Récidiviste D'escalier-étape d'assay pour accéder au potentiel allélopathique de riz de mauvaises herbes (Oryza sativa ssp.)
Summary
L’allélopathie s’est avérée prometteuse en tant que stratégie supplémentaire utile de lutte contre les mauvaises herbes dans les systèmes de culture. Pour déterminer le potentiel allélopathique d’un spécimen de plante désiré, une méthode de criblage d’escalier-étape est fournie.
Abstract
La concurrence des mauvaises herbes contribue de manière significative aux pertes de rendement dans les systèmes de culture dans le monde entier. L’évolution de la résistance chez de nombreuses espèces de mauvaises herbes aux herbicides appliqués en continu a présenté la nécessité de méthodes de gestion supplémentaires. L’allélopathie est un processus physiologique que certaines espèces végétales possèdent qui donnent à la plante un avantage sur ses voisins. Les variétés de cultures allélopathiques seraient équipées de la capacité de supprimer la croissance des concurrents environnants, réduisant ainsi les pertes de rendement potentielles dues à l’interférence des mauvaises herbes. Cet article se concentre sur la construction et l’exploitation d’un test d’escalier utilisé pour le dépistage du potentiel allélopathique d’une espèce de donneur (Oryza sativa) contre une espèce de mauvaises herbes récepteurs (Echinochloa crus-galli) dans un serre. La structure décrite dans ce document sert de support pour les échantillons de plantes et intègre un système d’arrosage chronométré pour l’accumulation et la distribution d’allélochimiques. Les produits allélochimiques produits par les racines de la plante sont laissés couler vers le bas à travers une série de quatre pots séparément dans un réservoir de collecte et recyclés à l’usine supérieure par des pompes électriques. Cette méthode de dépistage permet aux allélochimiques de l’usine donneuse d’atteindre les plantes réceptrices sans aucune concurrence sur les ressources, permettant ainsi de mesurer quantitativement le potentiel allélopathique de la plante donneuse sélectionnée. Le potentiel allélopathique est mesurable par la réduction de hauteur des plantes de récepteur. Les données préliminaires de dépistage de l’efficacité de cette méthode ont démontré la réduction de la hauteur chez les espèces sceptrices, l’herbe de basse-cour (E. crus-galli), et donc la présence de résidus allélopathiques de la plante donneuse, le riz adventice (Oryza sativa).
Introduction
L’allélopathie est un phénomène naturel et complexe qui a fait l’objet de nombreux scientifiques de plantes au cours des dernières décennies. Les mécanismes relatifs à l’allélopathie pour une utilisation dans les cultures ont fait l’objet de nombreuses recherches depuis les années 1930, lorsque Molisch a observé qu’une plante a un effet direct ou indirect sur une plante voisine par la production et la sécrétion de composés chimiques dans l’environnement1. L’allélopathie est la production de métabolites secondaires qui ont des effets inhibiteurs sur la croissance et la germination de certaines espèces végétales. Les composés chimiques allopathiques libérés aident à fournir aux plantes donneuses un avantage concurrentiel en ajoutant des phytotoxines à l’environnement autour d’eux2. De nombreux facteurs contribuent à l’activité allélopathique. Il est sélectif dans son efficacité et varie entre les variétés, les conditions environnementales, le stade de croissance, le stress, l’environnement et la disponibilité des nutriments3.
Ces dernières années, l’allélopathie a été mise en évidence dans la recherche comme un complément possible à la crise constante et croissante de lutte contre les mauvaises herbes. Avec la population mondiale croissante, la demande pour la production durable d’aliments et de fibres a augmenté de4. La lutte contre les mauvaises herbes est l’une des plus grandes menaces à la production auxquelles sont confrontés les agronomes5,6. Les méthodes traditionnelles de lutte contre les mauvaises herbes mettent l’accent sur les pratiques mécaniques, chimiques et culturelles. L’utilisation continue d’herbicides, bien qu’efficace, utile et efficiente, a favorisé l’évolution des populations de mauvaises herbes résistantes à un rythme alarmant7. Le génie génétique et les pratiques de reproduction ont été utilisés efficacement pour donner aux cultures des avantages concurrentiels par rapport aux mauvaises herbes en les concevant pour résister à des applications chimiques que leurs voisins ne peuvent survivre7,8. Bien qu’efficaces, ces technologies ne sont pas toujours durables et posent parfois des préoccupations de croisement9. Des pratiques supplémentaires de gestion des mauvaises herbes doivent être introduites si l’on veut atteindre l’objectif d’accroître la production alimentaire10. L’allélopathie est une excellente promesse en tant que nouvel outil de défense pour les cultures afin d’améliorer leur qualité et de survivre à leurs concurrents1,7.
Les produits allélochimiques sont souvent des produits secondaires, et parce que leur production est fortement influencée par des facteurs environnementaux, les composés spécifiques associés à la suppression des plantes peuvent être difficiles à identifier3. Les facteurs de production comprennent la génétique et l’action conjointe des métabolites secondaires qui peuvent agir en synergie11,12. Il est difficile de séparer l’activité allélopathique de la concurrence qui existe naturellement dans les interactions cultures-mauvaises herbes, et pour cette raison, lorsque le dépistage de l’allélopathie, il doit y avoir un ensemble standard de résultats qui qualifient le test comme valide et reproductible. Voici un ensemble de critères qui qualifient les résultats de l’allélopathie tels qu’ils sont décrits par Olofsdotter et al.12 1) Une plante doit démontrer la suppression d’une autre plante dans un modèle; 2) Les produits chimiques qui sont libérés dans l’environnement en quantités bioactives doivent être produits par la plante donneuse; 3) Les produits chimiques produits doivent être transportables à l’usine de récepteur; 4) Un certain mécanisme d’apaisement doit être présent dans l’usine de récepteur; 6) Le modèle d’inhibition observé ne doit pas avoir d’autre explication exclusive (p. ex., la concurrence pour les ressources)12.
Dans un effort pour surmonter la barrière entre le manque de connaissance des mécanismes soutenant l’allélopathie et le développement de variété, les traits phénotypiques associés aux variétés allélopathiques peuvent être identifiés et sélectionnés pour la recherche et l’utilisation plus poussées. Certaines plantes connues pour avoir des qualités allélopathiques sont le seigle, le sorgho, le riz, le tournesol, le colza et le blé13. Au cours des premières observations de l’allélopathie dans les cultures, en raison des frontières distinguées de la croissance des mauvaises herbes dans les expériences sur le terrain, il a été proposé que les produits chimiques ont été impliqués plutôt que la concurrence pour les ressources14. Cependant, la plupart des études étaient des expériences sur le terrain qui ont rendu impossible l’élimination de la concurrence en tant que facteur14. Les efforts d’élimination de la concurrence ont cédé la place à des expériences en laboratoire et en serre pour tenter de prouver et de quantifier l’activité allélopathique dans le riz et d’autres cultures. Les méthodes de champ et de serre chaude pour dépister des usines pour l’allélopathie démontrent que les tendances allélopathiques sont présentes dans les deux conditions croissantes11,15. Certains critiques estiment que les dépistages en laboratoire ne peuvent avoir qu’une valeur limitée en raison de l’absence de conditions naturelles, ce qui peut affecter les résultats15.
La méthode proposée pour le dépistage du potentiel allélopathique dans les plantes fournit des ressources et de l’espace adéquats et élimine la concurrence des ressources avec l’utilisation d’une structure d’escalier-étape11,17. La méthode a été adaptée et modifiée à partir d’expériences précédentes explorant l’allélopathie dans le gazon et l’orge17,18. Ces études ont révélé qu’un système similaire était en mesure de produire des résultats précis sur le potentiel allélopathique d’une plante cible tout en éliminant tout doute que les observations pourraient être attribuées à la concurrence naturelle. La méthode d’escalier-étape crée un système circulatoire où une solution nutritive d’un réservoir peut cycle à travers chaque plante à un plateau d’incubation par quelques étapes. Une pompe électrique recycle alors la solution avec tous les allélochemicals produits18. Une méthode comme celle-ci est efficace dans le temps, l’espace et les ressources. Il fournit également des conditions de terrain similaires pour les plantes et élimine toute concurrence sur les ressources. Les méthodes et les outils utilisés pour le dépistage sont facilement manipulés pour s’adapter aux objectifs, aux conditions et aux espèces spécifiques de l’étude souhaitée. L’objectif de cette étude est de confirmer l’allélopathie du riz adventice par des mesures de suppression de la hauteur sur l’herbe de basse-cour avec l’utilisation de la méthode d’escalier-étape.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’exploitation de l’allélopathie peut potentiellement servir de lutte biologique pour les mauvaises herbes qui sont difficiles à gérer1,7,13. L’allélopathie a montré un grand potentiel comme solution possible à la crise des mauvaises herbes dans le riz et sert d’alternative ou de supplément aux produits chimiques et aux pratiques manuelles de lutte contre les mauvaises herbes5,<sup class…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Le financement de ce projet a été fourni par la subvention de l’Initiative spéciale de recherche parrainée par la Station d’expérimentation agricole et forestière du Mississippi et est basé sur des travaux qui sont soutenus par le National Institute of Food and Agriculture, U.S. Department of Agriculture, Projet Hatch sous le numéro d’adhésion 230060.
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 |
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