Effets de l'isotope 13C - Groupe Cie., Ltd de Chengdu Cybutryne

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13756 (2023) Citer cet article

63 Accès

1 Altmétrique

Détails des métriques

Les métabolites secondaires des plantes indigènes ont des effets inhibiteurs allélopathiques importants sur la croissance et le développement des plantes exotiques envahissantes. Le palmitate de méthyle (MP) et le linolénate de méthyle (ML) ont été utilisés comme substances allélopathiques exogènes. La recherche a étudié les différences d'effets inhibiteurs du MP et du ML sur la croissance des plants d'Alternanthera philoxeroides et a calculé leurs caractéristiques morphologiques, leur biomasse, leurs indicateurs physiologiques et leur indice de réponse (RI). L'indice allélopathique synthétique (SE) de 1 mmol/L MP était le plus petit (− 0,26) et l'inhibition allélopathique était la plus forte ; par conséquent, il a été sélectionné comme allélochimique marqué au 13C. La distribution de 1 mmol/L MP dans différentes parties d'A. philoxeroides et la corrélation entre les ratios de biomasse des racines, des tiges et des feuilles et la teneur en 13C ont été étudiées par des expériences de traçage des isotopes stables du 13C. L'excès de pourcentage atomique (APE) entre les racines, les tiges et les feuilles d'A. philoxeroides traités avec 1 mmol/L de MP était significativement différent en termes d'ampleur, avec feuilles (0,17 %) > racines (0,12 %) > tiges (0,07 %). Les ratios de biomasse des racines, des tiges et des feuilles des mauvaises herbes envahissantes présentaient une corrélation positive très significative avec la teneur en 13C (p < 0,01, R2 entre 0,96 et 0,99). Les recherches actuelles proposent une nouvelle idée et une nouvelle méthode pour lutter contre A. philoxeroides, mais leur vulgarisation à grande échelle reste à étudier.

Dans le contexte du changement climatique mondial, les plantes exotiques envahissantes sont l’un des principaux facteurs de perte de biodiversité et constituent une menace sérieuse pour la stabilité des écosystèmes1. Les plantes envahissantes ont réussi à envahir les sites envahissants par diverses voies compétitives, montrant une plasticité phénotypique plus élevée2. Les plantes envahissantes ont une efficacité énergétique élevée et un faible coût de reproduction, ce qui les fait croître et se développer rapidement et ont une capacité de défense chimique plus forte3. La « nouvelle hypothèse de l’arme » suggère que les plantes envahissantes produisent des substances allélochimiques de diverses manières, telles que les sécrétions des racines, pour inhiber la croissance et le développement d’autres plantes, réalisant ainsi une invasion4,5.

Alternanthera philoxeroides, une plante herbacée vivace du genre Amaranthaceae, figure sur la première liste d'espèces exotiques envahissantes en Chine et est très adaptable et phénotypiquement plastique6. Néanmoins, leur reproduction asexuée et leur capacité compétitive peuvent entraîner la perte de la diversité des espèces locales, homogénéiser les espèces et entraîner une réduction du rendement des cultures7. L’efficacité de la lutte physique, chimique et biologique contre A. philoxeroides s’est avérée trop coûteuse en termes humains et environnementaux8. Les plantes indigènes peuvent bien contrôler la croissance d'A. philoxeroides grâce au contrôle de remplacement, et les extraits aqueux de racines d'Humulus scandens, d'Ipomoea batatas et d'organes de Phragmites australis réduisent la propagation invasive en inhibant leur photosynthèse et le développement des plantules, ce qui permet une gestion efficace9,10,11.

Les plantes indigènes peuvent inhiber et repousser la croissance et l’expansion des plantes envahissantes en sécrétant des métabolites spécifiques dans l’environnement pour produire une allélopathie, ce qui peut réduire les performances des plantes d’environ 25 %12,13. Les produits allélochimiques constituent le matériau principal de l’allélopathie14. La plupart des substances allélochimiques produites par les plantes sont des métabolites secondaires, classés en quatorze catégories en fonction de leur fonction structurelle et de leur composition, les plus courantes comprenant les acides organiques, les phénols et les terpénoïdes15. Les substances allélopathiques sont en grande partie rejetées dans l’environnement par le lessivage de la pluie et du brouillard, la volatilisation naturelle, la décomposition des restes végétaux et de la litière et la sécrétion des racines, tandis que les plantes libèrent normalement des métabolites secondaires d’une ou plusieurs manières16. Les activités physiologiques telles que la division cellulaire, la perméabilité des membranes, la photosynthèse et la respiration, la synthèse et le métabolisme des enzymes, les protéines et les acides nucléiques des plantes sont toutes étroitement liées aux substances allélopathiques17. Par exemple, l’extrait d’écorce de racine de pêcher et l’acide benzoïque peuvent diminuer les paramètres photosynthétiques et augmenter les enzymes antioxydantes dans les plants de pêcher, entraînant une perte d’organites et des irrégularités nucléaires18. Modifications de la perméabilité cellulaire, dommages cellulaires, perméabilité membranaire altérée, absorption réduite de minéraux et absorption d'eau par les embryons dans les plants de blé tendre en raison des stéroïdes et des composés phénoliques présents dans les extraits aqueux de mauvaises herbes19.

99% and methyl linolenate (ML) with purity > 99.5% were purchased from Shanghai Titan Scientific Co., Ltd and Hefei Shang Cheng experiment supplies Ltd./p> 0, it means promotion, and the larger the absolute value, the better the promotion; the absolute value represents the strength of the allelopathy of various concentrations of MP and ML./p> 0, it means that it has a positive effect./p> roots (0.12%) > stems (0.07%). APE was significantly lower by 27.64% and 56.01% for roots and stems, respectively, compared to leaves, and by 39.21% for stems compared to roots. Compared to total plant APE, leaves significantly increased by 38.65% and stems significantly decreased by 39.01%./p> R2 leaf (0.98) = R2 total (0.98) > R2 root (0.96). The average increase was ranked in order of total plant (0.4538) > leaf (0.1067) > root (0.0565) > stem (0.0316). Overall, the one-dimensional linear regression of root, stem and leaf biomass ratios, total biomass and 13C content were fitted with high accuracy, and the 13C content tended to increase with increasing biomass, which could predict the 13C content of A. philoxeroides./p> Stem length > Shoot dry weight > Root dry weight > Root length = Leaf number > Node number, where the leaf area had the slightest RI and the strongest allelopathic inhibition. As shown by the synthetical allelopathic index, the SE of MP and ML treated with different concentrations were negative, indicating that both allelopathic substances had inhibitory effects on the growth of A. philoxeroides. The magnitude of inhibition was, MP1 > ML1 > ML0.1 > MP0.5 > ML0.5 > MP0.01 > ML0.01 > MP0.1, and the MP1 (SE = − 0.26) concentration had the strongest inhibitory effect on A. philoxeroides./p> root > stem, and plant roots and stems produced more lignin and cellulose, which reduced the synthesis and utilization of allelopathic substances; it also related to the transport of the phloem of the stem, and A. philoxeroides enhanced photosynthesis in order to resist the stress damage of allelopathic substances, which led to the accumulation of more 13C photosynthetic products in the leaf part66. The distribution of 13C in the different parts of A. philoxeroides showed that the distribution of allelopathic substances absorbed by the plant in roots, stems and leaves was linked to the allelopathic inhibition of morphological characteristics (stem length, root length, node number, leaf number and leaf area). The highest 13C content in leaves had the strongest inhibitory effect on invasive weeds. The maximum accumulation of 13C in leaves also indicated some inhibitory effect on pigment content and enzyme activity of leaves. Allelopathic stress affected the enzyme activity of the leaf cells of invasive weeds, causing an increase in intracellular reactive oxygen radicals (Table 3), reducing chlorophyll content on cystoid membranes (Fig. 1), and lowering light uptake and conversion. This led to impaired electron transport and oxidative phosphorylation, which reduced photosynthesis and ultimately resulted in macroscopic characteristics of delayed germination and weak seedlings67,68. The relationship between biomass and 13C content in this study showed that the biomass ratios of roots, stems and leaves of A. philoxeroides had a highly significant positive correlation (p < 0.01) with the 13C content of the corresponding parts, and the correlation coefficient between the two reached over 0.95. It means that biomass and allelopathic inhibition are closely linked, and the more biomass accumulated by plants, the more allelopathic substances are absorbed and the more obvious the inhibition is, thus reaching the critical value of biomass accumulation, which makes them grow slowly and show weakness on the plant. Gealy et al. found that the δ13C values of rice were negatively correlated with biomass by a linear fit, in contrast to the present study, which may be related to the differences in plants and research methods30,68./p> roots > stems, and the root, stem and leaf biomass ratios of the invasive weed were positively related to the 13C content. This proves that the spread of invasive alien plants can be well controlled by developing and researching exogenous allelopathic substances from water extracts of indigenous species, which can be directly absorbed by the root system of A. philoxeroides and produce inhibitory effects. This provides research directions for the future utilization of natural herbicides. However, in the natural condition, MP and ML may be affected by abiotic factors such as climate, temperature, light, water, soil chemicophysical properties and biotic factors such as soil animals, soil microorganisms, and activities of other plants, all of which may enhance or weaken the allelopathy of exogenous allelopathic substances. Therefore, their allelopathic effects need to be further investigated under natural conditions, especially the combined effects of indigenous plants on soil physicochemical properties and inter-root microorganisms./p>