Ensayo repetible de escalera para acceder al potencial alelopático del arroz weedy (Oryza sativa ssp.)

Summary

La alelopatía ha demostrado ser prometedora como una estrategia de control suplementario de la hierba útil en los sistemas de cultivo. Para determinar el potencial alelopático de un espécimen vegetal deseado, se proporciona un método de cribado de escalera.

Abstract

La competencia de las weed contribuye significativamente a las pérdidas de rendimiento en los sistemas de cultivo en todo el mundo. La evolución de la resistencia en muchas especies de mala hierba según los herbicidas aplicados continuamente ha presentado la necesidad de métodos de gestión adicionales. La alelopatía es un proceso fisiológico que poseen algunas especies vegetales que proporcionan a la planta una ventaja sobre sus vecinos. Las variedades de cultivos alelopáticos estarían equipadas con la capacidad de suprimir el crecimiento de los competidores circundantes, reduciendo así la pérdida de rendimiento potencial debido a la interferencia de malezas. Este artículo se centra en la construcción y operación de un ensayo de escalera utilizado para el cribado del potencial alelopático de una especie de donante (Oryza sativa) contra una especie receptora de la hierba (Echinochloa crus-galli) en un entorno de invernadero. La estructura descrita en este documento sirve como soporte para las muestras de la planta e incorpora un sistema de riego cronometrado para la acumulación y distribución de aleloquímicos. Los aleloquímicos producidos por las raíces de la planta pueden fluir hacia abajo a través de una serie de cuatro macetas por separado en un tanque de recolección y reciclados de nuevo a la planta superior a través de bombas eléctricas. Este método de cribado proporciona una vía para que los aleloquímicos de la planta donante lleguen a las plantas receptoras sin ningún tipo de competencia de recursos, permitiendo así la medición cuantitativa del potencial alelopático de la planta donante seleccionada. El potencial alelopático es medible a través de la reducción de altura de las plantas receptoras. Los datos preliminares de cribado de la eficacia de este método demostraron la reducción de la altura en la especie receptora, barnyardgrass (E. crus-galli), y por lo tanto la presencia de residuos alelopáticos de la planta donante, arroz herbicida (Oryza sativa).

Introduction

La alelopatía es un fenómeno natural y complejo que ha sido el foco de muchos científicos de plantas en las últimas décadas. Los mecanismos relativos a la alelopatía para su uso en cultivos han sido objeto de mucha investigación desde la década de 1930, cuando Molisch observó que una planta tiene un efecto directo o indirecto sobre una planta vecina a través de la producción y secreción de compuestos químicos en el medio ambiente¹. La alelopatía es la producción de metabolitos secundarios que tienen efectos inhibitorios en el crecimiento y la germinación de algunas especies vegetales. Los compuestos químicos alopáticos liberados ayudan a proporcionar a las plantas donantes una ventaja competitiva mediante la adición de fitotoxinas al medio ambiente a su alrededor². Muchos factores contribuyen a la actividad alelopática. Es selectivo en su eficacia y varía entre variedades, condiciones ambientales, etapa de crecimiento, estrés, medio ambiente y disponibilidad de nutrientes^3.

En los últimos años, la alelopatía se ha destacado en la investigación como un posible complemento a la constante y creciente crisis de control de las weed. Con la creciente población mundial, la demanda de producción sostenible de alimentos y fibra ha aumentado^4. El control de las desudos es una de las mayores amenazas a la producción a las que se enfrentan los agrónomos^5,6. Los métodos tradicionales de control de malas hierbas se centran en las prácticas mecánicas, químicas y culturales. El uso continuo de herbicidas, si bien es eficaz, útil y eficiente, ha promovido la evolución de las poblaciones de nohierbas resistentes a un ritmo alarmantemente rápido^7. La ingeniería genética y las prácticas de cría se han utilizado eficazmente para dar a los cultivos ventajas competitivas sobre las malas hierbas al diseñarlas para soportar aplicaciones químicas que sus vecinos no pueden sobrevivir^7,8. Aunque son eficaces, estas tecnologías no siempre son sostenibles y a veces plantean preocupaciones transversales⁹. Es necesario introducir prácticas suplementarias de gestión de malas hierbas si se quiere alcanzar el objetivo de aumentar la producción de alimentos¹⁰. La alelopatía muestra una excelente promesa como una nueva herramienta de defensa para que los cultivos mejoren su calidad y sobrevivan a sus competidores^1,7.

Los aleloquímicos son a menudo productos secundarios, y debido a que su producción está muy influenciada por factores ambientales, los compuestos específicos asociados con la supresión de la planta pueden ser difíciles de identificar³. Los factores de producción incluyen la genética y la acción conjunta de los metabolitos secundarios que pueden actuar sinérgicamente^11,12. Es difícil separar la actividad alelopática de la competencia que existe naturalmente dentro de las interacciones entre las cosechas, y debido a esto, cuando la detección de alelopatía debe haber un conjunto estándar de resultados que califiquen el ensayo como válido y repetible. A continuación se muestra un conjunto de criterios que califica los hallazgos de alelopatía como se describe en Olofsdotter et al.¹² 1) Una planta debe demostrar la supresión de otra planta en un patrón; 2) Los productos químicos que se liberan en el medio ambiente en cantidades bioactivas deben ser producidos por la planta donante; 3) Los productos químicos producidos deben ser transportables a la planta receptora; 4) Algún mecanismo de admisión debe estar presente en la planta receptora; 6) El patrón de inhibición observado no debe tener ninguna otra explicación exclusiva (por ejemplo, competencia por los recursos)¹².

En un esfuerzo por superar la barrera entre el desconocimiento de los mecanismos de apoyo a la alelopatía y el desarrollo de variedades, se pueden identificar y seleccionar rasgos fenotípicos asociados con las variedades alelopáticas para su posterior investigación y uso. Algunas plantas conocidas por tener cualidades aleloppáticas son centeno, sorgo, arroz, girasol, colza y trigo^13. Durante las primeras observaciones de la alelopatía en los cultivos, debido a las fronteras distinguidas del crecimiento de las malezas en los experimentos sobre el terreno, se propuso que los productos químicos estuvieran involucrados en lugar de la competencia por los recursos¹⁴. Sin embargo, la mayoría de los estudios fueron experimentos de campo que hacían imposible eliminar la competencia como factor^14. Los esfuerzos de eliminación de la competencia dieron paso a experimentos de laboratorio e invernadero en los intentos de probar y cuantificar la actividad alelopática en el arroz y otros cultivos. Los métodos de campo e invernadero para detectar alelopatía en las plantas demuestran que las tendencias aleloppáticas están presentes en ambas condiciones de cultivo^11,15. Algunos críticos creen que los exámenes de laboratorio sólo pueden tener un valor limitado debido a la falta de condiciones naturales, lo que puede afectar los resultados¹⁵.

El método propuesto para el cribado del potencial alelopático en las plantas proporciona recursos y espacio adecuados y elimina la competencia de recursos con el uso de una estructura de escalera^11,17. El método fue adaptado y modificado de experimentos anteriores que exploran la alelopatía en hierba de césped y cebada^17,18. Estos estudios encontraron que un sistema similar era capaz de producir resultados precisos sobre el potencial alelopático de una planta objetivo, al tiempo que eliminaba cualquier duda de que las observaciones pudieran atribuirse a la competencia natural. El método de paso de escalera crea un sistema circulatorio donde una solución nutritiva de un depósito puede recorrer cada planta hasta una bandeja de incubación a través de unos pocos pasos. Una bomba eléctrica entonces recicla la solución junto con cualquier aleloquímico producido¹⁸. Un método como este es eficaz tanto en tiempo como en espacio y recursos. También proporciona condiciones de campo similares para las plantas y elimina cualquier competencia de recursos. Los métodos y herramientas utilizados para el cribado se manipulan fácilmente para adaptarse a los objetivos de estudio deseados, condiciones y especies específicas. El objetivo de este estudio es confirmar la alelopatía del arroz weedy a través de mediciones de supresión de altura en el perceno con el uso del método de escalón.

Protocol

1. Construcción de soportes NOTA: Las medidas para la madera se enumeran como espesor (cm) x ancho (cm) x longitud (m). Corte la madera en tamaños y cantidades apropiados de la siguiente manera: cinco piezas de madera de 10,16 cm x 5,08 cm x 0,91 m, tres piezas de madera de 10,16 cm x 5,08 cm x 0,76 m, tres piezas de madera de 10,16 cm x 5,08 cm, cinco piezas de madera de 10,16 m, cinco piezas de madera de 10,16 cm x 5,08 cm x 0,46 m, tres piezas de madera de 10,16 m x 0,46 m, tres…

Representative Results

Se realizaron dos exámenes preliminares utilizando este método en nueve adhesiones de arroz de mosedaños (B2, S33, B83, S97, S94, B81, B8, B34, B14) y cinco líneas de arroz cultivado (PI338046, Rex, Rondo, PI312777, CL163). Las adhesiones de arroz weedy y las líneas de arroz se seleccionaron en función de su rendimiento en exámenes alelopáticos anteriores realizados por Shrestha (2018)18. Las semillas de arroz de la hierba fueron recolectadas de todo el estado de Arkansas. Las líneas de a…

Discussion

La explotación de la alelopatía puede servir potencialmente como un control biológico para las malas hierbas que son difíciles de manejar^1,7,13. La alelopatía ha demostrado un gran potencial como posible solución a la crisis de las malas hierbas en el arroz y sirve como alternativa o suplemento a los productos químicos y las prácticas manuales de control de malas hierbas^5,<sup class="xr…

Materials

1.25 in by 6 in by 8 ft standard severe weather wood board	Lowe's, Mooresville, NC	489248	N/A
2 in by 4 in by 8 ft white wood stud	Lowe's, Mooresville, NC	6005	Cut into appropriate sizes
63 mm (2.5 in) corner braces	Lowe's, Mooresville, NC	809449	N/A
Asporto 16 oz Round Black Plastic To Go Box – with Clear Lid, Microwavable – 6.25 in by 6.25 in by 1.75 in – 100 count box	Restaurantware.com, Chicago, IL	RWP0191B	black
ATP vinyl-flex PVC food grade plastic tubing, clear, .125 in id by .25 in od, 100 ft	Amazon, Seattle WA	B00E6BCV0G	N/A
Ccm-300 chlorophyll content meter	Opti-Sciences, Inc. Hudson, NH	ccm/300	N/A
Common 1 in by 2 in by 8 ft pine board	Lowe's, Mooresville, NC	1408	N/A
Contractors choice contractor 24-pack 42-gallon black outdoor plastic construction trash bag	Lowe's, Mooresville, NC	224272	Cut to cover collection tanks
EURO POTS	Greenhouse Megastore, Danville, IL	CN-EU	15 cm short black 6 in diameter 4.25 in height 1.37qt volume
Fisher brand petri dish with clear lid	Fisher Scientific, Waltham, MA	FB0857513	N/A
Aexit Ac 220 V-240 V electrical equipment US plug 21 W 1000 L/hr multipurpose submersible pump	Amazon, Seattle WA	B07MBMYQNT	Nozzle size should fit tubes and can be repaced
Woods 50015 WD outdoor 7 day heavy-duty digital outlet timer	Walmart, Bentonville, AR	565179767	20 settings
GE silicone 2+ 10.1 oz almond silicone caulk	Lowe's, Mooresville, NC	48394	Sealant for edges of any attached tubing
Great Value Distilled Water	Walmart, Bentonville, AR	565209428	N/A
Great Value White Basket coffee filters 200 count	Walmart, Bentonville, AR	562723371	Size may vary
Grip-rite primgaurd plus #9-3 in pollimerdex screws	Lowe's, Mooresville, NC	323974	N/A
Hoagland’s No. 2 basal salt mixture	Caisson Laboratories, INC. Smithfield, UT	HOP01/50LT	½ strength rate
JMP (14)	SAS Institute Inc. North Carolina State University, NC		N/A
Project source flat black spray paint	Lowe's, Mooresville, NC	282254	N/A
Project source utility 1.88 in by 165 ft gray duct tape	Lowe's, Mooresville, NC	488070	N/A
Rubbermaid 2 qt square food storage canister clear	Walmart, Bentonville, AR	555115144	Collection tank discard lid
Sealproof unreinforced PVC clear vinyl tubing, food-grade .5 in id by .625 in od, 100 ft	Amazon, Seattle WA	B07D9CLGV3	Connects to pump
Short Mountain Silica 50 lb Play sand	Lowe's, Mooresville, NC	10392	Sand should be purified
Steve Spangler's 1 Liter Soda Bottles – 6 Pack – For Science Experiment Use	Amazon, Seattle WA	UPC 192407667341	Top step tank discard lid