Tên đề tài: “Xác định các hợp chất đối kháng thực vật từ cúc Sài đất (Wedelia spp.) và cúc Sao nhái (Cosmos spp.) đối với cỏ dại trong ruộng lúa”

Tác giả: Nguyễn Thị Thùy Trang, Khóa: 2022

Ngành: Bảo vệ thực vật; Mã số: 9620112. Nhóm ngành: Nông, lâm nghiệp và thủy sản.

Người hướng dẫn chính: PGS.TS. Hồ Lệ Thi, Đại học Cần Thơ

Người hướng dẫn phụ: TS. Nguyễn Thế Cường, Viện lúa Đồng bằng sông Cửu Long

1. Tóm tắt nội dung luận án

Luận án “Xác định các hợp chất đối kháng thực vật từ cúc Sài đất (Wedelia spp.) và cúc Sao nhái (Cosmos spp.) đối với cỏ dại trong ruộng lúa” được thực hiện từ tháng 9 năm 2022 đến tháng 3 năm 2025 tại Phòng thí nghiệm Bảo vệ Thực vật (ATL 5.19 và ATL 5.20), Đại học Cần Thơ. Nghiên cứu nhằm: (1) Đánh giá khả năng đối kháng thực vật của dịch chiết methanol toàn phần từ cúc Sài đất (Wedelia trilobata L.), cúc Sao nhái cam (Cosmos bipinnatus Cav.), và cúc Sao nhái vàng (Cosmos sulphureus Cav.) đối với sinh trưởng của các loài chỉ thị gồm cải bẹ xanh (Brassica juncea L.), cỏ lồng vực nước (Echinochloa crus-galli L.), cỏ đuôi phụng (Leptochloa chinensis L.), cỏ chác (Fimbristylis miliacea L.) và hai giống lúa (Oryza sativa L.) cv. OM5451 và OM380; (2) Định lượng hàm lượng phenolic và flavonoid trong các cao khô chiết xuất từ MeOH; (3) Phân lập, định danh các hợp chất đối kháng (CĐK) có trong chi Cosmos; và (4) Đánh giá hoạt tính sinh học của các CĐK chính đối với sinh trưởng của cỏ lồng vực nước.

Kết quả phân tích HPLC xác định được sáu hợp chất phenolic chính gồm axit cinnamic, caffeic, p-coumaric, ferulic, 2,4-dimethoxybenzoic, và salicylic xuất hiện ở cả hai loài Cosmos, trong khi axit gallic, vanillic và veratric (3,4-dimethoxybenzoic) chỉ có ở Sao nhái vàng. Đặc biệt, hai flavonoid homo-orientin và vitexin - glycoside của luteolin và apigenin - lần đầu tiên được ghi nhận trong C. sulphureus. Hàm lượng phenolic trong lá Sao nhái vàng dao động từ 0,35 - 31,15 µg/g, trong đó axit veratric cao nhất; flavonoid đạt 112,4 µg/g (Homo-orientin) và 93,6 µg/g (Vitexin).

Hợp chất phenolic thể hiện khả năng ức chế cỏ lồng vực nước cao nhất là trans-cinnamic (ức chế 100% thân, rễ lần lượt ở 2,56 mM và 1,28 mM), EC₅₀ thân = 0,14 mM, EC₅₀ rễ = 0,03 mM; tiếp đến là p-coumaric và gallic cho hiệu lực ức chế lên thân LVN,  bằng nhau (EC₅₀ = 0,15 mM), hiệu lực gallic (EC₅₀ = 0,08 mM) lên rễ thấp hơn p-coumaric (EC₅₀ = 0,04 mM). Salicylic và vanillic cho hiệu lực ức chế thân LVN tương đương nhau (EC₅₀ = 0,32 mM/ 0,31mM), tuy nhiên hiệu quả ức chế vanillic (EC₅₀ = 9,13 mM) lên rễ LVN kém nhất so với các CĐK còn lại. Veratric tác động lên rễ (EC₅₀ = 0,61 mM) và hiệu quả trên thân LVN là thấp nhất (EC₅₀ = 2,87 mM). So sánh giữa các loài cho thấy C. sulphureus có hoạt tính mạnh nhất, kế đến C. bipinnatus, trong khi W. trilobata thể hiện mức ức chế thấp hơn nhưng có tiềm năng bền vững sinh thái cao.

Kết quả khẳng định tiềm năng ứng dụng cơ chế allelopathy - ức chế sinh học thông qua hợp chất tự nhiên - trong quản lý cỏ dại thân thiện môi trường. Đặc biệt, axit trans-cinnamic được xác định là hợp chất chủ lực có hoạt tính sinh học cao, nhấn mạnh vai trò của hệ rễ là cơ quan nhạy cảm nhất với tác động ĐKTV. Nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ cơ chế sinh hóa của hợp chất đối kháng tự nhiên, mở ra hướng phát triển chế phẩm trừ cỏ sinh học an toàn, phù hợp với định hướng nông nghiệp xanh và thích ứng biến đổi khí hậu tại Đồng bằng sông Cửu Long.

Từ khóa: Cosmos spp., chất đối kháng, flavonoid, HPLC, phenolic, Wedelia trilobata

2. Những kết quả mới của luận án
3. Đánh giá khả năng đối kháng thực vật của ba loài họ Cúc ( sulphureus, C. bipinnatus và W. trilobata) đến ba loài cỏ dại chủ lực của hệ sinh thái ruộng lúa Việt Nam (cỏ lồng vực nước, cỏ đuôi phụng, cỏ chác) đã xác định được Chi Cosmos spp. cho hiệu quả ức chế thực vật cao và ổn định hơn so với loài cúc Sài đất (W. trilobata). Đồng thời xác định được bộ phận lá của 2 loài thuộc Chi Cosmos spp. ở giai đoạn 60 ngày tuổi cho hiệu quả ức chế cỏ lồng vực nước cao nhất.
4. Phân lập và định danh được một số hợp chất đối kháng từ cúc Sao nhái (Cosmos ) bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC).

• CĐK trong cúc Sao nhái cam ( bipinnatus): Nhóm phenolic gồm có axit cinnamic, axit caffeic, axit coumaric, axit ferulic, axit 2,4-dihydroxybenzoic, axit salicylic.
• CĐK trong cúc Sao nhái vàng ( sulphureus): Nhóm phenolic gồm có axit gallic, axit vanillic, axit p-coumaric, axit veratric, axit salicylic, axit trans-cinnamic. Đặc biệt, định lượng được 2 chất homo-orientin và vitexin là 2 CĐK mới thuộc nhóm flavonoid được phân lập định danh có trong loài SNV.

3. Định tính và định lượng được nhóm phenolic và flavonoid trong cúc Sài đất, Sao nhái cam, Sao nhái vàng.
4. Xác định được hiệu quả ức chế sinh trưởng của các hợp chất tinh khiết (Axit p-coumaric, trans-cinnamic, salicylic, veratric, vanillic, gallic) lên cỏ lồng vực nước trong điều kiện phòng thí nghiệm.
5. Các ứng dụng/khả năng ứng dụng trong thực tiễn, các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu

Các nghiên cứu chuyên sâu

Cần thử nghiệm mở rộng hoạt tính của các hợp chất đối kháng chính (đặc biệt là axit trans-cinnamic, homo-orientin và vitexin) trên phổ rộng các loài cỏ dại chính và cây trồng nông nghiệp chủ lực tại Đồng bằng sông Cửu Long để đánh giá tính chọn lọc và phổ tác động.

Nghiên cứu làm rõ cơ chế tác động ở cấp độ tế bào và phân tử của các hợp chất này, bao gồm ảnh hưởng đến quá trình phân bào, cân bằng hormone, quang hợp và các con đường truyền tín hiệu tế bào.

Đánh giá toàn diện ảnh hưởng của dịch chiết và các hợp chất tinh khiết lên hệ vi sinh vật đất để đảm bảo tính an toàn sinh thái khi ứng dụng.

Hướng phát triển ứng dụng và thương mại hóa

Phát triển và tối ưu hóa quy trình chiết xuất ở quy mô pilot, xây dựng quy trình bán tổng hợp hoặc thu nhận sinh khối các hợp chất chính để chủ động nguồn nguyên liệu.

Nghiên cứu công nghệ bào chế (dạng bột thấm nước, dung dịch huyền phù) và công thức phối chế để nâng cao hiệu lực và độ ổn định của chế phẩm từ dịch chiết Sao nhái vàng.

Tiến hành các thử nghiệm diện hẹp trong điều kiện nhà lưới và diện rộng ngoài đồng ruộng trên các cây trồng cụ thể (như lúa) để đánh giá hiệu quả thực tế và tính khả thi về kinh tế, hướng tới mục tiêu thương mại hóa một chế phẩm diệt cỏ sinh học an toàn, bền vững.

Doctoral Dissertation title: “Identification of Allelopathic Compounds from Wedelia spp. and Cosmos spp. Against Weeds in Rice Fields”

- Major: Plant Protection                                          Code: 9620112

- Full name of PhD student: NGUYEN THI THUY TRANG    Year: 2022

- Scientific supervisor: Assoc. Prof. Dr. Ho Le Thi

- Scientific co-supervisor: Dr. Nguyen The Cuong

- Educational institution: Can Tho University

1. Content of thesis summary

The dissertation titled "Identification of Allelopathic Compounds from Wedelia spp. and Cosmos spp. Against Weeds in Rice Fields" was conducted from September 2022 to March 2025 at the Plant Protection Biotechnology Laboratory (ATL 5.19 and ATL 5.20), Can Tho University. The study aimed to: (1) Assess the allelopathic potential of methanol extracts (MeOH) from Wedelia trilobata L., Cosmos bipinnatus Cav., and Cosmos sulphureus Cav. on the growth of indicator species including mustard greens (Brassica juncea L.), barnyard grass (Echinochloa crus-galli L.), red sprangletop (Leptochloa chinensis L.), grasslike fimbry (Fimbristylis miliacea L.), and two rice cultivars (Oryza sativa L.) cv. OM5451 and OM380; (2) Quantify the total phenolic and flavonoid content in the MeOH extracts; (3) Isolate and identify the allelopathic compounds (ACs) in Cosmos spp.; and (4) Evaluate the biological activity of key ACs on the growth of mustard greens and barnyard grass.

HPLC analysis identified six major phenolic compounds, including cinnamic acid, caffeic acid, p-coumaric acid, ferulic acid, 2.4-dimethoxybenzoic acid, and salicylic acid, present in both Cosmos species, while gallic acid, vanillic acid, and veratric acid (3.4-dimethoxybenzoic acid) were found only in C. sulphureus. Notably, two flavonoids, homo-orientin and vitexin - glycosides of luteolin and apigenin - were recorded for the first time in C. sulphureus. The phenolic content in C. sulphureus leaves ranged from 0.35 to 31.15 µg/g, with veratric acid being the highest; flavonoids reached 112.4 µg/g (Homo-orientin) and 93.6 µg/g (Vitexin).

The phenolic compounds exhibited strong growth inhibition of barnyard grass (BG), trans-cinnamic acid showed the highest activity (100% stems, roots inhibition at 2.56 mM, 1.28 mM), EC₅₀ stems = 0.14 mM, EC₅₀ roots = 0.03 mM; followed by p-coumaric acid and gallic acid (EC₅₀ = 0.15 mM). The efficacy of gallic acid (EC₅₀ = 0.08 mM) on roots is lower than that of p-coumaric acid (EC₅₀ = 0.04 mM). Salicylic and vanillic acids exhibit comparable inhibitory effects on BG stems (EC₅₀ = 0.32 mM / 0.31 mM). However, vanillic acid (EC₅₀ = 9.13 mM) shows the weakest inhibitory effect on BG roots compared to the other compounds. Veratric acid affects roots (EC₅₀ = 0.61 mM) and has the lowest efficacy on BG stems (EC₅₀ = 2.87 mM).

Comparison between species revealed that C. sulphureus exhibited the strongest activity, followed by C. bipinnatus, while W. trilobata showed lower inhibition but with higher ecological sustainability potential.

The results confirm the potential of applying the allelopathy mechanism - biological inhibition via natural compounds - in environmentally friendly weed management. In particular, trans-cinnamic acid was identified as a key compound with high biological activity, highlighting the role of roots as the most sensitive organ to allelopathic effects. This study contributes to elucidating the biochemical mechanisms of natural allelopathic compounds and opens up opportunities for developing safe biological herbicides, aligning with the green agriculture strategy and climate change adaptation in the Mekong Delta.

Keywords: Allelochemicals, Cosmos spp., flavonoids, HPLC, phenolic, Wedelia trilobata.

2. The novel aspects from the thesis
3. Evaluating the plant resistance ability of three species in the Asteraceae family (C. sulphureus, C. bipinnatus, and W. trilobata) to three main weed species in the Vietnamese rice ecosystem (water hyacinth, foxtail grass, and crabgrass) has identified the genus Cosmos spp. showed higher and more stable plant inhibition efficacy compared to the common purslane (W. trilobata). At the same time, the leaf parts of two species belonging to the genus Cosmos spp. were identified. at the 60-day stage, showing the highest effectiveness in inhibiting water hyacinth.
   2. Isolate and identify some antagonistic compounds from Cosmos spp. Isolate and identify some antagonistic compounds from Cosmos spp. ) using high-performance liquid chromatography (HPLC).
   • Phytochemical composition in Cosmos sulphureus (C. bipinnatus): The phenolic group includes cinnamic acid, caffeic acid, coumaric acid, ferulic acid, 2,4-dihydroxybenzoic acid, and salicylic acid.
               • Secondary metabolites in golden cosmos (C. sulphureus): The phenolic group includes gallic acid, vanillic acid, p-coumaric acid, veratric acid, salicylic acid, trans-cinnamic acid. Especially, two new compounds, homo-orientin and vitexin, belonging to the flavonoid group, have been quantified and identified in the species SNV.
               3. Identification and quantification of phenolic and flavonoid groups in Sài đất, Sao nhái cam, and Sao nhái vàng. Qualitative and quantitative analysis of phenolic and flavonoid groups in Sài đất chrysanthemum, orange mock star, and yellow mock star.
               4. Determine the growth inhibition effect of pure compounds (p-coumaric acid, trans-cinnamic acid, salicylic acid, veratric acid, vanillic acid, gallic acid) on water hyacinth under laboratory conditions. Determining the growth inhibition efficacy of pure compounds (p-coumaric acid, trans-cinnamic acid, salicylic acid, veratric acid, vanillic acid, gallic acid) on water hyacinth under laboratory conditions.
4. Application prospect and suggestions for further study

In-depth studies

It is necessary to extensively test the activity of key antagonistic compounds (especially trans-cinnamic acid, homo-orientin, and vitexin) on a wide range of major weeds and key agricultural crops in the Mekong Delta to evaluate their selectivity and impact spectrum.

The study clarifies the mechanisms of action at the cellular and molecular levels of these compounds, including their effects on cell division, hormone balance, photosynthesis, and cellular signaling pathways.

Comprehensive assessment of the impact of extracts and pure compounds on soil microbial communities to ensure ecological safety when applied.

Direction for application development and commercialization

Develop and optimize the extraction process at the pilot scale, establish a semi-synthetic process or biomass collection of the main compounds to proactively source raw materials.

Research the formulation technology (water-soluble powder, suspension solution) and formulation to enhance the efficacy and stability of products from the extract of Goldenseal.

Conduct narrow-scale trials in greenhouse conditions and wide-scale trials in the field on specific crops (such as rice) to evaluate the actual effectiveness and economic feasibility, aiming toward the commercialization of a safe and sustainable biological herbicide formulation.

• Xem chi tiết nội dung luận án
• Xem thông tin đăng tải tại Website Bộ giáo dục và Đào tạo. (Nhập tên NCS vào ô tìm kiếm)