Analisi in fase di stadi ripetibile per accedere al potenziale allelopatico del riso erbaceo (Oryza sativa ssp.)

Summary

L’allelopatia ha mostrato la promessa come un’utile strategia supplementare di controllo delle erbaccia nei sistemi di ritaglio. Per determinare il potenziale allelopatico di un campione di pianta desiderato, viene fornito un metodo di screening delle scale.

Abstract

La concorrenza in erba contribuisce in modo significativo a produrre perdite nei sistemi di coltivazione in tutto il mondo. L’evoluzione della resistenza in molte specie di erbaper agli erbicidi applicati continuamente ha presentato la necessità di ulteriori metodi di gestione. L’allelopatia è un processo fisiologico che alcune specie vegetali possiedono che forniscono alla pianta un vantaggio rispetto ai suoi vicini. Le varietà di colture allelopatiche sarebbero dotate della capacità di sopprimere la crescita dei concorrenti circostanti, riducendo così la perdita potenziale di resa dovuta all’interferenza delle erbacce. Questo documento si concentra sulla costruzione e il funzionamento di un saggio passo-passo utilizzato per lo screening del potenziale allelopatico di una specie donatrice (Oryza sativa) contro una specie di erbaccia ricevente (Echinochloa crus-galli) in un ambiente serra. La struttura descritta in questo documento funge da supporto per i campioni di piante e incorpora un sistema di irrigazione a tempo per l’accumulo e la distribuzione di sostanze allelochimiche. Le sostanze chimiche alleloche prodotte dalle radici delle piante sono autorizzate a fluire verso il basso attraverso una serie di quattro vasi separatamente in un serbatoio di raccolta e riciclati di nuovo alla pianta superiore attraverso pompe elettriche. Questo metodo di screening fornisce un modo per le sostanze allelochimiche dell’impianto donatore di raggiungere gli impianti riceventi senza alcuna concorrenza di risorse, consentendo così la misurazione quantitativa del potenziale allelopatico dell’impianto donatore selezionato. Il potenziale allelopatico è misurabile attraverso la riduzione dell’altezza delle piante riceventi. I dati di screening preliminare per l’efficacia di questo metodo hanno dimostrato una riduzione dell’altezza nelle specie riceventi, l’erba da cortile (E. crus-galli), e quindi la presenza di residui allelopatici dalla pianta donatrice, riso erbaccia (Oryza sativa).

Introduction

L’allelopatia è un fenomeno naturale e complesso che è stato al centro di molti scienziati vegetali negli ultimi decenni. I meccanismi relativi all’allelopatia per l’uso nelle colture sono stati oggetto di molte ricerche a partire dagli anni ’30, quando Molisch osservò che una pianta ha un effetto diretto o indiretto su una pianta vicina attraverso la produzione e la secrezione di composti chimici nell’ambiente¹. L’allelopatia è la produzione di metaboliti secondari che hanno effetti inibitori sulla crescita e la germinazione di alcune specie vegetali. Composti chimici allopatici rilasciati aiutano a fornire alle piante donatrice un vantaggio competitivo aggiungendo fitotossine all’ambiente intorno a loro². Molti fattori contribuiscono all’attività allelopatica. È selettivo nella sua efficacia e varia tra varietà, condizioni ambientali, fase di crescita, stress, ambiente e disponibilità di nutrienti³.

Negli ultimi anni, l’allelopatia è stata evidenziata nella ricerca come possibile supplemento alla costante e crescente crisi di controllo delle erbacce. Con la crescente popolazione globale, la domanda di prodotti alimentari e fibre sostenibili è aumentata di⁴. Il controllo delle erbacinie è una delle maggiori minacce alla produzione degli agronomi^5,6. I metodi tradizionali di controllo delle erbacce si concentrano sulle pratiche meccaniche, chimiche e culturali. L’uso continuo di erbicidi, pur efficace, utile ed efficiente, ha promosso l’evoluzione delle popolazioni di erbacce resistenti ad un ritmo allarmante e veloce⁷. L’ingegneria genetica e le pratiche di allevamento sono state utilizzate in modo efficace per dare alle colture vantaggi competitivi rispetto alle erbacce progettandole per resistere ad applicazioni chimiche che i loro vicini non possono sopravvivere^7,8. Anche se efficaci, queste tecnologie non sono sempre sostenibili e talvolta pongono preoccupazioni di superamento⁹. È necessario introdurre pratiche di gestione supplementari delle erbacine se si vuole che l’obiettivo di aumentare la produzione alimentare venga raggiunto¹⁰. Allelopatia mostra eccellente promessa come un nuovo strumento di difesa per le colture per migliorare la loro qualità e sopravvivere ai loro concorrenti^1,7.

Le sostanze chimiche sono spesso prodotti secondari, e poiché la loro produzione è fortemente influenzata da fattori ambientali, i composti specifici associati alla soppressione delle piante possono essere difficili da identificare³. I fattori di produzione includono la genetica e l’azione congiunta dei metaboliti secondari che possono agire in modo sinergico^11,12. È difficile separare l’attività allelopatica dalla concorrenza che esiste naturalmente all’interno delle interazioni di erbaccia delle colture, e per questo motivo, quando lo screening per l’alleloropatia ci deve essere una serie standard di risultati che qualificano il saggio come valido e ripetibile. Di seguito è riportato un insieme di criteri che qualifica i risultati dell’allelopatia come delineato da Olofsdotter et al.¹² 1) Una pianta deve dimostrare la soppressione di un’altra pianta in un modello; 2) Le sostanze chimiche che vengono rilasciate nell’ambiente in quantità bioattive devono essere prodotte dall’impianto donatore; 3) Le sostanze chimiche prodotte devono essere trasportabili all’impianto ricevente; 4) Alcuni meccanismi di assorbimento devono essere presenti nell’impianto ricevente; 6) Il modello di inibizione osservato non deve avere altre spiegazioni esclusive (ad esempio, la concorrenza per le risorse)¹².

Nel tentativo di superare la barriera tra la mancanza di conoscenza dei meccanismi che supportano l’allelopatia e lo sviluppo della varietà, i tratti fenotipici associati alle varietà allelopatiche possono essere identificati e selezionati per ulteriori ricerche e usi. Alcune piante note per avere qualità allelopatiche sono segale, sorgo, riso, girasole, colza e grano¹³. Durante le prime osservazioni dell’allelopatia nelle colture, a causa dei confini distintivi della crescita delle erbasi negli esperimenti sul campo, è stato proposto che fossero coinvolte sostanze chimiche piuttosto che la concorrenza per le risorse¹⁴. Tuttavia, la maggior parte degli studi sono stati esperimenti sul campo che hanno reso impossibile eliminare la concorrenza come fattore¹⁴. Gli sforzi di eliminazione della concorrenza hanno lasciato il posto a esperimenti di laboratorio e serra nel tentativo di dimostrare e quantificare l’attività allelopatica nel riso e in altre colture. I metodi sul campo e in serra per vagliare le piante per l’allelopatia dimostrano che le tendenze allelopatiche sono presenti in entrambe le condizioni di crescita^11,15. Alcuni critici ritengono che gli screening di laboratorio possono avere solo un valore limitato a causa della mancanza di condizioni naturali, che possono influenzare i risultati¹⁵.

Il metodo proposto per lo screening del potenziale allelopatico nelle piante fornisce risorse e spazio adeguati ed elimina la concorrenza delle risorse con l’uso di una struttura a gradini^11,17. Il metodo è stato adattato e modificato da esperimenti precedenti esplorando l’allelopatia in erba e orzo^17,18. Questi studi hanno scoperto che un sistema simile era in grado di produrre risultati accurati sul potenziale allelopatico di una pianta bersaglio, eliminando ogni dubbio che le osservazioni potessero essere attribuite alla concorrenza naturale. Il metodo della scala crea un sistema circolatorio in cui una soluzione nutritiva da un serbatoio può scorrere ogni pianta fino a un vassoio di incubazione attraverso pochi passaggi. Una pompa elettrica quindi ricicla la soluzione insieme a eventuali sostanze allelochimiche prodotte¹⁸. Un metodo di questo tipo è efficiente sia nel tempo che nello spazio e nelle risorse. Fornisce anche condizioni di campo simili per gli impianti ed elimina qualsiasi concorrenza di risorse. I metodi e gli strumenti utilizzati per lo screening sono facilmente manipolati per adattarsi agli obiettivi di studio desiderati, alle condizioni e alle specie specifiche. L’obiettivo di questo studio è quello di confermare l’allelopatia del riso erbacce attraverso misurazioni di soppressione dell’altezza sulla erba del cortile con l’uso del metodo della scala-step.

Protocol

1. Costruzione stand NOTA: le misure per il legno sono elencate come spessore (cm) x larghezza (cm) x lunghezza (m). Tagliare il legno in dimensioni e quantità appropriate come segue: cinque pezzi di legno da 10,16 cm x 5,08 cm x 0,91 m, tre pezzi di legno da 10,16 cm x 5,08 cm x 0,76 m, tre pezzi di legno da 10,16 cm x 5,08 cm x 0,61 m, cinque pezzi di legno da 10,16 cm x 5,08 cm x 0,46 m , tre pezzi di legno da 10,16 cm x 5,08 cm x 0,3 m e tre pezzi di legno da 10,16 cm x 5,08 cm …

Representative Results

Due screening preliminari con questo metodo sono stati eseguiti su nove adesioni di riso erbaccia (B2, S33, B83, S97, S94, B81, B8, B34, B14) e cinque linee di riso coltivate (PI338046, Rex, Rondo, PI312777, CL163). Le adesioni al riso erbaccia e le linee di riso sono state selezionate in base alle loro prestazioni nelle precedenti proiezioni allelopatiche condotte da Shrestha (2018)18. I semi di riso erbaccia sono stati raccolti da tutto lo stato dell’Arkansas. Le linee di riso selezionate sono l…

Discussion

Sfruttare l’allelopatia può potenzialmente servire come controllo biologico per le erbacinie che sono difficili da gestire^1,7,13. L’allelopatia ha mostrato un grande potenziale come possibile soluzione alla crisi delle erbacce nel riso e serve come alternativa o integratore alle sostanze chimiche e alle pratiche manuali di controllo delle erbacce^5,13,<sup cla…

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