는 병원체를 포함할 수 있다. 병원체는 플라스모파라 비티콜라와 같은 진균일 수 있다. Disclosed herein is a method of treating or preventing a pathogen in a plant comprising contacting the plant with a composition comprising silicon nitride. The composition may include a slurry of silicon nitride particles and an aqueous solvent. In some embodiments, the solvent may include water. In some embodiments, the composition may include from about 0.5% to about 20% silicon nitride by volume. The contacting step may include spraying, misting, or dipping. Plants may include agricultural plants, trees or vines. In some specific embodiments, plants may include grains, legumes, tubers, grasses, oilseeds, vegetables, or fruits. In some other specific embodiments, the tree may be a fruit, landscape or forest tree. In another specific embodiment, the vine can be a grapevine. In one example, the plant is Vitis, including Cabernet Sauvignon, Carnonau or Sultana. It can be vinifera . The pathogen may include pathogens causing plant diseases including downy mildew, powdery mildew, botrytis rot, fusarium rot, rust, rhizoctonia rot, Sclerotinia rot, and Sclerotium rot. The pathogen may be a fungus such as Plasmopara viticola.

본 발명의 다른 양태 및 반복은 아래에서 보다 자세하게 설명된다.Other aspects and iterations of the present invention are described in more detail below.

도 1a 내지 1c는 Si₃N₄ 물 현탁액에서 시간의 함수로서 pH의 측정치를 나타내는 그래픽 표현이고, 도 1d는 Si₃N₄ 분말의 분산 직후 생성된 기체 기포의 이미지이다.
도 2a 내지 2c는 현탁액에 Si₃N₄ 분말 과립이 있는 물 환경에서 포자낭의 현미경 사진이고; 도 2d 내지 2f는 Si₃N₄ 분말이 없는 순수한 물에 포매된 포자낭의 현미경 사진을 보여주고; 도 2g 내지 2k는 점차적으로 Si₃N₄ 과립에 의해 완전히 덮이고 유주자를 방출하지 않는 포자낭을 예시하는 현미경 사진을 보여준다.
도 3a는 시간에 따른 포자낭의 막과 Si₃N₄ 과립의 상호작용을 나타낸 이미지이고, 도 3b는 도 3a의 확대도이다.
도 4a 및 4b는 Si₃N₄ 과립이 있는 경우(도 4a) 및 Si₃N₄ 과립이 없는 경우(도 4b)에서 0-2시간 동안 물에 현탁된 농도 3.0 x 10⁴ ml^-1의 살아있는 포자낭의 형광 이미지이고; 도 4c는 형광 이미지에서 직접 계수 시에 검출된 살아있는 포자낭 및 포자낭의 전체 분획의 동시 정량화를 보여주는 분획 플롯의 그래픽 표현이다.
도 5a 내지 5c는 포도덩굴 종인 카베르네 소비뇽(Cabernet Sauvignon)의 이미지로, 대조군(도 5a), 전-처리군(도 5b) 및 공동-처리군(도 5c)을 보여준다.
도 6a 내지 6c는 포도덩굴 종인 카노나우(Cannonau)의 이미지로, 대조군(도 6a), 전-처리군(도 6b) 및 공동-처리군(도 6c)을 보여준다.
도 7a 및 7b는 실온에서 순수한 물(도 7a) 및 1.5 부피% Si₃N₄ 분말을 함유하는 물 현탁액(도 7b)에 10분 동안 침지한 후 P. 비티콜라의 평균 라만 스펙트럼의 그래픽 표현이다.
도 8a는 NH₃ 및 NH4⁺의 상대 농도를 나타내는 그래프이고, 도 8b는 pH의 함수로서 물에서 용출되는 질소 종의 정량적 플롯을 보여주는 그래픽 표현이다.
도 9a는 관찰된 주요 진동 방식와 함께 물에 노출된 포자낭에 대한 DNA 핵염기의 프리스틴(pristine) 구조이고; 도 9b는 수동적으로 침투된 NH₃의 존재로 인한 게놈 무결성의 손실을 보여주는 포자낭에 대한 DNA 핵염기이고; 도 9c는 양성자화되고 중성 형태인 고리 내의 N 원자 둘 모두를 갖는 양성자화된 이미다졸 고리를 보여주고; 도 9d는 하나의 양성자가 소멸된 탈양성자화된 이미다졸 고리를 보여준다.
도 10a 및 10b는 각각 도 9a 및 19에 보여진 구조의 하전 및 중성 이미다졸 고리의 진동과 관련된 스펙트럼 구역 1050-1150 cm^-1로부터의 고해상도 라만 신호를 나타내는 그래픽 표현이다.
도 11a는 Si₃N₄ 과립을 포획하는 기공에서 완충 효과 및 관련 암모니아 용출을 보여주는 개략적 설명이고, 도 11b는 병원체/Si₃N₄ 계면에서 활성인 항진균제로서 암모늄 및 암모니아의 형성과 함께 포자낭으로의 Si₃N₄ 과립의 전하 인력을 보여주는 개략적 설명이다.
도 12a는 처리되지 않은 플라스모파라 비티콜라로 접종된 카베르네 소비뇽 잎을 보여준다. 도 12b는 1.5 부피% Si₃N₄ 분말로 1분 동안 처리된 플라스모파라 비티콜라로 접종된 카베르네 소비뇽 잎을 보여준다.
도 13은 플라스모파라 비티콜라 대조군 및 처리된 카베르네 소비뇽 및 카노나우 잎의 감염된 잎 면적의 그래프이다.
도 14a는 미처리 포자 주머니를 보여준다. 도 14b는 Si₃N₄가 있는 포자 주머니를 보여준다.
참조 문자는 도면의 보기 중 해당 요소를 나타낸다. 도면에 사용된 제목은 청구 범위를 제한하지 않는다. 1A - 1C are graphical representations showing measurements of pH as a function of time in a Si ₃ N ₄ water suspension, and FIG . 1D is an image of gas bubbles generated immediately after dispersion of Si ₃ N ₄ powder.
2a to 2c are micrographs of sporangia in an aquatic environment with Si ₃ N ₄ powder granules in suspension; 2d to 2f show micrographs of sporangia embedded in pure water without Si ₃ N ₄ powder; 2g to 2k show photomicrographs illustrating sporangia that are gradually completely covered by Si ₃ N ₄ granules and do not release zoospores.
Figure 3a is an image showing the interaction between the sporangia membrane and Si ₃ N ₄ granules over time, and Figure 3b is an enlarged view of Figure 3a .
4a and 4b show the presence of Si ₃ N ₄ granules ( FIG. 4a ) and the absence of Si ₃ N ₄ granules ( FIG. 4b ) at a concentration of 3.0 x 10 ⁴ ml ^-1 suspended in water for 0-2 hours. It is a fluorescence image of sporangia; 4C is a graphical representation of a fraction plot showing simultaneous quantification of live sporangia and total fraction of sporangia detected upon direct counting in fluorescence images.
5a to 5c are images of Cabernet Sauvignon, a grapevine species, showing a control group ( FIG. 5a ), a pre-treatment group ( FIG. 5b ) and a co-treatment group ( FIG. 5c ).
6A to 6C are images of the grapevine species Cannonau, showing control ( FIG. 6A ), pre-treatment ( FIG. 6B ) and co-treatment ( FIG. 6C ).
7a and 7b are graphical representations of average Raman spectra of P. viticola after immersion for 10 minutes in pure water ( FIG. 7a ) and water suspension containing 1.5 vol % Si ₃ N ₄ powder ( FIG. 7b ) at room temperature. .
8A is a graph showing relative concentrations of NH ₃ and NH 4 ⁺ , and FIG . 8B is a graphical representation showing a quantitative plot of nitrogen species eluted in water as a function of pH.
FIG . 9A is the pristine structure of DNA nucleobases for water-exposed sporangia with the main modes of vibration observed; 9b shows passively infiltrated DNA nucleobases for sporangia showing loss of genome integrity due to the presence of NH ₃ ; 9C shows a protonated imidazole ring with both N atoms in the ring being protonated and in neutral form; Figure 9d shows a deprotonated imidazole ring with one proton annihilated.
10A and 10B are graphical representations of high-resolution Raman signals from the spectral region 1050-1150 cm ⁻¹ associated with vibrations of the charged and neutral imidazole rings of the structures shown in FIGS. 9A and 19 , respectively.
Figure 11a is a schematic showing the buffering effect and associated ammonia elution at the stomata entrapping Si ₃ N ₄ granules, and Figure 11b is an antifungal agent active at the pathogen/Si ₃ N ₄ interface, with the formation of ammonium and ammonia into sporangia. A schematic illustration showing the charge attraction of Si ₃ N ₄ granules.
12a shows untreated plasmopara Shows Cabernet Sauvignon leaves inoculated with Viticola . 12b shows Plasmopara treated with 1.5 vol % Si ₃ N ₄ powder for 1 minute. Shows Cabernet Sauvignon leaves inoculated with Viticola .
13 is a plasmopara Graph of infected leaf area of Viticola control and treated Cabernet Sauvignon and Carnonau leaves.
14A shows untreated spore sacs. 14b shows spore sacs with Si ₃ N ₄ .
Reference text indicates the corresponding element in the view of the drawing. Headings used in the drawings do not limit the scope of the claims.

본 개시내용의 다양한 구현예가 아래에서 상세히 논의된다. 특정 구현이 논의되는 동안 이는 예시 목적으로만 수행된다는 점을 이해해야 한다. 당업자는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다른 구성요소 및 구성이 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 이하의 설명 및 도면은 예시적인 것이며 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 개시내용의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항이 제시된다. 그러나 어떤 경우에는 설명을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려진 또는 통상적인 세부 사항을 설명하지 않는다.Various implementations of the present disclosure are discussed in detail below. While specific implementations are discussed, it should be understood that this is done for illustrative purposes only. Those skilled in the art will recognize that other components and configurations may be used without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the following description and drawings are illustrative and should not be construed as limiting. Numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present disclosure. In some cases, however, well-known or common details are not described in order to avoid obscuring the description.

본 명세서에서 사용된 용어는 일반적으로 당업계에서, 개시내용의 맥락 내에서, 그리고 각 용어가 사용된 특정 맥락에서 통상적인 의미를 갖는다. 본원에 논의된 용어 중 하나 이상에 대해 대체 언어 및 동의어가 사용될 수 있으며, 여기에서 용어가 정교화되거나 논의되는지 여부에 특별한 의미를 두어서는 안 된다. 일부 경우에 따라, 특정 용어의 동의어가 제공된다. 하나 이상의 동의어의 설명은 다른 동의어의 사용을 배제하지 않는다. 본원에서 논의된 임의의 용어의 예를 포함하여 본 명세서의 어느 곳에서든 예의 사용은 단지 예시를 위한 것이며, 본 개시내용 또는 임의의 예시 용어의 범위 및 의미를 추가로 제한하려는 의도가 아니다. 마찬가지로, 본 개시내용은 본 명세서에 제공된 다양한 구현예에 제한되지 않는다.The terms used herein generally have their ordinary meaning in the art, within the context of the disclosure, and in the specific context in which each term is used. Alternate language and synonyms may be used for one or more of the terms discussed herein, and no special meaning should be attached to whether a term is elaborated upon or discussed herein. In some cases, synonyms for certain terms are provided. The recitation of one or more synonyms does not preclude the use of other synonyms. The use of examples anywhere in this specification, including examples of any terms discussed herein, is by way of example only and is not intended to further limit the scope and meaning of this disclosure or any example term. Likewise, the disclosure is not limited to the various embodiments provided herein.

"일 구현예" 또는 "구현예"에 대한 언급은 구현예와 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 개시내용의 적어도 하나의 구현예에 포함된다는 것을 의미한다. 본 명세서의 다양한 위치에서 "일 구현예에서"라는 문구의 등장은 반드시 모두 동일한 구현예를 지칭하는 것은 아니며, 다른 구현예와 상호 배타적인 별개의 구현예 또는 대체 구현예도 아니다. 또한, 다른 구현예가 아닌 일부 구현예에 의해 나타날 수 있는 다양한 특징이 설명된다.Reference to “one embodiment” or “an embodiment” means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the present disclosure. The appearances of the phrase “in one embodiment” in various places in the specification are not necessarily all referring to the same embodiment, nor are separate or alternative embodiments mutually exclusive of other embodiments. Also, various features that may be exhibited by some implementations and not others are described.

본원에서 사용되는 용어 "포함하는(comprising)", "갖는" 및 "포함하는(including)"은 개방적이고 비제한적인 의미로 사용된다. "a", "an" 및 "the"라는 용어는 단수뿐만 아니라 복수도 포함하는 것으로 이해된다. 따라서, "그의 혼합물"이라는 용어는 또한 "그의 혼합물들"에 관한 것이다.As used herein, the terms "comprising", "having" and "including" are used in an open and non-limiting sense. The terms "a", "an" and "the" are understood to include the plural as well as the singular. Accordingly, the term "mixtures thereof" also relates to "mixtures thereof".

본원에서 사용되는 "약"은 명시적으로 표시되는지 여부에 관계없이 정수, 분수, 백분율 등을 포함하는 숫자 값을 지칭한다. 용어 "약"은 일반적으로 인용된 값, 예를 들어 동일한 기능 또는 결과를 갖는 인용된 값과 동등하다고 간주할 수 있는 인용된 값의 수치 범위, 예를 들어 ± 0.5-1%, ± 1-5% 또는 ± 5-10%를 의미한다.As used herein, “about” refers to a numeric value, including whole numbers, fractions, percentages, and the like, whether or not explicitly indicated. The term “about” generally refers to a numerical range of a recited value that can be considered equivalent to a recited value, e.g., a recited value having the same function or result, e.g. ± 0.5-1%, ± 1-5 Means % or ± 5-10%.

본원에서 사용되는 용어 "질화규소"는 Si₃N₄, 알파- 또는 베타-상 Si₃N₄, SiYAlON, SiYON, SiAlON, 또는 이들 상 또는 물질의 조합을 포함한다.As used herein, the term “silicon nitride” includes Si ₃ N ₄ , alpha- or beta-phase Si ₃ N ₄ , SiYAlON, SiYON, SiAlON, or combinations of these phases or materials.

본 발명은 식물에서 병원체를 치료 또는 예방하는 방법에 관한 것이다. 방법은 식물을 질화규소를 포함하는 조성물과 접촉시키는 것을 포함한다. 일부 구현예에서, 접촉 단계는 분무, 미스팅, 또는 침지를 포함할 수 있다.The present invention relates to methods of treating or preventing pathogens in plants. The method includes contacting a plant with a composition comprising silicon nitride. In some embodiments, the contacting step can include spraying, misting, or dipping.

Si₃N₄의 표면은 수성 환경에서 Si-N 공유 결합의 균일 해리를 겪는다. 질소와 규소의 방출은 Si₃N₄의 생물학적 효과의 화학적 기원이다. 가수분해 공정은 Si₃N₄ 표면에서 아미노 기의 양성자화를 시작한다. 인접한 실리콘 사이트의 친전자성은 증가하며, 이는 차례로 이러한 부위가 물에 의해 친핵성 공격을 받는 경향으로 이어진다. 물이 규소 부위와 상호작용함에 따라 준안정 5배위 착물이 먼저 형성되지만 환경 pH에 따라 달라지는 비율로 암모니아/암모늄 이온이 방출되면서 즉시 붕괴된다. 암모니아(NH₃) 또는 암모늄(NH₄ ⁺)의 pH 의존적 용출은 고체 표면에 이산화규소(SiO₂)의 형성과 함께 발생한다. 이 후자 종의 가수분해는 오르토규산, Si(OH)₄를 생성한다. 물에서 Si₃N₄의 기본 화학 반응은 다음과 같다:The surface of Si ₃ N ₄ undergoes uniform dissociation of Si-N covalent bonds in an aqueous environment. The release of nitrogen and silicon is the chemical origin of the biological effects of Si ₃ N ₄ . The hydrolysis process initiates the protonation of amino groups at the Si ₃ N ₄ surface. The electrophilicity of adjacent silicon sites increases, which in turn makes these sites more prone to nucleophilic attack by water. As water interacts with the silicon site, a metastable five-coordinate complex is formed first, but decays immediately with the release of ammonia/ammonium ions at a rate that depends on the environmental pH. A pH dependent elution of ammonia (NH ₃ ) or ammonium (NH ₄ ⁺ ) occurs with the formation of silicon dioxide (SiO ₂ ) on the solid surface. Hydrolysis of this latter species yields orthosilicic acid, Si(OH) ₄ . The basic chemical reaction of Si ₃ N ₄ in water is:

실온에서 NH₃의 분율은 S자형 의존성에 따라 pH에 따라 달라진다:The fraction of NH ₃ at room temperature depends on pH according to a sigmoidal dependence:

이는 생리학적 pH에서 자유 NH₃의 상대적 분율이 매우 낮다는 것을 나타낸다(즉, 용출된 암모늄 종의 전체 양의 1-2%). 그러나 ~8.3의 pH에서는 ~7%까지 증가한다. 도 8a는 방정식 (4)의 그래프를 제공한다. NH₃와 NH₄ ⁺의 상대적인 농도를 보여준다. 도 8b에서, pH의 함수로서의 정량적 플롯이 순수한 물에서의 그들의 농도에 대해 제시된다. 이들 값은 방정식 (4)를 사용하여 도 1a의 데이터로부터 계산되었고 공개된 비색 암모니아 검정에 따라 보정되었다. 암모니아는 병원체의 세포막에 쉽게 침투하여 포스페이트 데옥시리보스 DNA 백본을 절단한다(알칼리성 에스테르교환에 의한 게놈 절단이라고 함). 그러나 물에서 Si₃N₄의 또 다른 중요한 양태는 자유 라디칼의 형성이다. 이는 다음과 같이 Si-N 결합의 파손, 자유 전자의 방출 및 산소 라디칼의 형성으로 시작되는 일련의 일시적인 비화학양론적 반응을 수반한다:This indicates that the relative fraction of free NH ₃ at physiological pH is very low (ie 1-2% of the total amount of eluted ammonium species). However, at a pH of ~8.3, it increases to ~7%. 8A provides a graph of equation (4). The relative concentrations of NH ₃ and NH ₄ ⁺ are shown. In Figure 8b , a quantitative plot as a function of pH is presented for their concentration in pure water. These values were calculated from the data in FIG. 1A using equation (4) and corrected according to the published colorimetric ammonia assay. Ammonia readily penetrates the pathogen's cell membrane and cleaves the phosphate deoxyribose DNA backbone (called genome cleavage by alkaline transesterification). However, another important aspect of Si ₃ N ₄ in water is the formation of free radicals. This involves a series of transient non-stoichiometric reactions starting with the breakage of Si-N bonds, the release of free electrons and the formation of oxygen radicals as follows:

방정식 (5) 내지 (11)의 이러한 반응은 자유 전자 방출(방정식(5)), 물 분자의 분할(방정식(6)) 및 라디칼 산소 음이온 및 매우 산화적 양성자화된 종의 형성 (방정식 (7) 및 (8))을 포함하는 화학적 사건의 케스케이드를 나타낸다. 후자의 화학종은 표면 실라놀의 해리에 기여하며(방정식 (9) 내지 (11)), 이는 다시 추가 산소 라디칼, 즉 (≡Si - O^·) 및 (≡Si - O₂ ^·-)의 형성을 유도한다. 자유 전자는 또한 암모니아(NH₃)를 하이드록실아민(NH₂OH, 즉, 암모니아 모노옥시게나제)으로 산화하고 물과 연속 반응하여 추가 자유 전자 및 양성자의 생성과 함께 아질산 HNO₂를 형성한다.These reactions in equations (5) to (11) result in the release of free electrons (equation (5)), the splitting of water molecules (equation (6)) and the formation of radical oxygen anions and highly oxidatively protonated species (equation (7)). ) and (8)) represent a cascade of chemical events. The latter species contributes to the dissociation of surface silanols (equations (9) to (11)), which in turn form additional oxygen radicals, namely (≡Si - ^O ) and (≡Si - O ₂ ^- ). induce The free electrons also oxidize ammonia (NH ₃ ) to hydroxylamine (NH ₂ OH, ie, ammonia monooxygenase) and subsequently react with water to form nitrite HNO ₂ with the production of additional free electrons and protons.

방정식 (12)(즉, 암모니아 모노옥시게나제)는 아질산, 추가 자유 전자 및 수소 양성자의 형성과 함께 NH₃ 산화를 촉매하는 데 필요한 자유 전자를 제공한다. 방정식 (13)(즉, 하이드록실아민 산화환원효소)은 산화질소(NO), 추가 자유 전자 및 수소 양성자를 생성한다. 방정식 (7)의 산소 라디칼(O₂ ^·-)과 함께 방정식 (14)에 따라 추가 NO 및 아질산염(NO₂ ^-)이 형성되면 다음과 같이 과산화아질산염 ONOO^-가 형성된다:Equation (12) (ie, ammonia monooxygenase) provides the free electrons needed to catalyze the oxidation of NH ₃ with the formation of nitrous acid, additional free electrons, and hydrogen protons. Equation (13) (i.e., hydroxylamine oxidoreductase) produces nitric oxide (NO), additional free electrons, and hydrogen protons. When additional NO and nitrite (NO ₂ ^- ) are formed according to equation (14) along with the oxygen radical (O ₂ ^- ) in equation (7), peroxynitrite ONOO ^- is formed as follows:

이것은 궁극적으로 산화질소(NO) 및 과산화질소(OONO^-) 라디칼의 형성으로 이어진다. 그들은 병원체에 가장 치명적인 제제 중 하나이다. 과산화아질산염의 형성은 자극 배출 고갈 현미경검사와 과산화아질산염을 표적으로 하는 질화 스트레스 감지를 위한 특정 형광 염색 키트를 사용하여 Si₃N₄와 칸디다 알비칸스의 상호작용에 대한 최근 연구에서 실험적으로 확인되었다. 반대로, 과산화아질산염은 식물 세포에 독성이 없으며 NO는 병원체 감염에 대한 식물 내성 유도에 중요한 신호이므로 방어 관련 유전자의 식물 발현에 긍정적인 간접적 효과를 발휘한다.This ultimately leads to the formation of nitric oxide (NO) and nitric peroxide (OONO ^- ) radicals. They are among the most lethal agents for pathogens. Formation of peroxonitrite was confirmed experimentally in a recent study of the interaction of Si ₃ N ₄ with Candida albicans using stimulated emission depletion microscopy and a specific fluorescent staining kit for nitrification stress detection that targets peroxonitrite. Conversely, nitrite peroxide is not toxic to plant cells, and NO exerts a positive indirect effect on the expression of defense-related genes in plants, as NO is an important signal for inducing plant resistance to pathogen infection.

I. 조성물I. composition

본 발명의 조성물은 질화규소를 포함한다. The composition of the present invention includes silicon nitride.

일부 구현예에서, 질화규소 분말은 슬러리, 현탁액, 겔, 스프레이 또는 페이스트를 포함하지만 이에 제한되지 않는 조성물에 혼입될 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 조성물은 용매에 분산된 질화규소 입자의 슬러리를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 용매는 물일 수 있다. 예를 들어, 질화규소 입자는 임의의 적절한 분산제 및 슬러리 안정화 제제와 함께 물과 혼합된 후 슬러리를 다양한 농업 식물, 과수, 덩굴, 곡류 작물 등에 분무함으로써 적용될 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 질화규소 슬러리는 진균 감염된 포도 잎에 분무될 수 있다.In some embodiments, the silicon nitride powder can be incorporated into a composition including, but not limited to, a slurry, suspension, gel, spray or paste. In at least one example, the composition may include a slurry of silicon nitride particles dispersed in a solvent. In some embodiments, the solvent may be water. For example, the silicon nitride particles can be mixed with water along with any suitable dispersing agent and slurry stabilizing agent and then applied by spraying the slurry onto various agricultural plants, fruit trees, vines, cereal crops, and the like. In at least one example, the silicon nitride slurry may be sprayed onto fungal infected grape leaves.

예에서, 항병원성 조성물은 질화규소 분말과 물의 슬러리일 수 있다. 질화규소 분말은 약 0.1 부피% 내지 약 20 부피%의 농도로 슬러리 내에 존재할 수 있다. 다양한 구현예에서, 슬러리는 약 0.1 부피%, 0.5 부피%, 1 부피%, 1.5 부피%, 2 부피%, 5 부피%, 10 부피%, 15 부피%, 또는 20 부피%의 질화규소를 포함할 수 있다.In an example, the antipathogenic composition may be a slurry of silicon nitride powder and water. Silicon nitride powder may be present in the slurry at a concentration of about 0.1% to about 20% by volume. In various embodiments, the slurry can include about 0.1%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 5%, 10%, 15%, or 20% silicon nitride by volume. there is.

조성물은 약 0.5 부피% 내지 약 20 부피%의 질화규소를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 조성물은 약 0.5 부피%, 1 부피%, 2 부피%, 3 부피%, 4 부피%, 5 부피%, 6 부피%, 7 부피%, 8 부피%, 9 부피%, 10 부피%, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 또는 약 20 부피%의 질화규소를 포함할 수 있다. 일부 추가 구현예에서, 조성물은 약 0.5 부피% 내지 약 3 부피%, 약 3 부피% 내지 약 6 부피%, 약 6 부피% 내지 약 9 부피%, 약 9 부피% 내지 약 12 부피%, 약 12 부피% 내지 약 15 부피%, 약 15 부피% 내지 약 18 부피%, 또는 약 18 부피% 내지 약 20 부피%의 질화규소를 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 구현예에서, 조성물은 약 1 부피% 내지 약 3 부피%의 질화규소를 포함한다.The composition may include from about 0.5% to about 20% silicon nitride by volume. In some embodiments, the composition is about 0.5 vol%, 1 vol%, 2 vol%, 3 vol%, 4 vol%, 5 vol%, 6 vol%, 7 vol%, 8 vol%, 9 vol%, 10 vol% %, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 or about 20% silicon nitride by volume. In some further embodiments, the composition comprises about 0.5 vol% to about 3 vol%, about 3 vol% to about 6 vol%, about 6 vol% to about 9 vol%, about 9 vol% to about 12 vol%, about 12 to about 15 vol%, about 15 vol% to about 18 vol%, or about 18 vol% to about 20 vol% silicon nitride. In one exemplary embodiment, the composition comprises about 1% to about 3% silicon nitride by volume.

질화규소 분말의 입자 크기는 약 1 μm 내지 약 5 μm일 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 질화규소 분말은 약 2 μm의 입자 크기를 가질 수 있다.The particle size of the silicon nitride powder may be from about 1 μm to about 5 μm. In at least one example, the silicon nitride powder may have a particle size of about 2 μm.

II. 병원체II. pathogen

본 개시내용의 방법은 식물에서 많은 공지된 병원체를 치료하거나 예방하기 위해 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 병원체는 노균병, 흰가루병, 보트리티스 썩음병, 푸사리움 썩음병, 녹병, 라이족토니아 썩음병, 스클레로티니아 썩음병, 스클레로티움 썩음병, 및 당업계에 공지된 다른 병원성 식물 질병을 포함하는 하나 이상의 식물 질병을 유발할 수 있다. 일부 추가 구현예에서, 병원체는 플라스모파라 비티콜라, 구이그나르디아 비드웰리이, 운시눌라 네카토르, 보트리오티니아 푹켈리나, 및, 및 당업계에 공지된 다른 진균을 포함하는 진균일 수 있다.The methods of the present disclosure can be used to treat or prevent many known pathogens in plants. In some embodiments, the pathogen is downy mildew, powdery mildew, botrytis rot, fusarium rot, rust, rhizoctonia rot, sclerotinia rot, sclerotium rot, and other pathogenic plant diseases known in the art. can cause one or more plant diseases, including In some further embodiments, the pathogen may be a fungus, including Plasmopara viticola, Guignardia bidwelli, Uncinula necator, Boriotinia puckellina, and other fungi known in the art. there is.

III. 식물III. plant

본 개시내용의 섹션 I에 개시된 조성물은 식물에 적용될 수 있으며, 여기서 식물은 농업 식물, 나무 또는 덩굴이다. 일부 구현예에서, 농업 식물은 곡물, 콩과식물, 괴경, 목초, 지방종자, 채소 또는 과일을 포함할 수 있다. The composition disclosed in Section I of the present disclosure may be applied to a plant, wherein the plant is an agricultural plant, tree or vine. In some embodiments, agricultural plants may include grains, legumes, tubers, grasses, oilseeds, vegetables, or fruits.

(a) 곡물(a) cereals;

일부 양태에서, 곡물은 테프, 밀, 귀리, 쌀, 옥수수, 보리, 수수, 호밀, 기장, 라이밀, 아마란쓰, 메밀, 퀴노아, 불가르, 파로, 프리케, 또는 당업계에 공지된 다른 곡물을 포함할 수 있다. In some embodiments, the grain is teff, wheat, oats, rice, corn, barley, sorghum, rye, millet, triticale, amaranth, buckwheat, quinoa, bulgar, faro, pricke, or other grains known in the art. Other grains may be included.

일부 추가 양태에서, 콩과식물은 땅콩, 병아리콩, 콩, 완두콩, 렌즈콩, 루핀, 알팔파, 클로버, 메스키트, 캐롭, 대두, 타마린드, 및 당업계에 공지된 다른 콩과식물을 포함할 수 있다. In some further embodiments, legumes may include peanuts, chickpeas, beans, peas, lentils, lupine, alfalfa, clover, mesquite, carob, soybean, tamarind, and other legumes known in the art. can

또 다른 추가 양태에서, 괴경은 사탕무, 당근, 서양고추냉이, 파스닙, 감자, 무, 고구마, 순무, 루타바가, 토란, 마름, 참마, 및 당업계에 공지된 다른 괴경을 포함할 수 있다. In still further embodiments, the tubers may include beets, carrots, horseradish, parsnips, potatoes, radishes, sweet potatoes, turnips, rutabaga, taro, water chestnuts, yams, and other tubers known in the art.

추가의 추가 양태에서, 목초는 대나무, 마람 그래스, 메도우 그래스, 갈대, 독보리, 사탕수수, 및 당업계에 공지된 다른 목초를 포함할 수 있다. In a still further aspect, grasses may include bamboo, marram grass, meadow grass, reeds, Italian ryegrass, sugar cane, and other grasses known in the art.

또 다른 양태에서, 지방종자는 야자, 대두, 평지씨, 야자핵, 목화씨, 땅콩, 올리브, 코코넛, 옥수수, 참깨, 아마씨, 잇꽃, 해바라기, 자트로파, 카멜리나, 카둔, 페니크레스 및 당업계에 공지된 기타 지방종자를 포함할 수 있다.In another embodiment, the oilseeds are palm, soybean, rapeseed, palm kernel, cottonseed, peanut, olive, coconut, maize, sesame, linseed, safflower, sunflower, jatropha, camelina, cardoon, penicres, and others known in the art. Other oilseeds may be included.

또 다른 양태에서, 야채는 아티초크, 아스파라거스, 비트, 브로콜리, 브루셀 스프라우트, 양배추, 당근, 꽃양배추, 셀러리악, 셀러리, 회향, 마늘, 생강, 케일, 리크, 상추, 파스닙, 무, 샐러드용 채소, 샬롯, 시금치, 파, 강황, 순무, 물냉이, 및 당업계에 공지된 기타 체소를 포함할 수 있다. In another embodiment, the vegetables include artichokes, asparagus, beets, broccoli, brussels sprouts, cabbage, carrots, cauliflower, celeriac, celery, fennel, garlic, ginger, kale, leek, lettuce, parsnips, radishes, salad greens, shallots, spinach, green onions, turmeric, turnips, watercress, and other vegetables known in the art.

또 다른 양태에서, 과일은 사과, 아보카도, 살구, 바나나, 블랙베리, 블루베리, 빵나무 열매, 칸탈루프, 체리, 클레멘타인, 코코넛, 크랜베리, 대추야자, 무화과, 자몽, 구아바, 허니듀 멜론, 잭프루트, 키위, 금귤, 레몬, 라임, 만다린, 망고, 승도복숭아, 오렌지, 파파야, 패션프루트, 복숭아, 배, 파인애플, 질경이, 자두, 석류, 산딸기, 대황, 딸기, 탄제린, 수박, 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 과일을 포함할 수 있다.In another embodiment, the fruit is an apple, avocado, apricot, banana, blackberry, blueberry, breadfruit, cantaloupe, cherry, clementine, coconut, cranberry, date, fig, grapefruit, guava, honeydew melon, jack Fruit, kiwi, kumquat, lemon, lime, mandarin, mango, nectarine, orange, papaya, passionfruit, peach, pear, pineapple, plantain, plum, pomegranate, raspberry, rhubarb, strawberry, tangerine, watermelon, or It may include any other fruit known to.

(b) 나무(b) trees

일부 구현예에서, 나무는 과일 나무, 조경 나무 또는 삼림 나무를 포함할 수 있다.In some embodiments, trees may include fruit trees, landscape trees, or forest trees.

일부 양태에서, 과일 나무는 아몬드나무, 사과나무, 살구나무, 아보카도나무, 캐슈 나무, 벚나무, 코코넛나무, 무화과나무, 자몽나무, 구아바나무, 잭프루트나무, 레몬나무, 라임나무, 망고나무, 올리브나무, 오렌지나무, 복숭아나무, 배나무, 피칸나무, 자두나무, 석류나무, 호두나무, 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 나무를 포함할 수 있다.In some embodiments, the fruit tree is an almond tree, apple tree, apricot tree, avocado tree, cashew tree, cherry tree, coconut tree, fig tree, grapefruit tree, guava tree, jackfruit tree, lemon tree, lime tree, mango tree, olive tree tree, orange tree, peach tree, pear tree, pecan tree, plum tree, pomegranate tree, walnut tree, or any other tree known in the art.

일부 추가 양태에서, 조경 나무는 목련나무, 사과나무, 층층나무, 단풍 나무, 공작고라시 나무, 카츠라 나무, 가문비나무, 측백나무, 자작나무, 야자나무, 벚나무, 호랑가시나무, 너도밤나무, 및 당업계에 공지된 다른 조경 나무를 포함할 수 있다.In some further aspects, the landscape tree is a magnolia tree, an apple tree, a dogwood tree, a maple tree, a peacock tree, a katsura tree, a spruce tree, a cypress tree, a birch tree, a palm tree, a cherry tree, a holly tree, a beech tree, and Other landscape trees known in the art may be included.

또 다른 추가 양태에서, 삼림 나무는 물푸레나무, 자작나무, 아스펜나무, 참피 나무, 너도밤 나무, 벚나무, 밤나무, 미루나무, 느릅나무, 전나무, 히코리나무, 로커스트나무, 단풍나무, 참나무, 소나무, 삼나무, 가문비나무, 사카모어나무, 버드나무 및 당업계에 공지된 기타 삼림 나무를 포함할 수 있다.In a still further aspect, the forest tree is selected from ash, birch, aspen, basswood, beech, cherry, chestnut, cottonwood, elm, fir, hickory, locust, maple, oak, pine, cedar. , spruce, sakamore, willow and other forest trees known in the art.

(c) 덩굴(c) vines

일부 구현예에서, 덩굴은 포도덩굴, 수박 덩굴, 오이 덩굴, 담쟁이덩굴, 덩굴, 홉, 자스민 또는 당업계에 알려진 다른 덩굴일 수 있다. 일부 양태에서, 덩굴은 포도덩굴 비티스 비니페라(Vitis vinifera)이다. 일부 예에서, 비티스 비니페라는 카베르네 소비뇽, 카노나우, 술타나, 샤르도네, 화이트 리슬링, 피노 블랑, 피노 그리, 게뷔르츠트라미너, 무스카트 오토넬, 소비뇽 블랑, 피노 누아, 피노 뫼니에, 까베르네 프랑, 메를로, 림베르제, 가메이 누아르, 트롤링거, 쁘띠 베르도, 트레비아노 토스카노, 가르나차, 시라, 아이렌, 템프라니요, 당업계에 공지된 다른 비티스 비니페라 품종을 포함할 수 있다.In some embodiments, the vines can be grape vines, watermelon vines, cucumber vines, ivy vines, vines, hops, jasmine, or other vines known in the art. In some embodiments, the vine is Grapevine vitis It is Vitis vinifera . In some instances, bitice Vinifera is Cabernet Sauvignon, Canonau, Sultana, Chardonnay, White Riesling, Pinot Blanc, Pinot Gris, Gewurztraminer, Muscat Otonnell, Sauvignon Blanc, Pinot Noir, Pinot Meunier, Cabernet Franc, Merlot, Limberge, Gamay Noir, Trollinger, Petit Verdot, Trebbiano Toscano, Garnacha, Syrah, Airen, Tempranillo, and other Vitis vinifera varieties known in the art.

IV. 방법IV. method

병원체를 질화규소를 포함하는 조성물과 접촉시킴으로써 병원체를 불활성화시키는 방법이 본원에 추가로 제공된다. 병원체는 진균 또는 식물 기반 병원체일 수 있다. 조성물은 질화규소 입자 및 물을 포함하는 슬러리일 수 있다.Further provided herein is a method of inactivating a pathogen by contacting the pathogen with a composition comprising silicon nitride. Pathogens may be fungal or plant-based pathogens. The composition may be a slurry comprising silicon nitride particles and water.

추가 구현예에서, 방법은 질화규소 슬러리를 식물 기반 병원체에 감염된 살아 있는 농업 식물, 나무, 곡물 등의 표면과 접촉시키는 것을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 감염된 잎은 물에 약 1 부피% 내지 약 40 부피%의 질화규소 슬러리로 분무될 수 있다. 잎은 적어도 1분, 적어도 5분, 적어도 10분, 적어도 20분, 적어도 30분, 적어도 1시간, 적어도 2시간, 적어도 5시간, 또는 적어도 1일 동안 질화규소 슬러리에 노출될 수 있다. In a further embodiment, the method may include contacting the silicon nitride slurry with a surface of a live agricultural plant, tree, crop, or the like infected with a plant-based pathogen. In one embodiment, infected leaves can be sprayed with a slurry of about 1% to about 40% silicon nitride by volume in water. The leaves may be exposed to the silicon nitride slurry for at least 1 minute, at least 5 minutes, at least 10 minutes, at least 20 minutes, at least 30 minutes, at least 1 hour, at least 2 hours, at least 5 hours, or at least 1 day.

다양한 예에서, 잎의 감염된 면적은 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 적어도 99%까지 감소될 수 있다. 한 예에서, 노출 1분 후 잎의 감염 면적이 약 95%까지 감소할 수 있다. 질화규소 입자가 병원체의 포자에 전기적으로 끌리고 부착될 수 있다는 것이 놀랍게도 발견되었다.In various examples, the infected area of a leaf may be reduced by at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, at least 90%, at least 95%, or at least 99%. In one example, the infected area of a leaf can be reduced by about 95% after 1 minute of exposure. It has been surprisingly discovered that silicon nitride particles can be electrically attracted to and attached to pathogen spores.

실시예Example

실시예Example 1: One:

포도덩굴의 노균병 감염은 일반적으로 구리 및 황을 포함한 살진균제(접촉 살진균제)를 집중적으로 적용하거나 벤즈이미다졸 또는 트리아졸과 같은 합성 광범위 전신 살진균제를 사용하여 예방된다. 그러나 그들의 사용은 환경과 인간의 건강에 부정적인 영향을 미친다. 살진균제 잔류물은 장기적인 토양 오염 물질이며 무시할 수 없는 양의 이러한 화합물이 덩굴에서 발견될 수 있다. 엄격한 규제가 유해한 결과를 최소화하려고 시도하는 동안, 상황은 대체 살진균 전략의 개발을 요구한다. 이러한 예는 플라스모파라 비티콜라에 대한 항진균 특성을 갖지만 인간에 대한 독성이나 환경에 대한 역효과가 없는 바이오세라믹 질화규소의 전례 없는 사례를 제시한다. 살아있는 포자낭의 라만 분광 평가는 기계적으로 바이오세라믹 표면의 질소 화학이 숙주 감염을 억제하는 역할을 한다는 것을 보여주었다.Downy mildew infection of grapevines is usually prevented by intensive application of fungicides containing copper and sulfur (contact fungicides) or by the use of synthetic broad-spectrum systemic fungicides such as benzimidazoles or triazoles. However, their use negatively affects the environment and human health. Fungicide residues are long-term soil pollutants and non-negligible amounts of these compounds can be found on vines. While stringent regulations attempt to minimize harmful outcomes, the situation calls for the development of alternative fungicidal strategies. An example of this is the plasmopara We present an unprecedented example of a bioceramic silicon nitride that has antifungal properties against B. coli but has no toxicity to humans or adverse effects on the environment. Raman spectroscopic evaluation of live sporangia showed mechanistically that the nitrogen chemistry of the bioceramic surface plays a role in inhibiting host infection.

이 예에서는 질화규소(Si₃N₄)를 사용하여 감염 주기 초기에 시작하는 플라스모파라 비티콜라를 분해하였다. 이 세라믹의 선택은 수성 환경 내에서 고유한 표면 화학을 기반으로 하였다. 항박테리아, 항바이러스 및 항진균 특성을 가지고 있으면서도 여전히 진핵 세포에 친화적이고 지지적이다. 이러한 이유로, Si₃N₄는 포도덩굴 보호를 위한 환경 친화적인 대안으로 간주될 수 있다. 제자리 라만 분광법을 이용하여 포도덩굴 잎에 대한 플라스모파라 비티콜라의 병원성과 Si₃N₄에 의한 불활성화를 제어하는 분자 메커니즘에 대한 통찰력을 제공하였다. 라만 분광법은 마커 없이 살아있는 병원체에 적용할 수 있는 비침습적 방법이므로 시간 경과 실험을 통해 대사 변이를 밝힐 수 있다. 이 방법은 병원체의 구조와 항병원성 제제와의 화학적 상호작용 중에 진화를 모니터링한다.In this example, silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) was used to disrupt Plasmopara viticola starting early in the infection cycle. The selection of this ceramic was based on its unique surface chemistry in an aqueous environment. It has antibacterial, antiviral and antifungal properties while still being friendly and supportive to eukaryotic cells. For this reason, Si ₃ N ₄ can be considered as an environmentally friendly alternative for grapevine protection. Plasmoparagraphs of Grape Vine Leaves Using In Situ Raman Spectroscopy Provided insight into the molecular mechanisms controlling the pathogenicity of Viticola and its inactivation by Si ₃ N ₄ . Since Raman spectroscopy is a non-invasive method that can be applied to living pathogens without markers, it can reveal metabolic alterations through time-lapse experiments. This method monitors the structure of pathogens and their evolution during chemical interactions with antipathogenic agents.

실시예Example 2: 2:

농업 진균의 불활성화에 대한 질화규소의 효과를 보여주기 위해, 카베르네 소비뇽 잎을 3 x 10⁴ 포자 주머니/ml의 농도로 플라스모파라 비티콜라로 감염시켰다. 처리된 플라스모파라 비티콜라는 1분 동안 1.5 부피%의 질화규소의 슬러리에 노출되었다.To show the effect of silicon nitride on the inactivation of agricultural fungi, Cabernet Sauvignon leaves were treated with Plasmopara at a concentration of 3 x 10 ⁴ spore sacs/ml. Infected with Viticola . treated plasmopara Viticola was exposed to a slurry of 1.5% by volume silicon nitride for 1 minute.

도 12a는 카베르네 소비뇽 잎 상의 미처리 플라스모파라 비티콜라 진균을 보여준다. 도 12b는 카베르네 소비뇽 잎 상의 처리 플라스모파라 비티콜라 진균을 보여준다. 1.5 부피% Si₃N₄ 분말로 1분 동안 처리된 플라스모파라 비티콜라로 접종된 잎은 잎 표면의 진균이 더 적은 것을 볼 수 있다. 이는 대조군 및 처리된 플라스모파라 비티콜라로 접종된 카베르네 소비뇽 및 카노나우 잎 모두에 대한 감염된 잎 면적의 백분율을 도시하는 도 13에 의해 추가로 입증된다. 도 13은 대조군과 처리된 진균 사이의 감염된 잎 면적에 대한 통계적 유의 차이를 명확하게 보여준다. 12A shows untreated Plasmopara on Cabernet Sauvignon leaves. Shows viticola fungi. 12b shows Plasmopara treatment on Cabernet Sauvignon leaves Shows viticola fungi. Plasmopara treated for 1 min with 1.5 vol % Si ₃ N ₄ powder Leaves inoculated with Viticola have fewer fungi on the leaf surface. These are the control and plasmopara treated 13 , which shows the percentage of infected leaf area for both Cabernet Sauvignon and Carnonau leaves inoculated with Viticola . Figure 13 clearly shows the statistically significant difference in infected leaf area between control and treated fungi.

질화규소 입자는 도 14b에 도시된 바와 같이 병원체의 포자에 전기적으로 끌리고 부착되는 것으로 보인다. 도 14a는 플라스모파라 비티콜라의 미처리 포자 주머니의 현미경 이미지를 보여주는 반면, 도 14b는 Si₃N₄의 존재에서 플라스모파라 비티콜라의 포자 주머니의 현미경 이미지를 보여준다.The silicon nitride particles appear to be electrically attracted to and attached to the spores of the pathogen, as shown in FIG. 14B . 14a is a plasmopara 14b shows a microscopic image of a spore sac of Plasmopara viticola in the presence of Si ₃ N ₄ , while showing a microscopic image of an untreated spore sac of Vitticola .

실시예Example 3: 3:

2018년 밭에서 수확된 플라스모파라 비티콜라(P. 비티콜라) 단리물은 문헌[Polesani 등, "General and species-specific transcriptional responses to downy mildew infection in a susceptible (Vitis vinifera) and a resistant (V. riparia) grapevine species," BMC Genomics 11:117 (2010)]에 기재된 바와 같이 성장된다. Si₃N₄의 가능한 식물독성을 평가하기 위해, 두 가지 다른 포도 품종인 카베르네 소비뇽과 카노나우를 사용하여 처리를 수행하였다. 카베르네 소비뇽 잎은 3년생 식물에서 채취한 반면, 카노나우 잎은 온실에서 통제된 조건(16시간 명/8시간 암, 온도 범위 18-28℃)에서 자란 어린 묘목에서 채취하였다. Plasmopara harvested from the field in 2018 Viticola ( P. viticola ) isolates are described in Polesani et al., "General and species-specific transcriptional responses to downy mildew infection in a susceptible ( Vitis vinifera ) and a resistant ( V. riparia ) grapevine species," BMC Genomics 11:117 (2010)]. To evaluate the possible phytotoxicity of Si ₃ N ₄ , treatments were performed using two different grape varieties, Cabernet Sauvignon and Canonau. Cabernet Sauvignon leaves were taken from three-year-old plants, whereas Canonau leaves were taken from young seedlings grown in a greenhouse under controlled conditions (16 h light/8 h dark, temperature range 18-28°C).

입자 크기가 약 2 μm인 Si₃N₄ 분말을 사용하였다. 90 중량% α-Si₃N₄, 6 중량% 산화 이트륨(Y₂O₃) 및 4 중량% 산화 알루미늄(Al₂O₃)의 공칭 조성을 갖는 소결된 β-Si₃N₄ 분말을 분쇄하여 얻었다. 구성성분은 ~1700℃에서 3시간 이상 동안 소결되었고 약 1600℃에서 2시간 동안 열간 등압 압축되었다. 제조 후, 멸균 증류수에 현탁시키기 전에 180℃에서 2시간 동안 가열 멸균하였다.Si ₃ N ₄ powder having a particle size of about 2 μm was used. A sintered β-Si ₃ N 4 powder having a nominal composition of 90 wt % α-Si 3 N ₄ , 6 _wt % yttrium oxide (Y ₂ O ₃ ) and ₄ wt % aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) was obtained by grinding. . The components were sintered at ˜1700° C. for at least 3 hours and hot isostatically pressed at about 1600° C. for 2 hours. After preparation, heat sterilization was performed at 180° C. for 2 hours before suspension in sterile distilled water.

예방 효능 평가를 위해, 각 포도 품종에 대해 멸균된 잎에서 5개의 디스크로 구성된 3개의 로트를 절단하였다. 하나의 로트를 1분 동안 Si₃N₄의 1.5 부피% 수성 현탁액에 완전한 침지로 처리하고 24시간 후에 발아된 포자낭 현탁액(3x10⁴/mL) 40μL로 접종하였다(전처리된 샘플). 두 번째 로트는 1.5 부피% Si₃N₄ 현탁액과 조합된 포자낭에 노출되었다. 이 경우, Si₃N₄ 과립은 발아하는 동안 포자낭과 직접 접촉한 상태를 유지하였다(공동 처리된 샘플). 세 번째 로트에는 P. 비티콜라를 접종하고 감염 대조군으로 사용하였다. 모든 디스크는 각각 16시간 및 8시간의 낮/밤 광주기로 21-24℃의 성장 챔버에서 인큐베이션되었고, 대조군에 포자가 나타날 때까지 6일 동안 모니터링되었다.For evaluation of prophylactic efficacy, 3 lots of 5 discs were cut from sterilized leaves for each grape variety. One lot was treated by complete immersion in a 1.5 vol % aqueous suspension of Si ₃ N ₄ for 1 min and 24 hours later inoculated with 40 μL of germinated sporangium suspension (3×10 ⁴ /mL) (pretreated sample). A second lot was exposed to sporangia combined with a 1.5 vol % Si ₃ N ₄ suspension. In this case, the Si ₃ N ₄ granules remained in direct contact with the sporangia during germination (co-treated samples). The third lot was inoculated with P. viticola and used as an infection control. All discs were incubated in a growth chamber at 21-24° C. with a day/night photoperiod of 16 hours and 8 hours, respectively, and monitored for 6 days until spores appeared in the control group.

잠재적 치유 효과를 평가하기 위해, 감수성이 매우 높은 술타나 품종의 멸균된 포도덩굴 잎에서 각각 6개의 디스크로 구성된 3개의 로트를 절단하였다. 3개 로트 모두 40 μL의 포자낭 현탁액(3x10⁴/ml)을 사용하여 P. 비티콜라로 접종하고 21-24℃의 성장 챔버에서 16/8시간의 낮/밤 광주기로 인큐베이션하여 감염이 시작되도록 하였다. 액적은 이전에 논의된 것과 동일한 절차로 24시간 후에 제거되었다. 감염 출현 3일 후, 2개의 로트를 1분 동안 Si₃N₄의 1.5 부피% 수성 현탁액에 완전한 침지로 처리하였다. 그 다음, 2개 로트 중 하나를 증류수로 1분 동안 세척하여 Si₃N₄ 잔류물을 제거하였다. 세 번째 로트는 대조군으로 미처리 상태로 두었다.To evaluate the potential healing effect, three lots of six discs each were cut from sterilized vine leaves of the highly susceptible cultivar Sultana . All three lots were inoculated with P. viticola using 40 μL of the sporangial suspension (3×10 ⁴ /ml) and incubated in a growth chamber at 21-24° C. with a day/night photoperiod of 16/8 hours to initiate infection. . Droplets were removed after 24 hours with the same procedure discussed previously. Three days after emergence of infection, two lots were treated by complete immersion in a 1.5 vol % aqueous suspension of Si ₃ N ₄ for 1 minute. Then, one of the two lots was washed with distilled water for 1 minute to remove the Si ₃ N ₄ residue. A third lot was left untreated as a control.

현미경검사 관찰microscopic observation

물에 현탁된 포자낭 또는 1.5 부피% Si₃N₄ 현탁액(3x10⁴ 포자낭/mL)을 에피형광 현미경(여기 필터 BP 340-380 nm; 이색성 거울 400 nm; 억제 필터 LP > 430 nm)에서 관찰하거나 플루오레세인 디아세테이트 (FDA)로 염색하고, 형광 현미경으로 관찰하여 3시간 동안 포자낭 생존력을 점검하였다. 수 처리된 대조군과 비교하여 생존 가능한 포자낭의 백분율을 계산하기 위해 세포 계수

챔버에서 관찰이 이루어졌다.Sporangia suspended in water or a 1.5 vol % Si ₃ N ₄ suspension (3x10 ⁴ sporangia/mL) were observed under an epifluorescence microscope (excitation filter BP 340-380 nm; dichroic mirror 400 nm; suppression filter LP > 430 nm) or Spore viability was checked for 3 hours by staining with fluorescein diacetate (FDA) and observing under a fluorescence microscope. Cell counting to calculate the percentage of viable sporangia compared to water-treated controls

Observations were made in the chamber.

pH 측정 pH measurement

멸균 이중 증류수의 pH는 15 부피% Si₃N₄ 분말을 첨가한 후 pH 미터로 측정되었다. 최종 pH 안정화까지 10초 간격으로 최대 800초 동안 실온에서 교반하면서 측정을 수행하였다. pH 경향가 재현 가능한지 점검하기 위해, 테스트된 분말 샘플을 원심분리(13x10³ RPM, 3분)로 분리하고 180℃ 공기 중에서 2시간 동안 건조하였다. 실온으로 냉각한 후, 추가적인 pH 측정을 위해 분말을 동일한 물 농도(즉, 1.5 부피%)에서 재현탁시켰다. 동일한 분말을 사용하여 절차를 3회 후속 주기 동안 반복하였다.The pH of sterile double distilled water was measured with a pH meter after adding 15 vol % Si ₃ N ₄ powder. Measurements were taken with stirring at room temperature for up to 800 seconds at 10 second intervals until final pH stabilization. To check if the pH trends were reproducible, the tested powder samples were separated by centrifugation (13x10 ³ RPM, 3 minutes) and dried in air at 180° C. for 2 hours. After cooling to room temperature, the powder was resuspended in the same water concentration (i.e., 1.5% by volume) for further pH measurement. The procedure was repeated for 3 subsequent cycles using the same powder.

제자리in place 라만 분광법 Raman spectroscopy

제자리 라만 스펙트럼은 Si₃N₄ 분말이 있거나 없는 수용액에 현탁된 포자낭 샘플에서 수집되었다. 라만 스펙트럼은 50x 광학 렌즈가 있는 마이크로프로브 모드에서 작동하는 전용 기기를 사용하여 얻었다. 분광기에는 고효율 및 고해상도 스펙트럼 획득을 동시에 허용하는 홀로그램 노치 필터가 장착되어 있다. 15 mW의 파워에서 785 nm 레이저 소스로 여기를 만들었다. 라만 산란광은 공냉식 전하 결합 소자(CCD) 검출기와 연결된 단일 단색화 장치를 사용하여 모니터링되었다. 한 스펙트럼의 획득 시간은 일반적으로 60초이다. 다른 포자낭 샘플에 대한 스펙트럼은 ~10개의 다른 수집 위치에 대해 평균화되었다. 상업적으로 입수가능한 소프트웨어(예를 들어 LabSpec 4.02)를 사용하여 라만 스펙트럼을 Gauss-Lorentz 교차 곱 하위 대역 구성요소로 분리하였다. 출판된 문헌에 따라 스펙트럼 대역 배정이 이루어졌다.In situ Raman spectra were collected on samples of sporangia suspended in aqueous solutions with or without Si ₃ N ₄ powder. Raman spectra were obtained using a dedicated instrument operating in microprobe mode with a 50x optical lens. The collimator is equipped with a holographic notch filter that allows simultaneous high-efficiency and high-resolution spectral acquisition. Excitation was made with a 785 nm laser source at a power of 15 mW. Raman scattered light was monitored using a single monochromator coupled to an air-cooled charge-coupled device (CCD) detector. The acquisition time for one spectrum is typically 60 seconds. Spectra for different sporangia samples were averaged over ~10 different collection locations. Raman spectra were separated into Gauss-Lorentz cross product subband components using commercially available software (e.g. LabSpec 4.02). Spectral band assignments were made according to published literature.

실시예Example 4: 4:

수성 현탁액에서 in aqueous suspension SiSi ₃₃ NN ₄₄ 분말의 pH 분석 pH analysis of powder

15 부피% Si₃N₄ 물-현탁액에 대한 시간의 함수로서의 pH 변화가 도 1a 내지 1c에 보여진다. 이 pH 실험은 일정량의 Si₃N₄ 분말을 분무한 후 포도밭에 주기적으로 내리는 비의 영향을 시뮬레이션하기 위해 고안되었다. 현탁액, 측정 및 건조를 수반하는 3개의 연속적인 반복 시험이 도 1a, 1b 및 1c에 각각 제공된다. 실행 순서와 무관하게, 플롯은 초기 중성 값(pH~7.5)에서 최대(pH~8.3)까지 pH가 갑자기(몇 초 내에) 증가하는 것으로 나타났다. 첫 번째와 두 번째 실행에 대한 곡선은 매우 유사했으며, 세 번째 실행에서는 모든 시도에서 안정기(pH~6.3-6.7)가 비슷했지만 시간이 지남에 따라 더 가파른 감소를 보였다. pH 현미경검사와 비색 암모니아 검정을 사용한 이전 연구에서 특징지어진 이 현상은 Si₃N₄ 표면에서 Si-N 결합의 절단 및 용출된 질소와 수소가 암모니아 (NH₃) 또는 암모늄 (NH₄ ⁺)를 형성하는 반응과 관련이 있다. 개방형 시스템에서는 약 5분 안에 pH가 6.3-6.7로 점진적으로 떨어진다. 용액에서 NH₃의 분율은 pH에 반비례하기 때문에, 시간 의존 데이터는 휘발성이 높은 NH₃의 분율이 증가하여 수성 시스템을 떠난다는 것을 시사한다. 이는 전형적인 매운 암모니아 냄새와 함께 Si₃N₄ 분말의 분산 직후 생성된 기포(도 1d)를 직접 관찰함으로써 확인되었다. pH ~8.3에서, NH₃의 분율은 7-10%로 계산된 반면, 산성 용액에서는 거의 0이었다. 이러한 결과는 Si₃N₄ 분말의 일부가 잎 주름에 부착되거나 잎 공동에 갇혀 있다고 가정할 때 동일한 Si₃N₄ 분말이 순차적인 우천 동안 연장된 pH 버퍼링을 제공할 수 있음을 보여준다.The pH change as a function of time for a 15 vol % Si ₃ N ₄ water-suspension is shown in FIGS. 1A - 1C . This pH experiment was designed to simulate the effect of periodic rain on the vineyard after spraying a certain amount of Si ₃ N ₄ powder. Three successive replicate tests involving suspension, measurement and drying are presented in Figures 1a , 1b and 1c , respectively. Regardless of the run order, the plot showed a sudden (within seconds) increase in pH from an initial neutral value (pH~7.5) to a maximum (pH~8.3). The curves for the first and second runs were very similar, and the third run had a similar plateau (pH~6.3-6.7) across all trials, but a steeper decline over time. Characterized in previous studies using pH microscopy and colorimetric ammonia assays, this phenomenon is characterized by cleavage of Si-N bonds on the Si ₃ N ₄ surface and elution of nitrogen and hydrogen to form ammonia (NH ₃ ) or ammonium (NH ₄ ⁺ ). It is related to the reaction of In an open system, the pH gradually drops to 6.3-6.7 in about 5 minutes. Since the fraction of NH ₃ in solution is inversely proportional to pH, the time-dependent data suggest that an increasing fraction of the highly volatile NH ₃ leaves the aqueous system. This was confirmed by direct observation of air bubbles generated immediately after dispersion of the Si ₃ N ₄ powder ( FIG. 1d ) with a typical pungent ammonia odor. At pH ~8.3, the fraction of NH ₃ was calculated to be 7-10%, whereas in acidic solutions it was almost zero. These results show that the same Si ₃ N ₄ powder can provide extended pH buffering during sequential rainy weather, assuming that some of the Si ₃ N ₄ powder is attached to leaf wrinkles or trapped in leaf cavities.

포자낭/sporangia/ SiSi ₃₃ NN ₄₄ 과립 상호작용의 granule interaction 제자리in place 현미경 microscope 모니터링monitoring

도 2a 내지 2c는 Si₃N₄ 분말의 과립과 상호작용하는 수성 현탁액 중의 포자낭의 현미경 사진을 보여준다. 유사한 현미경 사진이 순수한 물에서 포자낭에 대한 도 2d 내지 2f에 주어진다. Si₃N₄는 포자낭의 외부 벽에 정전기적으로 끌리는 것으로 보였다. 포자낭이 현탁액에 도입되자마자 접촉이 일어났다. 이로 인해 1분도 안 되어 벽이 조기 파열되었다(도 2a 내지 2c 참조). 반대로, 순수한 물에 있는 포자낭은 약 110분 후에야 성숙한 유주자를 방출하였다 (도 2d 내지 2f 참조). 흥미롭게도, Si₃N₄ 과립과 접촉해도 파열되지 않는 포자낭의 분획이 있었다. 그들은 점차적으로 Si₃N₄ 과립에 의해 덮였지만 몇 시간 후까지 유주자를 방출하지 않았다(도 2g 내지 2k의 시간 경과 현미경 사진 참조). 종합적으로, 이러한 현미경 사진은 공격적인 환경이 포자낭 근처에서 발생했음을 보여주었다. 도 1a 내지 1c에 나타낸 바와 같이 증가된 pH와 커플링된 암모니아 기체 기포의 존재는 포자낭의 세포벽을 쉽게 관통하는 휘발성 분자인 기체 암모니아의 생성과 관련이 있다. 유사하게, 진균 세포는 해리되지 않은 분자의 자유 확산에 의해 세포로 들어가는 암모니아에 투과성이다. 2a - 2c show micrographs of sporangia in aqueous suspension interacting with granules of Si ₃ N ₄ powder. Similar micrographs are given in Figures 2d to 2f for sporangia in pure water. Si ₃ N ₄ appeared to be electrostatically attracted to the outer wall of the sporangia. Contact occurred as soon as the sporangia were introduced into the suspension. This resulted in premature rupture of the wall in less than 1 minute (see FIGS. 2A - 2C ). Conversely, sporangia in pure water only released mature zoospores after about 110 min (see Figs. 2d to 2f ). Interestingly, there was a fraction of sporangia that did not rupture upon contact with Si ₃ N ₄ granules. They were gradually covered by Si ₃ N ₄ granules but did not release zoospores until several hours later (see time-lapse micrographs of FIGS. 2g to 2k ). Collectively, these micrographs showed that an aggressive environment developed near the sporangia. As shown in FIGS. 1A - 1C , the presence of ammonia gas bubbles coupled with increased pH is associated with the production of gaseous ammonia, a volatile molecule that readily penetrates the cell wall of the sporangia. Similarly, fungal cells are permeable to ammonia that enters the cell by free diffusion of undissociated molecules.

1분 미만의 접촉 시간에서 포자낭의 막과 Si₃N₄ 과립 사이의 상호작용의 상세한 관찰이 도 3a에 보여진다. 삽입된 제곱 영역의 확대도가 도 3b에 보여진다. 이 확대는 임박한 파열 및 미성숙한 유주자의 방출을 암시하는 막의 국부적 팽창(즉, 볼록한 곡률)을 보여준다. Si₃N₄ 과립과 접촉한 포자낭의 생존을 광학 및 형광 현미경검사로 모니터링하여 세라믹의 항진균 효과를 정량화하였다. 도 4a 및 4b는 각각 1.5 부피% Si₃N₄ 과립이 있는 경우와 없는 경우 3시간 동안 물에 현탁된 농도 10⁵ mL^-1의 살아있는 포자낭의 형광 이미지를 나타낸 다음, 플루오레세인 디아세테이트로 염색한 것이다. (광학 현미경검사에 의한) 포자낭의 전체 분획과 형광 이미지의 직접 계수에 의해 검출된 살아 있는 포자낭의 동시 정량화는 도 4c에 보여진 분획 플롯을 제공하였다. 순수한 물과 비교할 때 Si₃N₄ 과립을 함유하는 현탁액에 대해 명확한 항진균 효과가 관찰되었다.A detailed observation of the interaction between the membrane of the sporangia and the Si ₃ N ₄ granules at a contact time of less than 1 minute is shown in FIG. 3a . An enlarged view of the inset squared area is shown in Fig. 3b . This magnification shows local swelling (i.e., convex curvature) of the membrane suggesting imminent rupture and release of immature zoospores. The survival of sporangia in contact with the Si ₃ N ₄ granules was monitored by optical and fluorescence microscopy to quantify the antifungal effect of the ceramics. 4a and 4b show fluorescence images of live sporangia suspended in water at a concentration of 10 ⁵ mL ^-1 for 3 hours with and without 1.5% Si ₃ N ₄ granules, respectively, and then stained with fluorescein diacetate it did Simultaneous quantification of the total fraction of sporangia (by light microscopy) and live sporangia detected by direct counting of fluorescence images provided the fraction plot shown in Figure 4c . A clear antifungal effect was observed for suspensions containing Si ₃ N ₄ granules when compared to pure water.

P. P. 비티콜라에to viticola 대한 예방 및 치유 Prevention and cure for SiSi ₃₃ NN ₄₄ 효능 efficacy 모니터링monitoring

2개의 포도덩굴 종인 카베르네 소비뇽과 카노나우의 잎 디스크에 대한 실험 결과가 도 5a 내지 5c 및 도 6a 내지 6c에 나타나 있다. 처리된 감염되지 않은 잎을 입체현미경으로 육안 검사한 결과 실험 5일 동안 식물독성 징후가 나타나지 않았다. 두 경우 모두 두 번의 실험 실행 각각에 대해 5개의 잎 디스크 샘플을 테스트했으며(n=10), 두 실험 실행 모두 유사한 결과를 보여준다. 대조군 샘플을 동시에 검사하였다. 모든 대조 잎 디스크는 감염을 보였다. 카베르네 소비뇽 잎 디스크에 대한 병원체 포자형성은 접종 5일 후에 발생하였다(도 5a). 카노나우의 경우, 대조 잎 디스크의 감염은 더 심각했으며(도 6a), 대부분의 경우 감염된 지점의 괴사를 초래하였다. 이것은 매우 민감한 품종이나 어린 부드러운 잎 조직에서 종종 관찰된다. 실험 5일 동안 식물독성은 관찰되지 않았다. Si₃N₄로 사전 처리되거나 공동 처리된 샘플에 대해 완전한 감염 예방이 관찰되었다(패널은 각각 도 5a 및 5c에 나타냄). 카노나우 종의 경우, 전체 보호는 전처리된 샘플에서 5개의 잎-디스크 중 3개에서만 관찰된 반면(도 6b), 공동 처리된 디스크에서는 포자 형성의 징후가 없었다(도 6c). Experimental results for leaf discs of two grapevine species, Cabernet Sauvignon and Canonau, are shown in FIGS. 5A to 5C and 6A to 6C . Visual inspection of the treated uninfected leaves under a stereomicroscope showed no signs of phytotoxicity during the 5 days of the experiment. In both cases, five leaf disc samples were tested for each of the two experimental runs (n = 10), and both experimental runs show similar results. Control samples were tested simultaneously. All control leaf discs showed infection. Pathogen sporulation on Cabernet Sauvignon leaf discs occurred 5 days after inoculation (FIG. 5A). In the case of Canonau , infection of control leaf discs was more severe (Fig. 6a ), and in most cases resulted in necrosis of the infected spot. This is often observed in very sensitive cultivars or young soft leaf tissues. Phytotoxicity was not observed during the 5 days of the experiment. Complete infection prevention was observed for samples pre- or co-treated with Si ₃ N ₄ (panels are shown in FIGS. 5A and 5C , respectively). Kanonau For species , total protection was only observed in 3 out of 5 leaf-discs in the pretreated sample (Fig. 6b ), whereas there were no signs of sporulation in the co-treated discs (Fig. 6c ).

Si₃N₄의 잠재적 치료 효과는 감염 3일 후 매우 민감한 술타나 품종을 처리하여 추가로 평가되었다. 잔여 Si₃N₄ 과립이 기공에 남아 있을 수 있기 때문에, 이 테스트는 비교적 진행된 감염 상태에서 병인이 멈출 수 있는지 여부를 조사하였다. 다시 말해서, 이 실험은 Si₃N₄가 잎 조직 내부의 균사체에 어떤 영향을 미치거나 새로운 포자낭의 방출을 차단하는지 확인하고자 하였다. P. 비티콜라는 세포간 공간을 집락화하고 엽육 세포에서 기생근을 생성했지만 아직 검출가능한 포자형성은 없는 것으로 관찰되었다. 이것은 일반적으로 5 내지 6일 내에 발생했을 것이다. 이 경우 습식 Si₃N₄ 과립이 부분적으로 기공을 관통한 것으로 보인다. 과립에서 질소의 차후 용출은 P. 비티콜라가 균사를 발달시키는 세포내 공간으로 확산되었을 가능성이 있다. 이 억제 메커니즘은 중탄산염 음이온이 병원체를 죽이기에 충분한 NH₃ 농도를 설정하는 데 필요한 알칼리도를 공급하는 중탄산암모늄의 항진균 효과와 유사하다.The potential therapeutic effect of Si ₃ N ₄ was further evaluated by treating highly sensitive Sultana cultivars 3 days after infection. Since residual Si ₃ N ₄ granules may remain in the stomata, this test investigated whether pathogenesis could be halted in a relatively advanced infection state. In other words, this experiment was intended to determine how Si ₃ N ₄ affects the mycelium inside the leaf tissue or blocks the release of new sporangia. It was observed that P. viticola colonized the intercellular spaces and produced parasitic roots in the mesophyll cells, yet no detectable sporulation. This would normally have occurred within 5 to 6 days. In this case it appears that the wet Si ₃ N ₄ granules partially penetrated the pores. Subsequent elution of nitrogen from the granules is likely due to diffusion into the intracellular space where P. viticola develops hyphae. This inhibitory mechanism is similar to the antifungal effect of ammonium bicarbonate, where the bicarbonate anion supplies the necessary alkalinity to establish an _NH3 concentration sufficient to kill pathogens.

살아있는 포자낭의 of living sporangia 제자리in place 라만 분광 Raman spectroscopy 모니터링monitoring

순수한 물 및 1.5 부피% Si₃N₄ 분말을 함유하는 현탁액에서 10분 동안 실온 침지 후 수집된 P. 비티콜라의 라만 스펙트럼은 각각 도 7a 및 7b에 보여진다. 스펙트럼은 424 cm^-1에서 관찰된 산란 강도에 대해 정규화되었다(미도시). 골격 진동을 나타내는 이 신호는 모든 글루칸에 공통적인 비특이적 마커이다. Si₃N₄ 분말이 있는 경우와 없는 경우 수성 노출에 대한 주목할 만한 차이를 나타내지 않았다. 그 다음 스펙트럼을 보이그티안(Voigtian) 하위 대역으로 디컨볼루션하고 비교하였다. 두 스펙트럼 사이의 분명한 차이는 난균 구조의 변화 때문이다. 각 스펙트럼에 대한 디컨볼루션된 라만 밴드는 도 7a 및 7b에 보여지며, 관련 할당 및 참조는 아래 표 1에 나열되어 있다. The Raman spectra of P. viticola collected after immersion at room temperature for 10 minutes in suspension containing pure water and 1.5% by volume Si ₃ N ₄ powder are shown in Figures 7a and 7b , respectively. The spectra were normalized to the scattering intensity observed at 424 cm ⁻¹ (not shown). This signal representing backbone vibration is a non-specific marker common to all glucans. There was no appreciable difference for aqueous exposure with and without Si ₃ N ₄ powder. The spectra were then deconvolved into Voigtian subbands and compared. The clear difference between the two spectra is due to changes in oocyte structure. The deconvolved Raman bands for each spectrum are shown in Figures 7a and 7b , and the associated assignments and references are listed in Table 1 below.

순수한 물에 노출된 포자낭의 스펙트럼Spectrum of sporangia exposed to pure water

난균은 최근 업데이트된 분류에 따라 스트라메노필레스에서 재분류되었다. 주요 구조적 특징은 벽에 셀룰로스, 탄소 기반 에너지원으로 글리코겐 대신 미콜라미나린을 포함하고, 키틴이 현저히 부족하다는 점이다. P. 비티콜라와 밀접한 관련이 있는 난균 파이토프토라 파라시티시아의 탄수화물 함량에 대한 최근 분석에서 세포벽에는 키틴이 전혀 없고 ~85%의 β-글루칸으로 구성되어 있으며 그 중 약 40%는 셀룰로스로 나타남이 밝혀졌다. 중합 수준이 낮은 1,3 β-글루칸 및 1,3,6 β-글루칸도 더 낮은 분율의 글루쿠론산 및 만난과 함께 존재하였다. 이러한 자세한 정보는 P. 비티콜라에 대해 사용할 수 없지만 이전 증거에 따르면 이 병원체는 페로노스포랄레스에서 가장 잘 알려진 다른 유기체와 약간 다를 수 있다. 실제로, P. 비티콜라는 적어도 2개의 상이한 키틴 합성효소를 발현할 수 있고, 키틴은 플란타(planta) 성장 동안 포자낭, 포자낭포 및 균사 세포벽의 표면에서 검출되었다.Oomycetes were recently reclassified under Stramenophiles according to an updated classification. The main structural features are cellulose in the walls, the inclusion of mycolaminarin instead of glycogen as a carbon-based energy source, and a marked lack of chitin. Phytophthora, an oomycete closely related to P. viticola A recent analysis of the carbohydrate content of Paracytitsia revealed that the cell wall is completely devoid of chitin and is composed of ~85% β-glucan, of which approximately 40% is cellulose. 1,3 β-glucan and 1,3,6 β-glucan with low levels of polymerization were also present with lower fractions of glucuronic acid and mannan. Although such detailed information is not available for P. viticola , previous evidence suggests that this pathogen may differ slightly from the other best-known organisms in Peronosporales . Indeed, P. viticola can express at least two different chitin synthetases, and chitin has been detected on the surface of sporangia, sporangia and hyphal cell walls during planta growth.

난포자가 휴면 상태일 때(이 경우와 같이), 포자낭의 구조는 세포질 전체에 분포된 큰 지질 소구체로 구성되어 전체 세포 내강을 채운다. 그들은 난포자 발아를 위한 저장 물질 역할을 한다. 미토콘드리아는 지질 소구체 사이의 작은 간극에 존재한다. 소구체 (또는 액포)는 크기가 다르며 상대적으로 사이공간에 함유되어 있다. 난균의 전체 외부 벽은 복잡하고 외부 및 내부 난포자 벽 (각각 OOW 및 IOW)의 두 층으로 나뉜다. OOW와 IOW는 얇은 약간 기복 있는 원형질 막에 의해 서로 분리된다. IOW는 주로 β-1,3-연결 글루칸(~80%; N-아세틸 글루코사민으로 형성된 단독중합체인 키틴 포함), 셀룰로스(~10%) 및 단백질(벽 연관 효소 및 구조 단백질로 구성된다. 글루칸은 IOW 구조에서 우세한 화학종이다. 이들은 만노스 및 글루코사민의 소량 분획과 함께 곧은 평행 어레이로 배향된 셀룰로스 성질의 피브릴을 함유한다. 키틴은 벽의 강성과 강도에 기여하기 때문에 중요한 구조적 기능을 가지고 있다. OOW는 주로 만난과 β-1,6-글루칸으로 내벽에 연결하는 단백질로 구성되지만 지질도 함유한다. 난포자 벽은 외측에 더 두꺼운 원섬유성 벽으로 설정되고 주변 세포질 공간에 의해 난포자와 분리되며 상대적으로 많은 양의 지질과 단백질을 함유한다. 지질은 구조에 소수성을 부여하며 이는 휴면 상태에서 병원체를 안전하게 유지하는 데 필요하다. 문헌[Negrel 등]은 최근 플라스모파라 특정 대사산물을 검색하고 비정형 지질의 세 가지 유형인 세라미드, 아라키돈산 및 에이코사펜타엔산 유도체를 확인하였다. 이러한 지질은 발달 초기 단계부터 P. 비티콜라에 존재하는 것으로 보고되었다.When the oocyte is dormant (as in this case), the structure of the sporangium consists of large lipid globules distributed throughout the cytoplasm, filling the entire cell lumen. They serve as storage materials for oocyte germination. Mitochondria reside in the small gaps between lipid globules. Globules (or vacuoles) are of different sizes and are relatively contained in interspaces. The entire outer wall of the oomycete is complex and is divided into two layers: the outer and inner oocyst wall (OOW and IOW, respectively). OOW and IOW are separated from each other by a thin, slightly undulating plasma membrane. IOW consists primarily of β-1,3-linked glucans (~80%; including chitin, a homopolymer formed from N-acetyl glucosamine), cellulose (~10%) and proteins (wall-associated enzymes and structural proteins. Glucans are The dominant species in the structure of IOW.They contain fibrils of a cellulosic nature oriented in straight parallel arrays with minor fractions of mannose and glucosamine.Chitin has an important structural function as it contributes to the stiffness and strength of the wall. The OOW consists mainly of mannan and β-1,6-glucan, a protein that connects to the inner wall, but also contains lipids.The follicle wall is set on the outside with a thicker fibrillar wall and is separated from the follicle by a periplasmic space. Contains a relatively large amount of lipids and proteins. Lipids impart hydrophobicity to the structure , which is necessary to keep the pathogen safe in a dormant state. Specific metabolites were searched and three types of atypical lipids were identified: ceramide, arachidonic acid and eicosapentaenoic acid derivatives. These lipids have been reported to be present in P. viticola from an early stage of development.

이러한 구조적 특징은 도 7a의 라만 스펙트럼에서 관찰되었다 (또한 표 1 참조). 진균 구조의 경우, P. 비티콜라의 세포벽은 주로 분지형 폴리머성 글루코스 함유 β-글루칸, 비-분지형 폴리머성 N-아세틸-D-글루코사민 함유 키틴 및 글리코/만노 단백질과 공유 결합된 폴리머성 만노스를 함유한 다당류로 구성된다. 단백질과 지질은 다당류에 비해 전체의 소량 분획만을 나타낸다. 따라서 탄수화물 진동 방식이 라만 스펙트럼을 지배할 것으로 예상된다. 백본 글루코스 고리의 누적 신호는 482 cm^-1에서 밴드 1에서 발견되었다. 벽에서 키틴에 의해 기여된 밴드는 643, 649, 710 및 893 cm^-1에서 발견되며 각각 밴드 14, 15, 19(=C-H 굽힘) 및 33(C-H 고리 스트레칭)으로 표시된다. 이러한 밴드는 모두 키틴과 관련이 있을 수 있지만 실제로 키틴은 연구된 난균 샘플의 탄수화물 중에서 소량 성분일 것으로 예상된다. 밴드 19 및 33에 대한 더 정황적 할당은 셀룰로스인 반면, 밴드 14 및 15는 둘 다 선형 폴리머 셀룰로스의 β-D-글루코스에 할당될 수도 있다. 셀룰로스와 아밀로펙틴의 지문 신호는 583 cm^-1에서 발견되었다(밴드 9; C-C-O 굽힘 및 C-O 비틀림 진동). 벽의 구조에서 예상한 대로, 893 cm^-1(적도 C-H 굽힘 진동)에서 표시된 신호가 발견되었으며, 이는 β-글루칸에 대한 마커 역할을 하였다. α-글루칸에 대한 지문 진동인 550 cm^-1(글리코시드 결합의 C-O-C 굽힘)에서 라만 신호의 부재는 이 다당류 이성질체가 진균 벽의 우세한 구성 요소가 아님을 나타낸다. 이러한 이유로, 942 cm^-1(반-대칭 고리 진동)에서 라만 신호에 대한 α-글루칸의 기여도는 도 7a의 스펙트럼에서 제외되었다. 유사한 추론이 922 cm^-1에서 발생해야 하는 덱스트란 구조의 고리 진동과 550 cm^-1에서 글리코시드 신호에 적용되었다. 물에 노출된 P. 비티콜라의 스펙트럼에서는 이들 중 어느 것도 검출되지 않았다. 이러한 관찰은 본 난균 구조에서 이 복합 글루칸의 우세한 존재를 배제한다. 도 7a의 490 내지 560 cm^-1의 좁은 스펙트럼 영역에서, 밴드 2 및 3(각각 500 및 558 cm^-1에서)은 다당류, D(+)-만노스에서 C-C 백본 스트레칭으로부터의 신호인 반면, 밴드 4, 5 및 7(각각 510, 535 및 558 cm^{- 1})은 셀룰로스, 트레할로스(고리 변형) 및 β-D-글루코스에 각각 지정된다(표 S1 참조). 이당류 트레할로스는 603 cm^-1에서 밴드 11의 기여자이며 또한 밴드 6 및 30(각각 544 및 837 cm^-1)에 기여한다. 밴드 31 및 34(각각 846 및 906)에 대한 트레할로스 기여는 아마도 다른 탄수화물 구조와 비교하여 더 낮은 중량일 것이다(표 S1 참조). 보다 구체적으로, 밴드 31은 글루코스와 글루칸의 강한 누적 신호를 나타내지만 트리글리세리드의 여러 중간/강한 신호도 함유한다(표 S1 참조). 트레할로오스는 에너지원이자 환경 스트레스에 대한 보호 분자이기 때문에 많은 진균 종의 대사에서 중요한 분자이다. 예를 들어, 칸디다 알비칸스는 비-환원 트레할로스 이당류의 합성을 촉진하고 열이나 산화 스트레스에 반응하여 축적한다. 포도덩굴에서, P. 비티콜라는 비가역 기공 개방을 유도하는 것으로 알려져 있으며, 이는 유주자에 의한 숙주 감염을 선호하며, 이러한 탈조절은 외인성으로 적용되는 트레할로스 길항 기공 폐쇄와 함께 트레할로스 축적과 관련이 있다. 따라서, 포자낭에서 상승된 수준의 트레할로스의 존재는 포도덩굴 잎의 감염을 촉진하는 신호를 나타낼 수 있다.These structural features were observed in the Raman spectrum of FIG. 7a (see also Table 1). For the fungal structure, the cell wall of P. viticola consists mainly of branched polymeric glucose-containing β -glucans, non-branched polymeric N -acetyl- D -glucosamine-containing chitin and polymeric mannose covalently linked to glyco/manno proteins. It is composed of polysaccharides containing Proteins and lipids represent only a small fraction of the total compared to polysaccharides. Therefore, the carbohydrate vibration mode is expected to dominate the Raman spectrum. The cumulative signal of the backbone glucose ring was found in band 1 at 482 cm ⁻¹ . Bands contributed by chitin in the wall are found at 643, 649, 710 and 893 cm ⁻¹ and are denoted as bands 14, 15, 19 (=CH bending) and 33 (CH ring stretching), respectively. All of these bands could be related to chitin, but in practice chitin is expected to be a minor component of the carbohydrates in the oomycete samples studied. A more contextual assignment to bands 19 and 33 is cellulose, while bands 14 and 15 can both be assigned to β-D-glucose of the linear polymer cellulose. Fingerprint signals of cellulose and amylopectin were found at 583 cm ^-1 (band 9; CCO bending and CO torsional vibrations). As expected from the structure of the wall, a marked signal was found at 893 cm ^-1 (equatorial CH bending vibration), which served as a marker for β-glucan. The absence of a Raman signal at 550 cm ⁻¹ (COC bending of glycosidic bonds), the fingerprint oscillation for α-glucan, indicates that this polysaccharide isomer is not a dominant component of the fungal wall. For this reason, the contribution of α-glucan to the Raman signal at 942 cm ⁻¹ (half-symmetric ring vibration) was excluded from the spectrum in FIG . 7a . Similar reasoning was applied to the ring vibration of the dextran structure, which should occur at 922 cm ^-1 and the glycosidic signal at 550 cm ^-1 . None of these were detected in the spectrum of P. viticola exposed to water. This observation rules out the predominant presence of this complex glucan in the oomycete structure. In the narrow spectral region from 490 to 560 cm ⁻¹ in FIG. 7a , bands 2 and 3 (at 500 and 558 cm ⁻¹ , respectively) are signals from the CC backbone stretching in the polysaccharide, D(+)-mannose, whereas band 4 , 5 and 7 (510, 535 and 558 cm ^{− 1} , respectively) are assigned to cellulose, trehalose (ring variant) and β-D-glucose, respectively (see Table S1). The disaccharide trehalose is a contributor to band 11 at 603 cm ⁻¹ and also contributes to bands 6 and 30 (544 and 837 cm ⁻¹ , respectively). The trehalose contribution to bands 31 and 34 (846 and 906, respectively) is probably of lower weight compared to other carbohydrate structures (see Table S1). More specifically, band 31 shows a strong cumulative signal of glucose and glucan, but also contains several medium/strong signals of triglycerides (see Table S1). Trehalose is an important molecule in the metabolism of many fungal species because it is both a source of energy and a protective molecule against environmental stresses. For example, Candida albicans promotes the synthesis of the non-reducing trehalose disaccharide and accumulates in response to heat or oxidative stress. In grapevines, P. viticola is known to induce irreversible stomatal opening, which favors host infection by zoospores, and this deregulation is associated with trehalose accumulation, with exogenously applied trehalose antagonizing stomatal closure. Thus, the presence of elevated levels of trehalose in sporangia may represent a signal promoting infection of grapevine leaves.

핵산과 관련된 신호는 포스포디에스테르 및 퓨린 결합 모두에서 발견되었다. DNA에서 C'5-O-P-O-C'3 포스포다이에스터 결합 대칭 스트레칭(782 cm^-1에서 밴드 25)은 순수한 물에 노출된 P. 비티콜라의 저주파 스펙트럼에서 검출된 가장 강한 신호였다(도 7a). 이 개별 신호와 달리, 827 cm^-1에서 해당하는 비대칭 스트레칭 밴드 29는 진균 막의 전형적인 분자인 스테롤의 여러 신호와 겹쳤다(표 1 참조). 아데닌(각각 535, 623, 731, 및 942 cm^-1에서 밴드 5, 12, 21, 및 36), 시토신(각각 544, 558, 594, 603, 710, 및 795 cm^-1에서 밴드 6, 7, 10, 11, 19 및 26), 구아닌(각각 570, 643, 681 및 846 cm^-1에서 밴드 8, 14, 17 및 31), 티민(각각 623, 746 및 753 cm^-1에서 밴드 12, 22 및 23) 및 우라실(807 cm^-1에서 밴드 27)과 관련된 퓨린으로부터의 진동 밴드도 관찰되었다. 연구된 주파수 범위(도 7a 및 7b 참조)에서 두 번째로 강한 검출 신호인 846 cm^-1에서의 밴드 31은 구아닌 고리의 C4-N9-C8 + N1-C2-N3 및 N2-C2-N3 면내 변형에 의해 주로 기여한다. Signals associated with nucleic acids were found at both phosphodiester and purine bonds. Symmetric stretching of the C'5-OPO-C'3 phosphodiester bond in DNA (band 25 at 782 cm ^-1 ) was the strongest signal detected in the low-frequency spectrum of P. viticola exposed to pure water (Fig. 7a ). ). Unlike these individual signals, the corresponding asymmetric stretching band 29 at 827 cm ⁻¹ overlapped with several signals of sterols, typical molecules of fungal membranes (see Table 1). Adenine (bands 5, 12, 21, and 36 at 535, 623, 731, and 942 cm ^-1 respectively), cytosine (bands 6, 7 at 544, 558, 594, 603, 710, and 795 cm ^-1 respectively; 10, 11, 19 and 26), guanine (bands 8, 14, 17 and 31 at 570, 643, 681 and 846 cm ^-1 respectively), thymine (bands 12, 22 and 31 at 623, 746 and 753 cm ^-1 respectively). 23) and uracil (band 27 at 807 cm ⁻¹ ) were also observed. Band 31 at 846 cm ^{-1 ,} the second strongest detection signal in the studied frequency range (see Figs. 7a and 7b ), is C4-N9-C8 + N1-C2-N3 and N2-C2-N3 in-plane modifications of the guanine ring. mainly contributed by

일반적으로 세포막에 존재하는 지질로부터 특이한 신호를 찾으면 연구 스펙트럼 영역에서 포스파티딜세린의 강한 방출이 약 734 cm^-1에서 예상된다. 순수한 물에 노출된 포자낭에 대한 스펙트럼에서 731 cm^-1에서 밴드 21이 관찰되었다(도 7a). 그러나 이 밴드에 대한 기여는 또한 DNA 아데닌과 트레할로스에 있는 이미다졸 고리의 고리 호흡에서 나올 수도 있다. 저주파 스펙트럼에서 포스파티딜콜린의 주요 밴드는 약 719 및 875 cm^-1에서 예상되었다. 그러나, 도 7a에서는, 순수한 물에 노출된 포자낭에서 이들 신호 중 어느 것도 관찰되지 않았다. 포스파티딜이노시톨로 인한 519 및 868 cm^-1의 주요 저주파 밴드도 물에 노출된 포자낭의 스펙트럼에서 누락되었다. 반대로, 각각 558(밴드 7) 및 681 cm^-1(밴드 17)에서 스테롤 및 세라미드로부터의 명확한 신호가 감지되었다. 불행히도 이러한 신호는 DNA 퓨린의 신호와 강하게 겹친다. 명확한 신호는 진균 세포막에서 가장 풍부한 스테롤인 에르고스테롤에 의해 기여되었다. 이 분자는 594, 710, 725, 827 및 942 cm^-1(즉, 각각 밴드 10, 19, 20, 29 및 36)에서 표시된 저주파 신호를 포함하는 복잡한 라만 스펙트럼을 특징으로 한다. In general, looking for specific signals from lipids present in cell membranes, a strong emission of phosphatidylserine in the studied spectral region is expected at about 734 cm ^-1 . A band 21 was observed at 731 cm ^-1 in the spectrum of sporangia exposed to pure water (FIG. 7a ). However, contributions to this band may also come from ring breathing of imidazole rings in DNA adenine and trehalose. The main bands of phosphatidylcholine in the low-frequency spectrum were expected at about 719 and 875 cm ^-1 . However, in Fig. 7a , none of these signals were observed in sporangia exposed to pure water. The main low-frequency bands at 519 and 868 cm ⁻¹ due to phosphatidylinositol were also missing from the water-exposed sporangia spectrum. Conversely, clear signals from sterols and ceramides were detected at 558 (band 7) and 681 cm ⁻¹ (band 17), respectively. Unfortunately, these signals overlap strongly with those of DNA purines. The clear signal was contributed by ergosterol, the most abundant sterol in fungal cell membranes. This molecule is characterized by a complex Raman spectrum containing low-frequency signals marked at 594, 710, 725, 827 and 942 cm ^-1 (ie bands 10, 19, 20, 29 and 36, respectively).

스테롤은 명확한 저주파 신호를 포함하는 복잡한 라만 스펙트럼을 특징으로 한다(표 1 참조). 그러나 정확한 스크리닝 결과, 이러한 저주파 신호 중 어느 것도 다른 막 분자의 중첩 신호에서 자유롭지 않은 것으로 나타났다. 스테롤은 세포막의 유동성, 투과성 및 무결성을 조절하는 데 필수적인 구성 요소이다. 진균과 달리, 페로노스포랄레스는 스테롤을 합성할 수 없지만 유성 생식과 무성 생식 모두에 스테롤이 필요하다. 파이토프토라에서는, 식물 숙주의 피토스테롤을 흡수하여 추가 변형 없이 사용한다. Sterols are characterized by complex Raman spectra containing distinct low-frequency signals (see Table 1). However, accurate screening revealed that none of these low-frequency signals were free from the overlapping signals of other membrane molecules. Sterols are essential components for regulating the fluidity, permeability and integrity of cell membranes. Unlike fungi, Feronosporales cannot synthesize sterols, but requires them for both sexual and asexual reproduction. In Phytophthora , the plant host's phytosterols are absorbed and used without further modification.

다른 지질 화합물과 관련하여, 아라키돈산은 플란타(planta)의 난균에 의해 방출되는 잘 알려진 유발제이며 최근 발견에 따르면 P. 비티콜라의 세라미드와 아라키돈산 및 에이코사펜타엔산 유도체는 감염 과정의 초기 단계에서 생성된다. 밴드 32(861 cm^-1) 및 35(931 cm^{- 1})는 알파-리놀렌산의 CO 진동과 아라키돈산의 C-H 굽힘에 할당되었다. 전자의 밴드는 P. 비티콜라 특유의 지방산 지문 역할을 하는 반면, 후자는 불행하게도 글루코스 및 히스티딘의 밴드와 중복된다(나중에 설명함). 지방산은 일반적으로 난균 병원체에 감염되면 식물로 방출된다. 글리세로인지질 레시틴(C-N 스트레칭에 지정됨)의 저주파에서 가장 강한 신호는 밴드 20(715 cm^-1에서)에 기여할 수도 있다. 레시틴의 추가 밴드는 764 및 827 cm^-1(각각 밴드 24 및 29)에 나타난다. 이들은 각각 O-P-O 대칭 및 비대칭 스트레칭에 기인한다. 도 7a에 나타낸 스펙트럼의 완전한 라벨링을 제공하기 위한 시도는 표 1에 주어진다. Regarding other lipid compounds, arachidonic acid is a well-known inducer released by the oomycete of planta and recent findings suggest that ceramides of P. viticola and derivatives of arachidonic acid and eicosapentaenoic acid are present in the early stages of the infection process. is created from Bands 32 (861 cm ^-1 ) and 35 (931 cm ^{-1 )} were assigned to the CO vibration of alpha-linolenic acid and the CH bending of arachidonic acid. The former band serves as a fatty acid fingerprint specific to P. viticola , whereas the latter unfortunately overlaps with those of glucose and histidine (discussed later). Fatty acids are normally released into plants upon infection with oomycete pathogens. The strongest signal at low frequencies of the glycerophospholipid lecithin (assigned to CN stretching) may be attributed to band 20 (at 715 cm ^-1 ). Additional bands of lecithin appear at 764 and 827 cm ⁻¹ (bands 24 and 29, respectively). These are due to OPO symmetric and asymmetric stretching, respectively. An attempt to provide a complete labeling of the spectra shown in FIG. 7A is given in Table 1.

1.5 부피% Si1.5% Si by volume ₃₃ NN ₄₄ 물 현탁액에 노출된 포자낭의 스펙트럼 Spectrum of sporangia exposed to water suspension

수성 현탁액에서 Si₃N₄의 존재에 의해 유도된 세포 구조 P. 비티콜라 포자낭의 변화는 도 7a와 7b 사이의 스펙트럼 변화에 의해 나타난다. 일반적인 경향으로, Si₃N₄ 현탁액에 노출된 포자낭에 대한 모든 라만 밴드는 순수한 물에서 포자낭의 해당 밴드와 비교했을 때 상대적으로 낮은 강도를 나타내었다. 주요 변이는 다음과 같다:Changes in the cellular structure of P. viticola sporangia induced by the presence of Si ₃ N ₄ in aqueous suspension are shown by the spectral changes between FIGS. 7a and 7b . As a general trend, all Raman bands for sporangia exposed to Si ₃ N ₄ suspension showed relatively low intensity compared to the corresponding bands of sporangia in pure water. The main variations are:

Si₃N₄ 현탁액에서 포자낭의 스펙트럼에서 높거나 중간 강도의 여러 밴드가 사라지거나 강도가 상당히 감소된 경우에만 발생하였다. 여기에는 다음이 포함된다: 아데닌으로부터의 밴드 5 및 12(각각 535 및 623 cm^-1에서); 시토신으로부터의 밴드 10(594 cm^-1에서); DNA에서 C'5-O-P-O-C'3 포스포디에스테르 대칭 스트레칭의 밴드 25(782 cm^-1에서); 구아닌의 밴드 31(846 cm^-1); 및 셀룰로스(키틴에 의해 기여했을 가능성이 있음)의 밴드 33(893 cm^-1).In the Si ₃ N ₄ suspension, several bands of high or medium intensity in the spectrum of sporangia disappeared or only occurred when the intensity was significantly reduced. These include: bands 5 and 12 from adenine (at 535 and 623 cm ^-1 , respectively); band 10 from cytosine (at 594 cm ⁻¹ ); band 25 of the C'5-OPO-C'3 phosphodiester symmetrical stretch in DNA (at 782 cm ^-1 ); band 31 of guanine (846 cm ⁻¹ ); and band 33 (893 cm ⁻¹ ) of cellulose (possibly contributed by chitin).

Si₃N₄ 현탁액에 노출된 포자낭 스펙트럼에 3개의 새로운 밴드가 나타났다. 밴드는 다음과 같았다: 밴드 11^* (613 cm^-1), 밴드 15^* (654 cm^-1) 및 밴드 32^* (872 cm^-1). 이러한 라만 신호의 기원은 기존 분자의 화학적 변형 또는 환경 스트레스에 대한 반응으로 포자낭에 의해 생성된 새로운 화학 종(나중에 논의됨)으로 인한 것이다.Three new bands appeared in the spectrum of sporangia exposed to the Si ₃ N ₄ suspension. The bands were: band 11 ^* (613 cm ^-1 ), band 15 ^* (654 cm ^-1 ) and band 32 ^* (872 cm ^-1 ). The origin of these Raman signals is due to chemical modification of pre-existing molecules or new chemical species (discussed later) produced by the sporangia in response to environmental stress.

Si₃N₄ 존재 시 추가 스펙트럼 변화는 다음과 같았다: 다당류에서 C-C 백본 스트래칭의 밴드 2 및 D(+)-만노스의 밴드 3(각각 490 및 500 cm^-1에서). 이러한 신호는 강도 경향 역위를 겪었고 전자는 후자보다 더 강렬해졌고; 상대적으로 높은 강도를 보인 셀룰로스(583 cm^-1)의 밴드 9. 밴드 17(681 cm^-1에서)에 대해서도 유사한 경향이 관찰되었는데, 이는 세라미드에서 O=CN 및 CCO 굽힘에 할당되었지만 구아닌 고리의 기여도 있었다. 티민을 대표하는 밴드 23(753 cm^-1), 히스티딘의 밴드 35(931 cm^-1) 및 아데닌의 밴드 36(942 cm^-1)은 강도가 상당히 감소하였다.Additional spectral changes in the presence of Si ₃ N ₄ were as follows: band 2 of CC backbone stretching in polysaccharides and band 3 of D(+)-mannose (at 490 and 500 cm ⁻¹ , respectively). These signals experienced an intensity trend inversion, with the former becoming more intense than the latter; Band 9 of cellulose (583 cm ⁻¹ ) showed relatively high strength. A similar trend was observed for band 17 (at 681 cm ⁻¹ ), which was assigned to O=CN and CCO bending in ceramides, but the contribution of the guanine ring there was. Band 23 (753 cm ⁻¹ ) representing thymine, band 35 (931 cm ⁻¹ ) of histidine, and band 36 (942 cm ⁻¹ ) of adenine showed significant decreases in intensities.

순수한 물에 노출된 포자낭과 수성 Si₃N₄-분말 현탁액 사이의 뚜렷한 스펙트럼 차이에 대한 이유는 포자낭과 Si₃N₄ 과립 사이에서 일어나는 화학 반응의 결과였다. The reason for the distinct spectral difference between the sporangia exposed to pure water and the aqueous Si ₃ N ₄ -powder suspension was the result of the chemical reaction occurring between the sporangia and the Si ₃ N ₄ granules.

실시예 5: Example 5:

P. 비티콜라와 SiP. viticola and Si ₃₃ NN ₄₄ 사이의 화학적 상호작용 chemical interaction between

직접적인 관찰에 의해, 이 연구는 수성 현탁액에서 Si₃N₄의 강력한 pH 완충 및 기체 암모니아의 방출을 확인하였다(도 1a 내지 1c 참조). 관찰된 pH 완충은 오르토규산에 의한 Si₃N₄ 표면의 점진적인 커버리지와 개방 시스템을 떠나는 기체 질소로 인해 일시적인 현상이었다(도 1d에서 관찰된 기체 기포 참조). By direct observation, this study confirmed the strong pH buffering and release of gaseous ammonia of Si ₃ N ₄ in aqueous suspension (see FIGS . 1A- 1C ). The observed pH buffering was transient due to the gradual coverage of the Si ₃ N ₄ surface by orthosilicic acid and gaseous nitrogen leaving the open system (see gas bubbles observed in FIG . 1d ).

도 2g 내지 2k에서, Si₃N₄ 과립은 포자낭의 벽에 정전기적으로 끌리는 것으로 나타났다. 페로노스포랄레스의 세포벽은 제한된 양의 키틴과 주로 글루칸 복합체 및 만노단백질로 구성된다. 후자의 성분은 5개의 만노스 잔기를 함유하는 글리코포스페이트 기를 통해 β-글루칸에 연결된다. 인산화된 만노실 측쇄는 세포벽에 음전하를 부여한다. 또한, 포자낭 표면의 작용기(즉, 인산염, 카복실 및 아미노 기)는 고알칼리성 환경에서 탈양성자화된다. 이들은 Si₃N₄ 표면의 양전하를 띤 부위와 상호작용하며 여기에는 질소 원자가(3+ 전하) 및 N-N 결합(+ 전하)이 포함된다. 일단 접촉하면, 포자낭과 Si₃N₄ 과립 사이의 상호작용은 국소적으로 발생하는 고알칼리성 pH와 세포벽을 가로지르는 고휘발성 NH₃ 분자의 수동 확산에 의해 크게 영향을 받는다. 이러한 이온 상호작용은 막의 파열 및 Si₃N₄ 과립과의 접촉 1분 후에 관찰된 미성숙 유주자의 유산(도 2a 내지 2c)을 초래한다. 2g to 2k , Si ₃ N ₄ granules are shown to be electrostatically attracted to the walls of the sporangia. The cell wall of Peronosporales consists mainly of glucan complexes and mannoproteins with a limited amount of chitin. The latter component is linked to β-glucan through a glycophosphate group containing 5 mannose residues. Phosphorylated mannosyl side chains impart a negative charge to the cell wall. In addition, functional groups on the surface of the sporangia (i.e., phosphate, carboxyl and amino groups) are deprotonated in a highly alkaline environment. They interact with positively charged sites on the Si ₃ N ₄ surface, including nitrogen valences (3+ charge) and NN bonds (+ charge). Once in contact, the interaction between the sporangia and the Si ₃ N ₄ granules is strongly influenced by the locally occurring highly alkaline pH and the passive diffusion of highly volatile NH ₃ molecules across the cell wall. These ionic interactions lead to rupture of the membrane and abortion of the immature zoonotic observed 1 min after contact with the Si ₃ N ₄ granules ( FIGS. 2A to 2C ).

라만 분석의 해석Interpretation of Raman analysis

핵산에 대한 암모니아에 의해 예상되는 주요 화학 반응은 가수분해이다. 핵산은 먼저 두 개의 디뉴클레오티드로 분해되는데, 하나는 아데닌과 우라실 기를 함유하고 다른 하나는 구아닌과 시토신 기를 유지한다. 아데닌-우라실 다이뉴클레오타이드는 구아닌-시토신보다 상대적으로 더 안정적이지만, 둘 다 pH 값 >8에서 모노뉴클레오타이드로 분해된다. NH₃가 존재하면, 아데닌과 구아닌, 및 포스포디에스테르 결합이 탈양성자화되고 강하게 불안정화된다. 모든 알칼리성 pH에서, 질소 고리의 약한 염기도로 인해 티민의 N(3)에 있는 수소도 제거된다. Si₃N₄에 노출 시, 가장 현저한 스펙트럼 변화는 두 개의 가장 강한 신호, 즉 밴드 25 및 31(즉, 각각 구아닌 고리의 DNA 및 C4-N9-C8 + N1-C2-N3 면내 변형에서 C'5-O-P-O-C'3 포스포디에스테르 대칭 스트레칭과 관련됨)였다. 아데닌(밴드 5, 12 및 36) 및 시토신(밴드 6, 10, 11, 19 및 26)과 관련된 여러 밴드의 소멸은 아니지만 강도의 유의한 감소가 주목되었다(도 7a 및 7b 참조). 이러한 관찰은 Si₃N₄와 병원체 사이의 상호작용에 대한 이전 연구와 일치한다. NH₃의 확산 및 무질소 라디칼 반응에 의해 생성된 산화 효과 전후의 DNA 핵염기의 개략도는 각각 도 9a 및 9b에 제공되어 있다. 가장 눈에 띄는 특징은 스트레칭이 사라지고 밴드 25, 과산화아질산염 라디칼과의 상호작용으로 구아닌 고리(G → Gh)가 열리고 가장 강한 고리 진동 밴드 31이 사라지면서 DNA의 포스포다이에스터 결합이 절단되는 것이다. 구아닌의 고리 호흡 모드에 의해 또한 기여되는 밴드 14의 현저한 강도 감소는 도 9b에 도시된 Gh 메커니즘을 확인시켜준다. 구조(A')의 산화와 함께 아데닌 단위(A)에 대한 변형도 관찰되었다. 아데노신 산화는 도 9b에 도시된 바와 같이 2개의 산소 이중 결합의 형성으로 인해 2개의 고리-변형 밴드 5 및 12의 소멸의 원인이 되는 것으로 여겨진다. 5-OH-U 구조로의 시토신 핵염기(C)의 변형은 밴드 6 및 10의 소멸을 설명할 수 있다. 원래 시토신 구조에서 N3=C4-N4 및 C-C=C 굽힘 방식를 나타내는 전자는, 산화된 5-OH-U 단위에서 이들 결합이 각각 N3-C=O 및 C-C-OH 결합으로 대체되어 사라지고, 후자는 원래 시토신 구조에서 굽힘 C2=O로부터 발생한다. 이것은 산화된 5-OH-U 구조에서 대칭 C4=O 결합의 출현으로 상쇄되었다. 티민과 우라실(U)의 밴드는 C=C 이중 결합이 하나만 있기 때문에 더 안정적으로 보인다. 마지막으로, 산화된 핵염기와 관련된 일부 밴드는 강도 감소가 더 낮았다(즉, 각각 558, 681 및 731 cm^-1에서 밴드 7, 17 및 21). 그러나 이러한 밴드는 지질(각각 콜레스테롤, 세라미드 및 포스파티딜세린)에 의해 기여되는 특성을 공유하였다.The main chemical reaction expected by ammonia to nucleic acids is hydrolysis. Nucleic acids are first broken down into two dinucleotides, one containing the adenine and uracil groups and the other retaining the guanine and cytosine groups. Adenine-uracil dinucleotide is relatively more stable than guanine-cytosine, but both break down into mononucleotides at pH values >8. The presence of NH ₃ deprotonates and strongly destabilizes the adenine and guanine and phosphodiester bonds. At all alkaline pHs, the hydrogen at the N(3) of thymine is also removed due to the weak basicity of the nitrogen ring. Upon exposure to Si ₃ N ₄ , the most pronounced spectral changes occur in the two strongest signals, namely bands 25 and 31 (i.e., C′5 in DNA and C4-N9-C8 + N1-C2-N3 in-plane modifications of the guanine ring, respectively). -OPO-C'3 related to phosphodiester symmetrical stretching). A significant decrease in intensity, but not disappearance, of several bands related to adenine (bands 5, 12 and 36) and cytosine (bands 6, 10, 11, 19 and 26) was noted (see FIGS. 7A and 7B ). This observation is consistent with previous studies on the interaction between Si ₃ N ₄ and pathogens. Schematics of DNA nucleobases before and after oxidative effects produced by diffusion of NH ₃ and nitrogen-free radical reactions are provided in FIGS. 9A and 9B , respectively. The most notable feature is the disappearance of stretching and the cleavage of the phosphodiester bond of DNA with the disappearance of band 25, the opening of the guanine ring (G → Gh) by interaction with the peroxynitrite radical, and the disappearance of the strongest ring vibration band, 31. The significant intensity reduction of band 14, also contributed by the loop breathing mode of guanine, confirms the Gh mechanism shown in FIG . 9b . Along with oxidation of structure (A'), modification to the adenine unit (A) was also observed. Adenosine oxidation is believed to be responsible for the disappearance of the two ring-strained bands 5 and 12 due to the formation of two oxygen double bonds, as shown in FIG . 9B . Modification of the cytosine nucleobase (C) to the 5-OH-U structure could explain the disappearance of bands 6 and 10. The former showing the N3=C4-N4 and CC=C bending modes in the original cytosine structure disappear as these bonds are replaced by N3-C=O and CC-OH bonds, respectively, in the oxidized 5-OH-U unit, while the latter is originally Bending in the cytosine structure arises from C2=O. This was offset by the appearance of symmetric C4=O bonds in the oxidized 5-OH-U structure. The bands of thymine and uracil (U) appear more stable because they have only one C=C double bond. Finally, some bands associated with oxidized nucleobases showed lower intensity reduction (ie bands 7, 17 and 21 at 558, 681 and 731 cm ⁻¹ , respectively). However, these bands shared properties contributed by lipids (cholesterol, ceramide and phosphatidylserine, respectively).

문헌[Sonois 등]은 실험과 이론적 계산 둘 다를 통해 여러 아미노산의 라만 거동을 설명하였다. 히스티딘의 경우, pH가 증가하는 환경에서 ~613, 656 및 860 cm^-1에서 새로운 라만 밴드가 나타난다. 이들 3개의 밴드는 Si₃N₄에 노출된 포자낭에서 검출되고(도 7b 참조) 밴드 11^*, 15^* 및 32^*로 라벨링된 새로운 밴드에 해당한다. 히스티딘 분자의 측쇄는 6개의 파이기호-전자를 함유하는 방향족 이미다졸 고리이다. 환경 pH에 따라, 다양한 호변이성질체 및 이온 형태의 히스티딘이 존재할 수 있다. pH<6에서, 양전하를 띤 형태는 양성자화된 고리에서 N 원자 둘 다로 우세하다(도 9c). 역으로, pH 값이 증가하면 히스티딘은 이미다졸 고리에서 하나의 양성자를 잃고 점차 중성 형태가 된다(도 9d). 문헌[Valery 등]은 자가 조립된 히스티딘 함유 펩티드의 형태 변화와 높은 pH에서 안정화된 구형 형태를 연구하였다. 진동 분광학 평가는 히스티딘-세린 H-결합 및 히스티딘-방향족 상호작용을 밝혀내었다. pH=8.5에서, 히스티딘 탈양성자화가 일어나 라만 스펙트럼에서 주파수 범위 1050~1150 cm^-1에서 C-N 고리 스트레칭 밴드를 변경하였다. The literature [Sonois et al.] described the Raman behavior of several amino acids through both experiments and theoretical calculations. In the case of histidine, new Raman bands appear at ~613, 656 and 860 cm ^-1 in an environment of increasing pH. These three bands correspond to new bands detected in sporangia exposed to Si ₃ N ₄ (see FIG. 7b ) and labeled as bands 11 ^* , 15 ^* and 32 ^* . The side chain of the histidine molecule is an aromatic imidazole ring containing 6 pi-electrons. Depending on the environmental pH, various tautomeric and ionic forms of histidine may exist. At pH<6, the positively charged form predominates with both N atoms in the protonated ring ( FIG. 9c ). Conversely, as the pH value increases, histidine loses one proton from the imidazole ring and gradually becomes neutral ( FIG. 9d ). The literature [Valery et al.] studied conformational changes of self-assembled histidine-containing peptides and stabilized globular conformations at high pH. Vibrational spectroscopy evaluation revealed histidine-serine H-bonds and histidine-aromatic interactions. At pH=8.5, histidine deprotonation occurred and changed the CN ring stretching band in the frequency range 1050~1150 cm ^-1 in the Raman spectrum.

새로 형성된 밴드 11^*, 15^* 및 32^*에 대한 히스티딘 해석을 강화하기 위해, 주파수 범위 1,050~1,150 cm^-1에서 이미다졸 고리에 대한 C-N 스트레칭 스펙트럼 영역을 모니터링하였다. 순수한 물(pH=6.5) 대 Si₃N₄ 현탁액(pH=8.3, 참조, 각각 도 10a 및 10b)에서 포자낭에서 수집된 라만 스펙트럼을 비교할 때 상이한 경향이 관찰되었다. 문헌[Pogostin 등]의 최근 논문에 따르면, 도 9c 및 9d에 도시된 고리 구조를 고려하면, 히스티딘 고리의 탈양성자화에 대한 분광 지문은 다음과 같다: To strengthen the histidine interpretation of the newly formed bands 11 ^* , 15 ^* and 32 ^* , the CN stretching spectral region for the imidazole ring was monitored in the frequency range 1,050 to 1,150 cm ⁻¹ . Different trends were observed when comparing Raman spectra collected from sporangia in pure water (pH=6.5) versus Si ₃ N ₄ suspension (pH=8.3, cf. FIGS. 10a and 10b , respectively). According to a recent paper by Pogostin et al., considering the ring structures shown in Figures 9c and 9d , the spectroscopic fingerprint for the deprotonation of histidine rings is as follows:

~1075 cm^-1에서 새로운 강력한 밴드가 나타났다. 이것은 원래 ~1090 cm^-1에서 관찰된 밴드에 추가된 것으로 강도가 상당히 약해진 것으로 나타났다. 이러한 밴드는 각각 (C2-N3)⁺ 및 (C2-N3) 결합 배열의 신축 진동과 관련이 있다. 전자 배열은 더 강한 결합을 포함한다(즉, N1-C2-N3 전자 공유로 인해). 그것의 진동 에너지는 더 크고 더 높은 주파수에서 나타난다.A new strong band appeared at ~1075 cm ^-1 . This is in addition to the band originally observed at ∼1090 cm ⁻¹ , which appears to be significantly weakened in intensity. These bands are associated with stretching vibrations of the (C2-N3) ⁺ and (C2-N3) bonding arrangements, respectively. The electronic configuration contains stronger bonds (ie, due to N1-C2-N3 electron sharing). Its vibrational energy is larger and appears at higher frequencies.

각각 ~1125^-1(숄더 밴드) 및 ~1118 cm^-1(프리스틴 밴드)에 나타나는 프리스틴(C4-N3)⁺ 및 탈양성자화된(C4-N3) 결합 배열의 스트레칭 밴드에 대해 유사한 경향이 관찰되었다. 이러한 경향은 이전 단락의 경우보다 더 낮은 주파수로의 주파수 편이가 덜 두드러지더라도 이전 단락에서 주어진 동일한 추론을 사용하여 설명될 수 있다. 이러한 상황은 탈양성자화된 고리 내의 결합 강도의 균형과 관련이 있다. C2-N3 결합은 인접한 이중 결합 N1=C2가 C4-N3 옆에 있는 이중 결합 C4=C5보다 강하기 때문에 C4-N3 결합보다 약하다(즉, C보다 N의 전기음성도가 높기 때문).A similar trend was observed for the stretching bands of the pristine (C4-N3) ⁺ and deprotonated (C4-N3) bonding configurations appearing at ~1125 ^-1 (shoulder band) and ~1118 cm ^-1 (pristine band), respectively. . This trend can be explained using the same reasoning given in the previous paragraph, even though the frequency shift to lower frequencies is less pronounced than was the case in the previous paragraph. This situation is related to the balance of bonding strength within the deprotonated ring. The C2-N3 bond is weaker than the C4-N3 bond because the adjacent double bond N1=C2 is stronger than the double bond C4=C5 adjacent to C4-N3 (i.e., N is more electronegative than C).

고리 배열이 탈양성자화되었을 때 (C2-N1(H))⁺ 결합(~1100 cm^-1에서)과 관련된 스트레칭 밴드에 대해 유의한 이동이나 강도 변화는 없었지만 약간의 확장만 관찰되었다.When the ring configuration was deprotonated, no significant shift or intensity change was observed for the stretching band associated with the (C2-N1(H)) ⁺ bond (at ~1100 cm ⁻¹ ), but only a slight broadening.

또한 ~1600 cm^-1에서 C=C 및 C=N 스펙트럼 구역에서 히스티딘 잔기의 이미다졸 고리의 추가 라만 분석(나타내지 않음)은 도 10a 및 10b에 나타낸 결과와 일치하는 특징을 제공하였음에 주목한다. 상기 라만 분석을 기반으로, 라만 분광 서명은 고알칼리성 환경에서 발생하는 탈양성자화와 관련이 있다. 이러한 반응은 높은 pH 값에서 히스티딘 함유 펩티드에 공통적이다.Note also that further Raman analysis of the imidazole ring of histidine residues in the C=C and C=N spectral regions at ˜1600 cm ⁻¹ (not shown) provided features consistent with the results shown in FIGS. 10A and 10B . Based on the above Raman analysis, the Raman spectroscopic signature is related to deprotonation occurring in a highly alkaline environment. This reaction is common to histidine-containing peptides at high pH values.

히스티딘 키나제 단백질은 대부분의 원핵생물 및 진핵생물 유기체에 존재한다. 그들은 다양한 환경 요인에 대한 몇 가지 적응성 전사 반응을 조절한다. 난균에서, 히스티딘 키나제의 기능 분석이 누락된 반면, 히스티딘 부위의 인산화는 삼투 스트레스에 대한 진균의 일반적인 대사 반응이다. 예를 들어, 환경 조건의 변화로서 삼투 스트레스를 인지하는 반응에서, 보존된 히스티딘 잔기는 아데노신 삼인산염으로부터의 인산염 기로 인산화되며, 이는 도 7b에서 검출된 아데노신 라만 밴드의 감소와 일치한다. 보존된 아스파르테이트 잔기로의 포스포릴 기의 연속적인 전달은 신호 전달 경로로의 신호 이동을 중재하는 조절을 초래한다. Si₃N₄ 과립과 포자낭 벽 사이의 고도로 국소화된 알칼리도 때문에, 유의한 분획의 NH₃가 세포내이입 공간으로 침투하여 포자낭의 삼투압 균형을 심각하게 변경한다. 따라서 Si₃N₄ 노출로 인한 라만 데이터의 변경은 포자낭이 삼투 스트레스에 반응했음을 시사하고; 히스티딘 키나제는 사카로마이세스 세레비지아에에 대해 가정된 것과 유사한 삼투 스트레스의 증가를 감지하였다. 난균 파이토프토라 인페스탄스 모델에서 단백질 키나제가 발아 중 포자낭 분열과 관련이 있는 것으로 밝혀졌다는 점에 유의해야 한다.Histidine kinase proteins are present in most prokaryotic and eukaryotic organisms. They regulate several adaptive transcriptional responses to various environmental factors. In oomycetes, functional analysis of histidine kinase is missing, whereas phosphorylation of histidine sites is a common metabolic response of fungi to osmotic stress. For example, in response to osmotic stress as a change in environmental conditions, conserved histidine residues are phosphorylated with phosphate groups from adenosine triphosphate, consistent with the decrease in adenosine Raman bands detected in FIG. 7B . Subsequent transfer of the phosphoryl group to the conserved aspartate residue results in modulation mediating signal shifts into signal transduction pathways. Because of the highly localized alkalinity between the Si ₃ N ₄ granules and the sporangia wall, a significant fraction of NH ₃ penetrates into the endocytotic space and severely alters the osmotic balance of the sporangia. Alterations in the Raman data due to Si ₃ N ₄ exposure thus suggest that the sporangia responded to osmotic stress; Histidine kinase is Saccharomyces An increase in osmotic stress similar to that postulated for cerevisiae was detected. Oomycete Phytophthora It should be noted that in the Infestans model, protein kinases were found to be involved in sporangial division during germination.

현재 연구에서, 이 가설은 키틴에 대한 주요 신호(즉, 893 cm^-1에서 밴드 33)의 소멸 및 세포벽 구조의 셀룰로스 (및/또는 키틴) 및 기타 선형 탄수화물과 관련된 다른 모든 신호(즉, 각각 500, 643, 649, 및 710 cm^-1에서 밴드 3, 14, 15, 및 19)의 강도의 유의한 감소에 의해 확증된다. 셀룰로스의 선형 중합체 사슬은 β-글리코시드 결합으로 서로 연결되어 있다. 이러한 결합은 Si₃N₄에 의해 유도된 알칼리성 pH 수준이나 NH₃와의 직접적인 상호작용에 의해 영향을 받지 않는다. 다른 한편으로는, 가수분해 효소는 키틴의 글리코시드 결합을 파괴하여 식물병원체의 세포벽을 변화시킬 수 있다. 라만 실험이 수행된 방식을 고려할 때 효소 반응은 포자낭 자체에만 고유할 수 있다. 조균은 효소로 벽의 가소성을 조절할 수 있는 것으로 알려져 있다. 진균 벽은 "연화"되며 새싹 출현 및 후속 성장을 위해 확장되어야 한다. 그들은 또한 페놀성 교차 결합을 가진 모조균사와 포자 벽이 형성되는 동안 리모델링된다. 상호 연결된 β-글루칸과 키틴의 벽 내부 매트릭스는 인장 강도와 강성을 제공한다. 그러나 미토겐 활성화 단백질 키나제 경로를 통해 환경 변화에 반응하여 벽 조성을 리모델링할 수 있다. 세포벽의 탄력성은 신속한 구조적 재배열에 의해 조절되어 병원체가 삼투 충격에 생존할 수 있게 한다. 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, Si₃N₄ 과립 부근에서 새싹 출현이 관찰되며, 이는 많은 경우에 조기 포자형성을 초래하는 현상이다(도 2a 내지 2c 참조).In the present study, this hypothesis is based on the disappearance of the main signal for chitin (ie, band 33 at 893 cm ⁻¹ ) and all other signals associated with cellulose (and/or chitin) and other linear carbohydrates in the cell wall structure (ie, 500 cm −1 respectively). , 643, 649, and 710 cm ⁻¹ , as evidenced by a significant decrease in the intensity of bands 3, 14, 15, and 19). The linear polymer chains of cellulose are linked to each other by β-glycosidic bonds. This bond is not affected by the alkaline pH level induced by Si ₃ N ₄ or by direct interaction with NH ₃ . On the other hand, hydrolytic enzymes can alter the cell wall of plant pathogens by breaking the glycosidic bonds of chitin. Given the way the Raman experiments were conducted, the enzymatic reaction may be unique to the sporangium itself. It is known that crude bacteria can regulate wall plasticity with enzymes. The fungal wall is “softened” and must be expanded for bud emergence and subsequent growth. They are also remodeled during the formation of pseudohyphae and spore walls with phenolic cross-links. An intramural matrix of interconnected β-glucans and chitin provides tensile strength and stiffness. However, wall composition can be remodeled in response to environmental changes via the mitogen-activated protein kinase pathway. The elasticity of the cell wall is regulated by rapid structural rearrangements, allowing pathogens to survive osmotic shock. As shown in FIGS. 3a and 3b , sprout emergence is observed in the vicinity of the Si ₃ N ₄ granules, a phenomenon that in many cases leads to early sporulation (see FIGS. 2a to 2c ).

문헌[Turchini 등]은 낮은 삼투질농도 배지에서 자란 진균 세포에 비해 고-삼투질농도 배지에서 자란 진균 세포의 키틴 함량이 50% 감소한 것으로 측정되었으며, 이는 진균의 키틴 합성효소 활성이 저- 대 고-삼투질농도 배지에서 성장된 세포에 대해 더 높다는 이전 데이터와 일치한다. 이 연구자들은 고-삼투질농도 배지에서 관찰된 진균 벽의 약화를 구조 메커니즘으로 해석하여 막 신장을 가능하게 하고 세포 무결성을 유지할 확률을 향상시켰다. 이러한 연구에 기초하여, Si₃N₄에 노출된 포자낭의 주요 키틴질 밴드 33의 소멸은 삼투 스트레스에 저항하려는 시도에서 진균 세포에 의해 활성화된 효소 지문이다. 마지막으로, 놀랍게도 Si₃N₄와 접촉한 지 1분 후에 관찰된 조기 발아(도 2a 내지 2c)는 포자낭이 성숙까지 발아의 운반에 필요한 키틴질 벽의 새로운 합성을 생성하지 못한 결과일 가능성이 있음을 주목해야 한다. [Turchini et al.] measured a 50% reduction in chitin content in fungal cells grown in high-osmolality medium compared to fungal cells grown in low-osmolarity medium, indicating that the fungal chitin synthetase activity was low- vs. high-osmolality. -consistent with previous data that osmolality is higher for cells grown in medium. These researchers interpreted the weakening of the fungal wall observed in high-osmolarity media as a structural mechanism, enabling membrane elongation and improving the probability of maintaining cell integrity. Based on these studies, the disappearance of the major chitinous band 33 of sporangia exposed to Si ₃ N ₄ is an enzyme fingerprint activated by fungal cells in an attempt to resist osmotic stress. Finally, surprisingly, the early germination observed after 1 minute of contact with Si ₃ N ₄ ( FIGS. 2a to 2c ) is likely a result of the sporangia's failure to produce the new synthesis of the chitinous wall required for the transport of germination to maturity. It should be noted.

다른 친환경 접근법과 비교한 SiSi compared to other green approaches ₃₃ NN ₄₄ 의 효과effect of

P. 비티콜라는 기공을 통해 호스트 잎 조직으로 들어가 기공 아래 공기 공간에 남아 첫 번째 기생군을 형성할 때까지 12-15시간 동안 천천히 발달한다. 이 초기 기간은 전반적인 감염 과정에서 가장 중요한 것으로 간주된다. Si₃N₄ 입자는 이 기간이 시작되기 전에 포도덩굴 잎에 예방적으로 분무될 수 있다. 기공에 들어가면 장기간(예를 들어 아마도 한 계절) 동안 내부에 갇혀 있다. 우천 동안, 물은 반복적으로 암모늄 모이어티의 용출과 pH의 급격한 상승을 활성화하여 포자낭에 적대적인 환경을 만든다(도 11a). 대조적으로, 수산화구리와 황산구리를 기본으로 하는 현재 사용 가능한 살진균제는 포도덩굴에 대한 예방적 보호만 제공한다. 그들은 전신적이지 않으므로 기존 감염을 근절할 수 없다. 더욱이, 그들은 비에 쉽게 씻겨 내려간다. 결과적으로, Si₃N₄와 같은 고체상 살진균제의 한 가지 장점은 우천 시 반복되는 활성화(도 1a 내지 1c 참조)와 진균이 잎 조직에 침투한 후에도 병원체에 대한 효능이다. 병원체/Si₃N₄ 계면에서 활성인 항진균성 메카니즘은 도 11b에 개략적으로 요약되어 있다. P. viticola enters the host leaf tissue through the stomata and remains in the air spaces below the stomata, developing slowly over 12-15 hours until forming the first parasitic colonies. This initial period is considered the most critical in the overall infection process. Si ₃ N ₄ particles can be sprayed prophylactically on grapevine leaves prior to the start of this period. Once it enters the stomata, it is trapped inside for a long period of time (eg perhaps one season). During rainy weather, water repeatedly activates the elution of ammonium moieties and a rapid rise in pH, creating a hostile environment for sporangia (Fig. 11a ). In contrast, currently available fungicides based on copper hydroxide and copper sulfate provide only preventive protection for grapevines. They are not systemic and therefore cannot eradicate existing infections. Moreover, they are easily washed away by rain. As a result, one advantage of solid fungicides such as Si ₃ N ₄ is their efficacy against pathogens even after repeated activation in rainy weather (see Figs . 1a to 1c ) and the fungus penetrating the leaf tissue. Antifungal mechanisms active at the pathogen/Si ₃ N ₄ interface are schematically summarized in FIG . 11B .

환경 친화적인 농약 사용을 대체하기 위해 세 가지 전략을 추구하였다: (i) 새로운 친환경적인 항진균 제품 개발; (ii) 식물 병원체에 대한 전신 내성 유도를 위한 미생물의 사용; 및 (iii) 집단 유전학의 제어를 통한 숙주-병원체 상호작용의 조작. Three strategies were pursued to replace environmentally friendly pesticide use: (i) development of new environmentally friendly antifungal products; (ii) use of microorganisms to induce systemic resistance to plant pathogens; and (iii) manipulation of host-pathogen interactions through control of population genetics.

농약을 대체할 수 있는 효과적인 친환경 분자는 다당류이다. 예를 들어, 올리고당 키토산은 기생충의 성장을 억제하는 분자(즉, 파이토알렉신, 및 강력한 항산화제, 예컨대 트랜스- 및 시스-레스베라트롤 및 그것의 유도체)의 축적을 유도하는 능력을 가진 식물 방어의 효율적인 촉진제이다. 키토산은 또한 포도 잎에서 병원체를 용해시킬 수 있는 효소 분자(예를 들어 키티나제 및 α-1,3-글루카나제) 생성을 유발하여 노균병 감염 가능성을 크게 줄이다. 저분자량 키토산은 또한 진균 분생자에 침투하여 막 해체 및 세포 내용물의 상실을 일으키는 능력을 가지고 있다. 그것은 막 파열을 일으키는 진균 원형질막의 외부 음이온 구성 요소와 상호작용한다. 플라스모파라 비티콜라 감염을 제어할 수 있는 또 다른 다당류는 갈조류인 라미나리아 디지타타에서 얻을 수 있는 수용성 β-1,3-글루칸 라미나린이다. 그것의 항병원성 효과의 기원은 포도덩굴 세포에서 방어 반응의 효율적인 유도에 있다. 그러나 키토산과 라미나린의 잘 확립된 항진균 효능에도 불구하고 보고에 따르면 이러한 다당류가 최종 덩굴 품질의 핵심 매개변수인 머스트(must)의 질소 농도를 변경하여 포도덩굴에서 얻은 머스트의 아미노산 조성에 바람직하지 않은 영향을 미치는 것으로 나타났다.Effective green molecules that can replace pesticides are polysaccharides. For example, the oligosaccharide chitosan is an efficient agent of plant defense with the ability to induce the accumulation of molecules that inhibit the growth of parasites (i.e., phytoalexins, and potent antioxidants such as trans- and cis-resveratrol and its derivatives). It is an accelerator. Chitosan also induces the production of enzyme molecules (such as chitinase and α-1,3-glucanase) capable of dissolving pathogens in grape leaves, greatly reducing the likelihood of downy mildew infection. Low molecular weight chitosan also has the ability to penetrate fungal conidia, causing membrane disorganization and loss of cellular contents. It interacts with the external anionic component of the fungal plasma membrane causing membrane rupture. Plasmopara Another polysaccharide that can control B. coli infection is the brown algae Laminaria. It is a water-soluble β-1,3-glucan laminarin that can be obtained from Digitata . The origin of its antipathogenic effect lies in the efficient induction of defense responses in grapevine cells. However, despite the well-established antifungal efficacy of chitosan and laminarin, reports suggest that these polysaccharides alter the nitrogen concentration of must, a key parameter of final vine quality, resulting in undesirable effects on the amino acid composition of must obtained from grapevines. appeared to have an effect.

바닐린과 마늘 추출물도 친환경 항진균제로 분류되었다. 전자는 화학 구조에 알데하이드 기를 가지고 있는 반면, 후자는 알리신의 강력한 항진균 활성, 블록 지질, 단백질 및 진균 효모의 핵산 합성을 포함한다. 그럼에도 불구하고 이러한 화합물의 주요 단점은 물과 쉽게 반응한다는 것이다. 예를 들어, 알리신은 항균 활성이 덜 두드러지는 화합물인 디알릴 디설파이드를 즉시 형성한다. Vanillin and garlic extracts have also been classified as green antifungal agents. The former has an aldehyde group in its chemical structure, while the latter contains allicin's potent antifungal activity, blocks lipids, proteins and nucleic acid synthesis in fungal yeast. Nevertheless, the major drawback of these compounds is that they readily react with water. For example, allicin immediately forms diallyl disulfide, a compound with less pronounced antibacterial activity.

테스트된 기타 천연 유래 화합물에는 가수분해 단백질, 식물 추출물 및 무기염이 포함된다. 이러한 맥락에서, 최근 유망한 전략은 선별된 압타머 펩티드의 사용을 기반으로 제안되었으며, 특히 P. 비티콜라 셀룰로스 신타제 2를 억제하여 비-표적 유기체에 악영향을 미치지 않으면서 감염을 예방한다.Other naturally derived compounds tested include hydrolyzed proteins, plant extracts and inorganic salts. In this context, a promising strategy has recently been proposed based on the use of selected aptamer peptides, specifically inhibiting P. viticola cellulose synthase 2 to prevent infection without adversely affecting non-target organisms.

무기 염 중에서, 예는 주로 바이카보네이트, 포스페이트, 실리케이트, 클로라이드, 및 포스파이트를 포함한다. 이들의 활동은 주로 포도덩굴을 비롯한 다양한 작물의 흰가루병에 대해 보고된 반면, 중탄산나트륨만이 포도덩굴 노균병에 대해 제한된 효능을 보였다. 질화규소 기반 식물위생 제품의 개발은 이 마지막 범주에 속한다. 본 맥락에서, 실리케이트는 특별히 언급할 가치가 있다: 몇 가지 가용성 실리케이트 염은 식물의 자연 방어 메커니즘을 자극하고 식물 세포벽을 강화하여 다양한 진균 감염에 대해 직간접적인 활동을 한다. Si₃N₄로부터의 SiO₂ 및 Si(OH)₄의 생성(반응 (1)-(3)에 기술된 바와 같이)은 따라서 식물 내성을 유도함으로써 P. 비티콜라 포자낭 및 유주자에 대한 암모니아의 직접적인 작용을 보완할 수 있고, 이는 실험에서 관찰된 감염 과정의 거의 완전한 억제에 부분적으로 책임이 있다. 또한, 빗물에 쉽게 씻겨 내려가는 가용성 염과 비교하여, Si₃N₄는 불용성 분말에서 암모늄 모이어티의 다양한 용출 주기와 인간 병원체에 대한 이전 연구에 따라 반응성 질소 종의 생성을 통해 더 오래 지속되는 보호 기능을 제공할 수 있다. 사실, 처리 시, Si₃N₄ 입자는 기공 내부에 갇힌 상태로 남을 수 있고(도 11a), 우천 동안, 물은 반복적으로 적대적인 화학적 환경을 생성할 수 있으며(도 11b), 이차 감염 주기에서 포자낭 방출을 손상시킬 수 있으므로 추가 화학 처리에 대한 필요성을 감소시킨다. 일부 미생물은 식물 병원체에 대한 전신 내성을 제공하여 질병의 중증도를 감소시킬 수 있다. 내성은 보호 효소 분자의 합성으로 이어지는 대사 반응을 생성하는 숙주 식물 생리학의 변경 결과이다. 상업적인 생물학적 제제인 트리코데르마 하르지아눔 균주 T39는 노균병에 대한 전신 내성에 적합한 미생물일 수 있다. 3가지 다른 생물유발제(즉, 트리코데르마 하르지아눔 , 스트렙토마이세스 플리카투스 및 슈도모나스 플루오레스센스)의 효율성이 전신 내성 유도에서 조사되었다.　트리코데르마 하르지아눔은 노균병에 대해 가장 강력한 내성을 나타냈고 스트렙토마이세스 플리카투스가 그 뒤를 이었다. 그러나 처리 시 엽록소와 카로텐의 증가가 관찰되었고; 그리고 세 가지 생물 요법 사이에서 단백질 발현 수준에서 유의한 다양성이 발견될 수 있었다. 일반적으로 전신 내성을 유도하기 위해 미생물을 사용하는 것은 단일 형태의 내성에만 효과가 있다는 단점이 있다. 그들은 궁극적으로 병원체 돌연변이를 일으킬 수 있는 다양성을 겪는다.Among the inorganic salts, examples mainly include bicarbonates, phosphates, silicates, chlorides, and phosphites. Their activity was reported mainly against powdery mildew of various crops, including grapevines, whereas only sodium bicarbonate showed limited efficacy against downy mildew of grapevines. The development of silicon nitride-based phytosanitary products falls into this last category. In this context, silicates deserve special mention: several soluble silicate salts have direct or indirect action against various fungal infections by stimulating the plant's natural defense mechanisms and strengthening the plant cell wall. The production of SiO ₂ and Si(OH) ₄ from Si ₃ N ₄ (as described in reactions (1)-(3)) thus induces plant resistance, thereby directing ammonia to P. viticola sporangia and zoospores. action, which is partly responsible for the almost complete suppression of the infectious process observed in the experiment. In addition, compared to soluble salts, which are easily washed away by rainwater, Si ₃ N ₄ has a longer lasting protective function through various elution cycles of ammonium moieties in insoluble powders and generation of reactive nitrogen species according to previous studies on human pathogens. can provide. Indeed, upon treatment, Si ₃ N ₄ particles can remain trapped inside the stomata ( FIG. 11a ), and during rainy weather, water can repeatedly create a hostile chemical environment ( FIG. 11b ), and in secondary infection cycles the sporangia Reduces the need for additional chemical treatment as it may impair release. Some microorganisms can confer systemic resistance to plant pathogens, reducing disease severity. Tolerance results from alterations in host plant physiology that generate metabolic reactions leading to the synthesis of protective enzyme molecules. Trichoderma harzianum strain T39, a commercial biologic, may be a suitable microorganism for systemic resistance to Downy Mildew. 3 different bioinducing agents (i.e., Trichoderma harzianum , Streptomyces Plicatus and Pseudomonas fluorescens ) were investigated in inducing systemic tolerance. Trichoderma harzianum showed the strongest resistance to downy mildew, followed by Streptomyces plicatus . However, increases in chlorophyll and carotene were observed with the treatment; And significant variability could be found in the protein expression level between the three biotherapies. In general, the use of microorganisms to induce systemic resistance has the disadvantage that only a single type of resistance is effective. They undergo diversity that can ultimately cause pathogen mutations.

보다 일반적인 관점에서, 난균 플라스모파라 비티콜라의 병인 배후에 있는 분자 메커니즘은 거의 알려져 있지 않다. 감염을 유발하기 위해, 면역을 억제하고 식물 감수성을 향상시키는 난균류에 의해 세포질 및 아포플라스틱 이펙터 단백질이 분비된다. 시퀀싱된 난균 게놈의 이펙터는 빠르게 진화하고 식물 내성 유전자에 대응하고 식물 RNA 침묵 메커니즘을 억제하는 새로운 기능을 획득하는 것으로 밝혀졌다. 이펙터 단백질의 작용에 대응하는 것은 게놈 시퀀싱과 관련된 복잡성 때문에 전통적으로 어려웠다. 의무적으로 다중 오믹스 접근 방식이 필요하다. 비교 게놈을 활용하여, 문헌[Brilli 등]은 최근 플라스모파라 비티콜라 게놈에서 생명의 기생영양 방식을 설명할 수 있는 누락된 대사 기능의 발견을 보고하였다. 그들은 내성 포도덩굴에서 면역을 유발하는 단백질 이펙터를 확인하였다. 작은 RNA 및 게놈 전체 데그라돔 시퀀싱을 조합하는 RNA 말단의 병렬 분석을 위해 문헌[German 등]에 의해 개발된 새로운 방법은 감염 중에 유전자를 표적으로 하는 작은 RNA의 복잡한 네트워크를 발견하였다. 따라서 새로운 양방향 RNA 침묵화 전략이 제안되었다. 파토메트릭(pathometric) 기술은 최근에 높은 수준의 정교함에 도달했지만 병원체-숙주 상호작용의 복잡성도 공개하였다. 연구된 시스템은 "내성" 및 "감수성" 유형의 반응만 인식되더라도, 제한된 수의 유전자에 대해서만 코딩되고 해석될 수 있었다(많은 유전자 대 유전자 상호작용이 예상됨).From a more general point of view, oomycete plasmopara Little is known about the molecular mechanisms behind the pathogenesis of viticola . To cause infection, cytoplasmic and apoplastic effector proteins are secreted by oomycetes that suppress immunity and enhance plant susceptibility. Effectors in the sequenced oomycete genome were found to evolve rapidly and acquire new functions to counteract plant resistance genes and suppress plant RNA silencing mechanisms. Counteracting the action of effector proteins has traditionally been difficult because of the complexity involved in genomic sequencing. A multi-omics approach is mandatory. Utilizing comparative genomes, the literature [Brilli et al.] recently reported that plasmopara reported the discovery of a missing metabolic function in the Bticola genome that could explain the parasitic mode of life. They identified protein effectors that trigger immunity in resistant grapevines. A new method developed by German et al. for parallel analysis of RNA ends combining small RNA and genome-wide degradome sequencing uncovered complex networks of small RNAs that target genes during infection. Therefore, a new bidirectional RNA silencing strategy has been proposed. Pathometric techniques have recently reached a high level of sophistication, but have also revealed the complexity of pathogen-host interactions. Although the studied system recognized only “resistant” and “susceptible” types of responses, it could only be coded for and interpreted for a limited number of genes (many gene-to-gene interactions expected).

Si₃N₄는 환경 친화적인 농약에 대한 대체 접근 방식의 몇 가지 단점을 해결할 가능성이 있는 흥미로운 다중 기계 항병원성 거동을 나타낸다. Si₃N₄의 광범위한 항병원성 효과는 질소 화학 때문이다. 물은 질소를 방출하는 것을 유발하여 병원체의 용해를 초래하는 일련의 반응을 일으킨다. Si₃N₄의 표면에서 생성된 질소 종은 병원체의 단백질을 변경하고 DNA에 대한 질산화적 손상을 유도하며 병원체 막 구조를 변형시키는 대사 효소를 자극한다. 이러한 발견은 인간 병원체에 대한 이전 연구와 일치한다. 세포벽을 가로지르는 NH₃의 확산으로 인해 병원체의 세포질에서 발생하는 다중 기계 용해 반응은 병원체에 의한 돌연변이의 가능성을 감소시킨다. 또한 Si₃N₄는 이식 가능한 생체 재료로 사용되기 때문에 진핵 세포에 독성이 없다. 그것은 지구 선사 시대에 내재된 환경 친화적인 요소만을 함유한다. 여러 식물 종은 특히 생물학적 및 비생물적 스트레스를 완화하는 데 있어 Si 시비(Si fertilization)의 이점을 얻는다. Si₃N₄ 분해에 의해 생성되는 암모늄은 유기 질소 합성에 관여하는 주요 무기 종이다. 토양의 암모늄 및 질산염 이온은 뿌리 특정 수송체를 통해 직접 흡수되어 효과적으로 활용된다. 포도덩굴의 경우, NH₄ ⁺는 브레종 이전에는 총 질소의 최대 80%를 차지하지만 성숙 후에는 5-10%로 감소하고 포도 발효 후에는 더 낮아진다. Si₃N₄에서 용출된 질소는 베리 품질 및 발효 조건 개선에 기여할 수 있다. 제한 요인으로, 비료와 Si₃N₄에서 나오는 질소 양의 균형을 맞추는 데 주의를 기울여야 하는 것은, 과도한 질소는 페놀 화합물의 생성과 포도와 덩굴의 맛 또는 품질을 변화시킬 수 있기 때문이다. 여러 식물 종은 특히 생물학적 및 비생물적 스트레스를 완화하는 데 있어 Si 시비의 이점을 얻는다.Si ₃ N ₄ exhibits interesting multi-mechanistic antipathogenic behavior that has the potential to address some of the drawbacks of alternative approaches to environmentally benign pesticides. The broad antipathogenic effect of Si ₃ N ₄ is due to its nitrogen chemistry. The water triggers the release of nitrogen, which sets in motion a series of reactions that result in the dissolution of the pathogen. Nitrogen species generated on the surface of Si ₃ N ₄ alter the pathogen's proteins, induce nitric damage to DNA, and stimulate metabolic enzymes that modify the pathogen membrane structure. These findings are consistent with previous studies of human pathogens. Multiple mechanolytic reactions that occur in the cytoplasm of pathogens due to diffusion of NH ₃ across the cell wall reduce the potential for pathogen-induced mutations. In addition, since Si ₃ N ₄ is used as a transplantable biomaterial, it is not toxic to eukaryotic cells. It contains only the environmentally friendly elements inherent in Earth's prehistoric times. Several plant species benefit from Si fertilization, particularly in mitigating biotic and abiotic stresses. Ammonium produced by Si ₃ N ₄ decomposition is the major inorganic species involved in organic nitrogen synthesis. Ammonium and nitrate ions in the soil are directly absorbed and effectively utilized through root-specific transporters. In grapevines, NH ₄ ⁺ accounts for up to 80% of the total nitrogen before breison, but decreases to 5-10% after maturation and even lower after grape fermentation. Nitrogen eluted from Si ₃ N ₄ can contribute to improving berry quality and fermentation conditions. As a limiting factor, care must be taken to balance the amount of nitrogen from fertilizer and Si ₃ N ₄ , as excess nitrogen can alter the production of phenolic compounds and the taste or quality of grapes and vines. Several plant species benefit from Si fertilization, particularly in mitigating biotic and abiotic stresses.

실시예 6:Example 6:

이러한 예는 P. 비티콜라에 의한 포도덩굴 감염에 대한 Si₃N₄의 효과에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. 무기질 친환경 제제로서, 중금속 농약 및 새로운 친환경 항병원성 분자를 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. Si₃N₄의 사용은 또한 포도 재배에서 중금속 사용을 줄이기 위한 현재의 규제 경향과도 일치한다. Si₃N₄의 고유한 화학은 포자낭에서 삼투 스트레스를 유발하고 중탄산염과 같은 농업 응용 분야의 다른 무기염에 사용되는 농도의 몰 범위인 1.5 부피%만큼 낮은 농도에서도 미성숙한 유주자의 낙태를 유발한다. 라만 실험은 포스페이트 데옥시리보스 백본의 절단 및 구아닌 고리의 파괴를 포함하는 화학적 메커니즘에 대한 중요한 정보를 제공하였다. 다양한 포도덩굴 종의 잎에 대한 실험에서, Si₃N₄는 현미경 관찰에서 드러난 바와 같이 매우 초기 단계에서 감염 과정을 심각하게 감소시키거나 차단하여 포자낭 발아 및 유주자 생존력에 영향을 미치는 것으로 나타났다. Si₃N₄의 사용은 질소 요구량이 높은 포도덩굴에 가장 유익할 것이고, 여기서 구리 기반 제형은 환경뿐만 아니라 덩굴 품질에도 해롭다. Si₃N₄에는 환경 친화적인 요소만 함유되어 있기 때문에 이 세라믹은 독성 구리 및 황 요소를 포함하는 접촉 살진균제의 적절한 대안이 될 것이다. Si₃N₄는 기존의 합성 제품에 비해 여러 가지 이점과 다른 무기 염에 비해 기술적 이점이 있는 유망한 생물농약으로 간주될 수 있으며 통합 질병 관리에 유용한 구성 요소가 될 수 있다. This example provides new insight into the effect of Si ₃ N ₄ on grapevine infection by P. viticola . As an inorganic environmentally friendly agent, it has the potential to replace heavy metal pesticides and new environmentally friendly antipathogenic molecules. The use of Si ₃ N ₄ is also consistent with current regulatory trends to reduce the use of heavy metals in viticulture. The unique chemistry of Si ₃ N ₄ causes osmotic stress in the sporangia and abortion of immature zoospores even at concentrations as low as 1.5% by volume, which is the molar range of concentrations used for other inorganic salts in agricultural applications, such as bicarbonate. Raman experiments have provided important information about the chemical mechanisms involving cleavage of the phosphate deoxyribose backbone and breaking of the guanine ring. In experiments on leaves of various grapevine species, Si ₃ N ₄ was shown to significantly reduce or block the infection process at a very early stage, as revealed by microscopic observation, affecting sporangial germination and zoospore viability. The use of Si ₃ N ₄ will benefit most grapevines with high nitrogen demand, where copper-based formulations are detrimental to the environment as well as to vine quality. Since Si ₃ N ₄ contains only environmentally friendly elements, this ceramic is a suitable alternative to contact fungicides containing toxic copper and sulfur elements. Si ₃ N ₄ can be considered as a promising biopesticide with several advantages over existing synthetic products and technological advantages over other inorganic salts and can be a useful component for integrated disease management.

특정 구현예가 도시되고 설명되었지만, 당업자에게 명백한 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정이 이루어질 수 있음을 상기로부터 이해해야 한다. 이러한 변경 및 수정은 여기에 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 및 교시 내에 있다.While particular embodiments have been shown and described, it should be understood from the foregoing that various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention, as will be apparent to those skilled in the art. Such changes and modifications are within the scope and teachings of this invention as defined in the claims appended hereto.

Claims (13)

식물에서 병원체를 치료 또는 예방하는 방법으로서, 상기 방법은 식물을 질화규소를 포함하는 조성물과 접촉시키는 단계를 포함하는, 방법.A method of treating or preventing a pathogen in a plant, the method comprising contacting the plant with a composition comprising silicon nitride. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 질화규소 입자의 슬러리 및 용매를 포함하는, 방법.The method of claim 1 , wherein the composition comprises a slurry of silicon nitride particles and a solvent. 제2항에 있어서, 상기 용매는 물인, 방법.3. The method of claim 2, wherein the solvent is water. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 약 0.5 부피% 내지 약 20 부피%의 질화규소를 포함하는, 방법.4. The method of any one of claims 1-3, wherein the composition comprises from about 0.5% to about 20% silicon nitride by volume. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 약 1 부피% 내지 약 3 부피%의 질화규소를 포함하는, 방법.5. The method of any one of claims 1-4, wherein the composition comprises about 1% to about 3% silicon nitride by volume. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접촉시키는 단계는 분무, 미스팅(misting) 또는 침지(dipping)를 포함하는, 방법.6. The method of any one of claims 1 to 5, wherein the contacting step comprises spraying, misting or dipping. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 식물은 농업 식물, 나무 또는 덩굴인, 방법.7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the plant is an agricultural plant, tree or vine. 제7항에 있어서, 상기 농업 식물은 곡물, 콩과식물, 괴경, 목초, 지방종자, 채소 또는 과일이고; 나무는 과일, 조경 또는 삼림 나무이고; 그리고 덩굴은 포도덩굴인, 방법. 8. The method of claim 7, wherein the agricultural plant is a grain, legume, tuber, grass, oilseed, vegetable or fruit; The tree is a fruit, landscape or forest tree; And how, the vine is a grape vine. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 병원체는 노균병, 흰가루병, 보트리티스 썩음병, 푸사리움 썩음병, 녹병, 라이족토니아 썩음병, 스클레로티니아 썩음병, 또는 스클레로티움 썩음병으로부터 선택되는 식물병을 일으키는, 방법.9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the pathogen is from downy mildew, powdery mildew, botrytis rot, fusarium rot, rust, rhizoctonia rot, Sclerotinia rot, or Sclerotium rot. How to cause selected plant diseases. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 병원체는 진균인, 방법.10. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the pathogen is a fungus. 제10항에 있어서, 상기 진균은 플라스모파라 비티콜라인, 방법.11. The method of claim 10, wherein the fungus is Plasmopara Viticolain , Methods. 제11항에 있어서, 상기 식물은 비티스 비니페라인, 방법.12. The method of claim 11, wherein the plant is Vitis Vinifera , Methods. 제12항에 있어서, 비티스 비니페라는 카베르네 소비뇽, 카노나우 또는 술타나인, 방법.13. The method of claim 12, Vinifera is Cabernet Sauvignon, Carnonau or Sultanain, method.

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