Repeterbar trappetrinnsanalyse for å få tilgang til det allelopathic potensialet til Weedy Rice (Oryza sativa ssp.)

Summary

Allelopati har vist løfte som en nyttig supplerende ugresskontrollstrategi i beskjæringssystemer. For å bestemme allelopathic potensialet til en ønsket planteprøve, er en trapp-trinnscreeningsmetode gitt.

Abstract

Ugresskonkurranse bidrar betydelig til å gi tap i beskjæringssystemer over hele verden. Utviklingen av resistens hos mange ugressarter til kontinuerlig anvendte ugressmidler har presentert behovet for ytterligere forvaltningsmetoder. Allelopati er en fysiologisk prosess som noen plantearter har som gir planten en fordel over sine naboer. Allelopathic avling varianter ville være utstyrt med evnen til å undertrykke veksten av omkringliggende konkurrenter, og dermed redusere potensielle utbyttetap på grunn av luke interferens. Dette papiret fokuserer på bygging og drift av en trapp-trinnanalyse som brukes til screening av allelopathic potensialet til en donor arter (Oryza sativa) mot en mottaker luke arter (Echinochloa crus-galli) i en drivhus setting. Strukturen som er beskrevet i dette papiret fungerer som et stativ for planteprøvene og inkorporerer et tidsriktig vanningssystem for akkumulering og distribusjon av allelokjemikalier. Allelochemicals produsert av planterøttene får lov til å strømme nedover gjennom en serie på fire potter separat inn i en innsamlingstank og resirkuleres tilbake til toppanlegget gjennom elektriske pumper. Denne screeningmetoden gir en vei for allelochemicals fra donoranlegget for å nå mottakeranlegg uten ressurskonkurranse, og dermed tillate kvantitativ måling av det allelopatiske potensialet til det valgte donoranlegget. Det allelopatiske potensialet kan måles gjennom høydereduksjonen av mottakerplantene. Foreløpige screeningdata for effektiviteten av denne metoden viste høydereduksjon i mottakerartene, barnyardgrass (E. crus-galli), og dermed tilstedeværelsen av allelopathic rester fra donoranlegget, ugresset ris (Oryza sativa).

Introduction

Allelopati er et naturlig og komplekst fenomen som har vært fokus for mange planteforskere de siste tiårene. Mekanismene knyttet til allelopati for bruk i avlinger har vært gjenstand for mye forskning siden 1930-tallet, da Molisch observerte at en plante har en direkte eller indirekte effekt på et nærliggende anlegg gjennom produksjon og sekresjon av kjemiske forbindelser inn i miljøet¹. Allelopati er produksjon av sekundære metabolitter som har hemmende effekter på vekst og spiring av noen plantearter. Utgitt allopatiske kjemiske forbindelser bidra til å gi donorplanter med et konkurransefortrinn ved å legge phytotoxins til miljøet rundt dem². Mange faktorer bidrar til den allelopatiske aktiviteten. Det er selektivt i sin effektivitet og varierer mellom varianter, miljøforhold, vekststadium, stress, miljø og næringstilgjengelighet^3.

De siste årene har allelopati blitt fremhevet i forskning som et mulig supplement til den konstante og voksende ugresskontrollkrisen. Med den voksende globale befolkningen har etterspørselen etter bærekraftig mat- og fiberproduksjon økt^{med 4.} Ugresskontroll er en av de største truslene mot produksjonen som agronomists^5,6. Tradisjonelle ugresskontrollmetoder fokuserer på mekanisk, kjemisk og kulturell praksis. Kontinuerlig bruk av ugressmidler, mens effektiv, nyttig og effektiv, har fremmet utviklingen av resistente ugresspopulasjoner i et alarmerende raskt tempo⁷. Genteknologi og avlspraksis har blitt brukt effektivt for å gi avlinger konkurransefortrinn fremfor ugress ved å designe dem for å tåle kjemiske applikasjoner som deres naboer ikke kan overleve^7,8. Selv om effektive, disse teknologiene er ikke alltid bærekraftig og noen ganger utgjør outcrossing bekymringer⁹. Supplerende ugressforvaltningspraksis må innføres dersom målet om å øke matproduksjonen skal^{oppfylles 10}. Allelopathy viser utmerket løfte som et nytt forsvarsverktøy for avlinger for å forbedre kvaliteten og overleve sine konkurrenter^1,7.

Allelochemicals er ofte sekundære produkter, og fordi deres produksjon er sterkt påvirket av miljøfaktorer, kan de spesifikke forbindelsene forbundet med planteundertrykkelse være vanskelig å identifisere³. Produksjonsfaktorer inkluderer genetikk og felles virkning av sekundære metabolitter som kan virke synergisk^11,12. Det er utfordrende å skille allelopathic aktivitet fra konkurransen som naturlig eksisterer innenfor beskjære-luke interaksjoner, og på grunn av dette, når screening for allelopathy må det være et standard sett med resultater som kvalifiserer analysen som gyldig og repeterbar. Nedenfor er et sett med kriterier som kvalifiserer funn av allelopati som skissert av Olofsdotter et al.¹² 1) En plante må demonstrere undertrykkelse av en annen plante i et mønster; 2) Kjemikaliene som slippes ut i miljøet i bioaktive mengder må produseres av donoranlegget; 3) Kjemikaliene som produseres må transporteres til mottakeranlegget; 4) En mekanisme for opptak må være til stede i mottakeranlegget; 6) Mønsteret for hemming observert må ikke ha noen annen eksklusiv forklaring (f.eks, konkurranse om ressurser)¹².

I et forsøk på å overvinne barrieren mellom mangel på kunnskap om mekanismene som støtter allelopati og variasjonsutvikling, kan fenotypiske egenskaper forbundet med allelopatiske varianter identifiseres og velges for videre forskning og bruk. Noen planter kjent for å ha allelopatiske kvaliteter er rug, sorghum, ris, solsikke, raps og hvete¹³. Under de tidlige observasjonene av allelopati i avlinger, på grunn av fremstående grenser for ugressvekst i felteksperimenter, ble det foreslått at kjemikalier var involvert i stedet for konkurranse om ressurser¹⁴. Imidlertid var de fleste studier felteksperimenter som gjorde det umulig å eliminere konkurranse som en faktor¹⁴. Konkurranse eliminering innsats ga vei til lab og drivhus eksperimenter i forsøk på å bevise og kvantifisere allelopathic aktivitet i ris og andre avlinger. Felt- og drivhusmetoder for å screene planter for allelopati viser at allelopatiske tendenser er til stede i begge vekstforhold^11,15. Noen kritikere mener at laboratoriescreeninger bare kan holde begrenset verdi på grunn av mangel på naturlige forhold, noe som kan påvirke resultatene¹⁵.

Den foreslåtte metoden for screening allelopathic potensial i planter gir tilstrekkelige ressurser og plass og eliminerer ressurskonkurranse med bruk av en trapp-trinnstruktur^11,17. Metoden ble tilpasset og endret fra tidligere eksperimenter som utforsket allelopati i turfgrass og bygg^17,18. Disse studiene fant at et lignende system var i stand til å produsere nøyaktige resultater på allelopathic potensialet til et målanlegg samtidig fjerne tvil om at observasjonene kunne tilskrives naturlig konkurranse. Trappetrinnsmetoden skaper et sirkulasjonssystem hvor en næringsløsning fra et reservoar kan bla gjennom hver plante til et inkubasjonsbrett gjennom noen få trinn. En elektrisk pumpe resirkulerer deretter løsningen sammen med allelokjemikalier produsert¹⁸. En metode som dette er effektiv i både tid, rom og ressurser. Det gir også lignende feltforhold for anleggene og eliminerer enhver ressurskonkurranse. Metodene og verktøyene som brukes til screening, manipuleres lett for å passe de ønskede studiemålene, forholdene og spesifikke arter. Målet med denne studien er å bekrefte ugresset risallelopati gjennom høydeundertrykkelsesmålinger på barnyardgrass ved bruk av trappetrinnsmetoden.

Protocol

1. Stativ Konstruksjon MERK: Målinger for treet er oppført som tykkelse (cm) x bredde (cm) x lengde (m). Skjær tre i passende størrelser og mengder som følger: fem 10,16 cm x 5,08 cm x 0,91 m trestykker, tre 10,16 cm x 5,08 cm x 0,76 m trestykker, tre 10,16 cm x 5,08 cm x 0,61 m trestykker, fem 10,16 cm x 5,08 cm x 0,46 m trestykker , tre 10,16 cm x 5,08 cm x 0,3 m trestykker, og tre 10,16 cm x 5,08 cm x 0,15 m trestykker. For det høyeste nivået, stå en 2,44 m bord …

Representative Results

To foreløpige screeninger ved hjelp av denne metoden ble utført på ni ugresset ris tiltredelser (B2, S33, B83, S97, S94, B81, B8, B34, B14) og fem kultiverte rislinjer (PI338046, Rex, Rondo, PI312777, CL163). Weedy ris tiltredelser og ris linjer ble valgt basert på deres ytelse i tidligere allelopathic screenings utført av Shrestha (2018)18. Ugresset risfrø ble samlet fra hele delstaten Arkansas. De valgte rislinjene er ofte dyrkede linjer i USA, noen kjent for å uttrykke allelopathic aktiv…

Discussion

Utnytte allelopati kan potensielt tjene som en biologisk kontroll for ugress som er vanskelig å administrere^1,7,13. Allelopathy har vist stort potensial som en mulig løsning på ugresskrisen i ris og fungerersom et alternativ eller supplement til kjemikalier og manuell luke kontroll praksis^5,13,19. Å identifisere allelopathic variant…

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