Natural products in crop protection

---

Natural products in crop protection
Franck E. Dayan
*
, Charles L. Cantrell, Stephen O. Duke
Natural Products Utilization Research Unit, Agricultural Research Service, United States Department of Agriculture, University, MS 38677, USA
a r t i c l e
i n f o
Article history:
Received 31 October 2008
Revised 14 January 2009
Accepted 22 January 2009
Available online 27 January 2009
Keywords:
Natural pesticide
Sustainable agriculture
Natural herbicide
Natural fungicide
Natural insecticide
Essential oils
Biological control
Triketone
Corn gluten
Momilactone
Sorgoleone
Bialaphos
Spinosad
Avermectins
Milbemycins
Ryania
Sabadilla
Chitin
Harpin
Strobilurins
a b s t r a c t
The tremendous increase in crop yields associated with the ‘green’ revolution has been possible in part by
the discovery and utilization of chemicals for pest control. However, concerns over the potential impact
of pesticides on human health and the environment has led to the introduction of new pesticide registra-
tion procedures, such as the Food Quality Protection Act in the United States. These new regulations have
reduced the number of synthetic pesticides available in agriculture. Therefore, the current paradigm of
relying almost exclusively on chemicals for pest control may need to be reconsidered. New pesticides,
including natural product-based pesticides are being discovered and developed to replace the com-
pounds lost due to the new registration requirements. This review covers the historical use of natural
products in agricultural practices, the impact of natural products on the development of new pesticides,
and the future prospects for natural products-based pest management.
Published by Elsevier Ltd.
1. Introduction
The success of modern agricultural practices is due in part to
discovery and adoption of chemicals for pest control. Indeed, the
tremendous increase in crop yields associated with the ‘green’ rev-
olution would not have been achieved without the contribution of
these synthetic compounds. The abundance of high quality food in
developed nations has all but eliminated concerns about access to
food in these countries. However, concerns over the potential im-
pact of pesticides on the environment has now become more
pressing and more stringent pesticide registration procedures,
such as the Food Quality Protection Act in the United States,
1
have
been introduced. These new regulations have reduced the number
of synthetic pesticides available in agriculture. Therefore, the
current paradigm of relying almost exclusively on chemicals for
pest control may need to be reconsidered.
2
New pesticides, including natural product-based pesticides are
being discovered and developed to replace the compounds lost
due to the new registration requirements.
3
New pesticides are also
needed to combat the evolution of resistance to pesticides.
3
This
review covers the historical use of natural products in agricultural
practices, the impact of natural products on the development of
new pesticides, and the future prospects for natural products-
based pest management. We separate products or compounds that
might be used in organic agriculture from those used in conven-
tional agriculture, but make the disclaimer that not every product
that we mention in the organic agriculture sections may be legally
used in every country for organic agriculture. The rules regarding
what is accepted for organic agriculture vary between countries
and even between states and do not always have a scientific
rational for inclusion or exclusion.
4,5
In general, organic agriculture
does not accept synthetic versions of natural compounds. Organic
0968-0896/$ - see front matter Published by Elsevier Ltd.
doi:10.1016/j.bmc.2009.01.046
*
Corresponding author. Tel.: [phone]; fax: [phone].
E-mail address:
[e-mail]
(F.E. Dayan).
Bioorganic & Medicinal Chemistry 17 (2009) 4022–4034
Contents lists available at
ScienceDirect
Bioorganic & Medicinal Chemistry
j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v i e r . c o m / l o c a t e / b m c

---

farmers need to consult with their certification agency or program
to be sure that any material they use is ‘certified’ or acceptable as
organic. Also, we do not cover biocontrol products (living organ-
isms) for pest management, many of which are used by organic
farmers. For the most part, we do not mention natural products
that are not currently used in agriculture for pest management.
Many natural compounds have been discovered and patented for
such use, but are not commercially available for numerous reasons.
1.1. Crop protection, a historical overview
The need for producing more food within a particular area arose
as nomadic populations of hunter-gatherers settled to form more
permanent communities. For thousands of years, agricultural prac-
tices relied heavily on crop rotation or mixed crop planting to opti-
mize natural pest control (such as predation, parasitism, and
competition). Therefore, the concept of ‘natural pesticides’ arose
early in the development of agriculture. Indeed, the Lithica poem
(c. 400 B.C.) states ‘All the pests that out of earth arise, the earth
itself the antidote supplies’.
6
Greek and Roman scholars such as
Theophrastus (371–287 B.C.), Cato the Censor (234–149 B.C.), Var-
ro (116–27 B.C.), Vergil (70–19 B.C.), Columella (4–70 A.D.) and
Pliny the elder (23–79 A.D.) published treaties on agricultural prac-
tices to minimize the negative effects of pests on crops. Methods
such as mulching and burning, as well as the use of oils for pest
control were mentioned. Chinese literature (ca. 300 A.D.) describes
an elaborate system of biological control of caterpillar infestations
in citrus orchards. Colonies of the predatory ants (Oecophylla smar-
agdina) were introduced in citrus groves, and bridges made of
bamboo allowed the ants to move between trees. A survey of the
Shengnong Ben Tsao Jing era (25–220 A.D.) shows that 267 plant
species were known to have pesticidal activity.
7
Finally, the use
of beneficial insects to control other insect pests was mentioned
by Linnaeus as early as 1752, and he won a prize in 1763 for an
essay describing the biological control of caterpillars.
The European agricultural revolution that followed in the 19th
century was accompanied by more extensive and international
trade that resulted in the discovery of botanical insecticidal pow-
ders from Chrysanthemum flower heads and Derris root which con-
tain pyrethrum and rotenone, respectively. The advent of extensive
monoculture and intensive agricultural practices of the 20th cen-
tury was accompanied by increases in yields. New cultivars were
selected based on their higher yields, but many of these lines seem
to have lower resistance to pests. This has resulted in greater pest
pressure, which has mostly been addressed by the use of synthetic
pesticides.
1.2. Structural diversity in nature
A recent report probing the structural diversity of organic
chemistry by performing a scaffold analysis of all the compounds
available in the CAS registry confirmed that most of the 24 million
organic compounds in the database can be classified in as few as
143 basic structural groups.
8
This is due primarily to the fact that
molecular scaffoldings used in organic chemistry are limited. On
the other hand, a study on the complementarity between synthetic
and natural pharmacophores highlighted that natural products
generally have a high structural diversity, possessing more chiral
centers, sp
3
-hybridized carbons, and rings than synthetic com-
pounds.
9
Few natural products contain halogens (Cl, F, and Br),
but they tend to be rich in oxygen and nitrogen, and may contain
sulfate or phosphate groups. This diversity may serve as useful no-
vel scaffoldings in developing new classes of natural product-based
pesticides.
10–12
Therefore, new cheminformatic and synthetic tech-
niques have been developed to identify and design compounds
with natural product-like properties.
13–15
The complexity of the carbon skeleton of natural products is
the result of a natural ‘high-throughput’ screen to select com-
pounds with appropriate biologically activities. The term ‘high-
throughput’ does not refer to the speed of the selection, but
rather to the innumerable permutations of relatively complex
structures that have been synthesized by a very large number
of biochemical machines (organisms) over an extremely long
time. Furthermore, since these products are almost exclusively
derived from pathways associated with secondary metabolism,
these compounds have a high likelihood to possess some biolog-
ical activity against other organisms, often via novel mechanisms
of action,
2,16,17
which is particularly important since new modes
of action are so deeply needed as pests continue to evolve resis-
tance to the compounds currently available.
An important benefit of natural product-based pesticides is
their relatively short environmental half-lives, which is due to
the fact that they do not possess ‘unnatural’ ring structures and
contain relatively few halogen substituents. While these com-
pounds are perceived to be environmentally benign, very little is
known about the fate of natural products in the environment.
18
2. Natural products for weed management
The management of weeds has been a major problem since the
inception of agriculture. In fact, unmanaged weeds cause greater
reduction in crop yields than the presence of any other agricul-
tural pest. Manual labor in ancestral farming practice is expended
mostly on hand weeding of fields. Not surprisingly, modern agri-
culture relies heavily on the use of synthetic herbicides for man-
aging weeds. This has been possible because synthetic herbicides
are highly effective (active ingredient application rates can be as
low as a gram per hectare).
19
Many of these compounds have
very good selectivity toward crops and are relatively inexpensive
to manufacture. While their use has become increasingly contro-
versial, most currently used herbicides have low impact on the
environment and wildlife. Today, herbicides account for more
than half of the volume of all agricultural pesticides applied in
the developed world and the public has expressed concern about
the potential health and environmental impact of these com-
pounds. Partly due to this, organic agriculture has received a re-
cent surge in popularity.
2.1. Organic agriculture
Organic agriculture does not allow synthetic pesticides, includ-
ing herbicides.
20,21
Weed management under organic agriculture
practices is very problematic. While most methods rely on soil cul-
tivation, hand hoeing, biocontrol, organic mulches, and ironically
plastic (synthetic) ground cover, and the use of some natural prod-
ucts is permitted (
Table 1
). As opposed to synthetic herbicides, the
available natural herbicides have little to no selectivity and they
must be applied in relatively large quantities. Furthermore, little
scientific literature is available on the use and environmental
impact of natural products in organic agriculture.
2.1.1. Corn gluten meal
Corn (Zea mays, L.) gluten meal is a byproduct of corn milling. It
is commercialized as both a fertilizer and a pre-emergence herbi-
cide on lawns and high-value crops.
22–24
The commercial products
contain between 50% and 100% of corn gluten and are sold under a
variety of trade names (
Table 1
). However, control of grasses and
other weeds requires extremely high rates (e.g., 2 tons per hectare)
and is often cost prohibitive. Corn gluten has no effect on existing
weeds, but it has a broad-spectrum of activity on the germination
and development of young emerging plants.
25,26
Hydrolysis of corn
F. E. Dayan et al. / Bioorg. Med. Chem. 17 (2009) 4022–4034
4023

---

gluten by soil microbes releases several phytotoxic dipeptides
27,28
and a phytotoxic pentapeptide (
Fig. 2.1
).
29
The exact mode of
action of these oligopeptides is not known but they affect cell wall
formation, membrane integrity, and nuclear development.
28
Corn
gluten may be considered a slow-release proherbicide since it must
be hydrolyzed to release the active ingredients.
2.1.2. Acetic acid
Acetic acid [CAS 64-19-7] (
Fig. 2.2
) has been used as a weed
control agent for several centuries. Diluted aqueous solutions of
up to 20% acetic acid are now sold as horticultural vinegar, or in
mixtures with other natural products, for non-selective weed man-
agement (see subsequent sections).
Acetic acid is a burn down, non-selective herbicide. Therefore, it
is used for non-cropland areas, such as railway rights-of-way, golf
courses, open space, driveways and industrial sites. Acetic acid
solutions (10–20%) provide greater than 80% control of most small
weeds.
30
However, the cost of applying acetic acid was more than
ten times greater than the cost of using the more effective syn-
thetic non-selective herbicide glyphosate (N-(phosphonometh-
yl)glycine) for roadside vegetation management.
As is common with burn down herbicides, acetic acid kills the
aerial portions of plants, but does not control the underground