Wiederholbarer Treppenschritt-Assay zum Zugriff auf das allelopathische Potenzial von Weedy Rice (Oryza sativa ssp.)

Summary

Die Allelopathie hat sich als nützliche ergänzende Unkrautbekämpfungsstrategie in Erntesystemen als vielversprechend erwiesen. Zur Bestimmung des allelopathischen Potenzials einer gewünschten Pflanzenprobe wird ein Treppenstufen-Screening-Verfahren bereitgestellt.

Abstract

Der Unkrautwettbewerb trägt wesentlich zu Ertragsverlusten bei Erntesystemen weltweit bei. Die Entwicklung der Resistenz bei vielen Unkrautarten gegen kontinuierlich angewandte Herbizide hat die Notwendigkeit zusätzlicher Bewirtschaftungsmethoden ergeben. Allelopathie ist ein physiologischer Prozess, den einige Pflanzenarten besitzen, die der Pflanze einen Vorteil gegenüber ihren Nachbarn verschaffen. Allelopathische Pflanzensorten wären mit der Fähigkeit ausgestattet, das Wachstum der umliegenden Wettbewerber zu unterdrücken und so potenzielle Ertragsverluste durch Unkrautstörungen zu reduzieren. Dieses Papier konzentriert sich auf den Bau und Betrieb eines Treppenstufen-Assays, der für das Screening des allelopathischen Potenzials einer Spenderart (Oryza sativa) gegen eine Empfängerkrautart (Echinochloa crus-galli) in einer Gewächshausumgebung verwendet wird. Die in diesem Papier beschriebene Struktur dient als Staus für die Pflanzenproben und beinhaltet ein zeitzeitliches Bewässerungssystem für die Ansammlung und Verteilung von Allelochemikalien. Allelochemikalien, die von den Pflanzenwurzeln produziert werden, dürfen durch eine Reihe von vier Töpfen getrennt in einen Sammeltank fließen und durch elektrische Pumpen zurück in die oberste Anlage zurückgeführt werden. Diese Methode des Screenings bietet eine Möglichkeit für die Allelochemikalien aus der Spenderpflanze, ohne Ressourcenwettbewerb Empfängeranlagen zu erreichen, wodurch eine quantitative Messung des allelopathischen Potenzials der ausgewählten Spenderpflanze ermöglicht wird. Das allelopathische Potential ist durch die Höhenreduzierung der Empfängerpflanzen messbar. Vorläufige Screening-Daten für die Wirksamkeit dieser Methode zeigten Höhenreduktion bei der Empfängerart, Barnyardgrass (E. crus-galli), und damit das Vorhandensein von allelopathischen Rückständen aus der Spenderpflanze, Unkrautreis (Oryza sativa).

Introduction

Die Allelopathie ist ein natürliches und komplexes Phänomen, das in den letzten Jahrzehnten im Fokus vieler Pflanzenwissenschaftler stand. Die Mechanismen der Alleopathie zur Verwendung in Kulturpflanzen sind seit den 1930er Jahren Gegenstand vieler Forschungen, als Molisch feststellte, dass eine Pflanze durch die Produktion und Sekretion chemischer Verbindungen in die Umwelt eine direkte oder indirekte Wirkung auf eine benachbarte Pflanze hat¹. Allelopathie ist die Produktion von sekundären Metaboliten, die hemmende Auswirkungen auf das Wachstum und die Keimung einiger Pflanzenarten haben. Freigesetzte allopathische chemische Verbindungen helfen, den Spenderpflanzen einen Wettbewerbsvorteil zu verschaffen, indem phytotoxine der Umwelt um sie herum hinzugefügt werden². Viele Faktoren tragen zur allelopathischen Aktivität bei. Es ist selektiv in seiner Wirksamkeit und variiert zwischen Sorten, Umweltbedingungen, Wachstumsstadium, Stress, Umwelt und Nährstoffverfügbarkeit³.

In den letzten Jahren wurde die Alleopathie in der Forschung als mögliche Ergänzung zur ständigen und wachsenden Unkrautbekämpfungskrise hervorgehoben. Mit der wachsenden Weltbevölkerung ist die Nachfrage nach nachhaltiger Nahrungsmittel- und Faserproduktion gestiegen⁴. Unkrautbekämpfung ist eine der größten Bedrohungen für die Produktion von Agronomen^{konfrontiert 5,6}. Traditionelle Unkrautbekämpfungsmethoden konzentrieren sich auf mechanische, chemische und kulturelle Praktiken. Die kontinuierliche Verwendung von Herbiziden, obwohl effektiv, nützlich und effizient, hat die Entwicklung von resistenten Unkrautpopulationen in einem alarmierend schnellen Tempo gefördert⁷. Gentechnik und Züchtungspraktiken wurden effektiv eingesetzt, um Pflanzen Wettbewerbsvorteile gegenüber Unkraut zu verschaffen, indem sie sie so gestalteten, dass sie chemischen Anwendungen standhalten, die ihre Nachbarn nicht überleben können^7,8. Obwohl diese Technologien wirksam sind, sind sie nicht immer nachhaltig und stellen manchmal überkreuzende Bedenken^{auf 9}. Zusätzliche Unkrautmanagement-Praktiken müssen eingeführt werden, wenn das Ziel der Steigerung der Nahrungsmittelproduktion erreicht werden soll¹⁰. Allelopathy zeigt ausgezeichnete versprechen als ein neues Verteidigungsinstrument für Kulturen, um ihre Qualität zu verbessern und ihre Konkurrenten zu übertreffen^1,7.

Allelochemikalien sind oft Sekundärprodukte, und da ihre Produktion stark von Umweltfaktoren beeinflusst wird, können die spezifischen Verbindungen, die mit der Pflanzenunterdrückung verbunden sind, schwierig zu identifizieren sein³. Produktionsfaktoren sind Genetik und die gemeinsame Wirkung von sekundären Metaboliten, die synergistisch wirken können^11,12. Es ist eine Herausforderung, allelopathische Aktivitäten von der Konkurrenz zu trennen, die natürlicherweise in pflanzenhaltigen Wechselwirkungen besteht, und aus diesem Grund muss es beim Screening auf Alleopathie einen Standardsatz von Ergebnissen geben, die den Test als gültig und wiederholbar qualifizieren. Im Folgenden finden Sie eine Reihe von Kriterien, die Die Ergebnisse der Alleopathie gemäß Olofsdotter et al.¹² 1) eine Pflanze muss die Unterdrückung einer anderen Pflanze in einem Muster nachweisen; 2) Die Chemikalien, die in bioaktiven Mengen in die Umwelt freigesetzt werden, müssen von der Spenderpflanze hergestellt werden; 3) Die hergestellten Chemikalien müssen zur Empfängeranlage transportiert werden können; 4) Ein gewisser Aufnahmemechanismus muss in der Empfängeranlage vorhanden sein; 6) Das beobachtete Hemmungsmuster darf keine andere ausschließliche Erklärung haben (z. B. Wettbewerb um Ressourcen)¹².

In dem Bestreben, die Barriere zwischen dem Mangel an Wissen über die Mechanismen zur Unterstützung der Allelopathie und Der Sortenentwicklung zu überwinden, können phänotypische Merkmale im Zusammenhang mit allelopathischen Sorten identifiziert und für die weitere Forschung und Verwendung ausgewählt werden. Einige Pflanzen, die allelopathische Eigenschaften haben, sind Roggen, Sorghum, Reis, Sonnenblumen, Raps und Weizen¹³. Während der ersten Beobachtungen der Alleopathie in Kulturpflanzen wurde aufgrund der ausgeprägten Grenzen des Unkrautwachstums bei Feldversuchen vorgeschlagen, dass Chemikalien beteiligt waren und nicht der Wettbewerb um Ressourcen¹⁴. Die meisten Studien waren jedoch Feldexperimente, die es unmöglich machten, den Wettbewerb als Faktor¹⁴zu beseitigen. Die Bemühungen zur Beseitigung des Wettbewerbs wichen Labor- und Gewächshausexperimenten, um allelopathische Aktivitäten in Reis und anderen Kulturen zu beweisen und zu quantifizieren. Feld- und Gewächshausmethoden zur Abschirmung von Pflanzen auf Alleopathie zeigen, dass allelopathische Tendenzen in beiden Wachstumsbedingungen vorhanden sind^11,15. Einige Kritiker glauben, dass Labor-Screenings nur begrenzten Wert aufgrund des Mangels an natürlichen Bedingungen haben können, die die Ergebnisse beeinflussen können¹⁵.

Die vorgeschlagene Methode zum Screening des allelopathischen Potenzials in Pflanzen bietet ausreichende Ressourcen und Raum und eliminiert den Ressourcenwettbewerb durch die Verwendung einer Treppenstufenstruktur^11,17. Die Methode wurde von früheren Experimenten zur Erforschung der Alleopathie in Rasengras und Gerste^17,18angepasst und modifiziert. Diese Studien ergaben, dass ein ähnliches System in der Lage war, genaue Ergebnisse über das allelopathische Potenzial einer Zielpflanze zu liefern und gleichzeitig alle Zweifel auszuräumen, dass die Beobachtungen auf den natürlichen Wettbewerb zurückgeführt werden könnten. Die Treppenschrittmethode erzeugt ein Kreislaufsystem, bei dem eine Nährstofflösung aus einem Reservoir durch jede Pflanze durch ein paar Schritte zu einer Inkubationsschale radeln kann. Eine elektrische Pumpe recycelt dann die Lösung zusammen mit allen Allelochemikalien produziert¹⁸. Eine methode wie diese ist sowohl in Zeit, Raum als auch in Ressourcen effizient. Es bietet auch ähnliche Feldbedingungen für die Anlagen und eliminiert jeglichen Ressourcenwettbewerb. Die Methoden und Werkzeuge, die zum Screening verwendet werden, lassen sich leicht an die gewünschten Studienziele, Bedingungen und spezifischen Arten anpassen. Ziel dieser Studie ist es, die Unkraut-Reis-Alleopathie durch Höhenunterdrückungsmessungen auf Stallgras mit der Treppenstufenmethode zu bestätigen.

Protocol

1. Standbau HINWEIS: Die Maße für das Holz sind als Dicke (cm) x Breite (cm) x Länge (m) aufgeführt. Holz in entsprechende Größen und Mengen schneiden: fünf 10,16 cm x 5,08 cm x 0,91 m Holzstücke, drei 10,16 cm x 5,08 cm x 0,76 m Holzstücke, drei 10,16 cm x 5,08 cm x 0,61 m Holzstücke, fünf 10,16 cm x 5,08 cm x 0,46 m Holzstücke , drei 10,16 cm x 5,08 cm x 0,3 m Holzstücke und drei 10,16 cm x 5,08 cm x 0,15 m Holzstücke. Für die höchste Ebene stehen Sie ein …

Representative Results

Zwei vorläufige Screenings mit dieser Methode wurden an neun Unkrautreis-Beitritten (B2, S33, B83, S97, S94, B81, B8, B34, B14) und fünf kultivierten Reislinien (PI338046, Rex, Rondo, PI312777, CL163) durchgeführt. Unkrautreis-Beitritte und Reislinien wurden auf der Grundlage ihrer Leistung in früheren allelopathischen Screenings von Shrestha (2018)18ausgewählt. Die unkrautigen Reissamen wurden aus dem ganzen Bundesstaat Arkansas gesammelt. Die ausgewählten Reislinien sind in den USA häufig…

Discussion

Die Ausnutzung der Allelopathie kann potenziell als biologische Kontrolle für Unkraut dienen, das schwer zu verwalten ist^1,7,13. Die Allelopathie hat großes Potenzial als mögliche Lösung für die Unkrautkrise bei Reis gezeigt und dient als Alternative oder Ergänzung zu Chemikalien und manuellen Unkrautbekämpfungspraktiken^5,13,19. …

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