Эффекты изотопа 13C - Чэнду Cybutryne Group Co., Ltd.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13756 (2023) Цитировать эту статью

63 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Вторичные метаболиты аборигенных растений оказывают значительное аллелопатическое ингибирующее действие на рост и развитие инвазивных чужеродных растений. В качестве экзогенных аллелопатических веществ использовали метилпальмитат (МП) и метиллиноленат (МЛ). В ходе исследований были изучены различия ингибирующего действия МП и МЛ на рост проростков Alternanthera philoxeroides, рассчитаны их морфологические характеристики, биомасса, физиологические показатели и индекс реакции (РИ). Синтетический аллелопатический индекс (СЭ) 1 ммоль/л МП был наименьшим (-0,26), а аллелопатическое торможение было самым сильным; поэтому он был выбран как аллелохимический препарат, меченный 13C. С помощью экспериментов по отслеживанию стабильного изотопа 13С изучено распределение 1 ммоль/л МФ в различных частях A. philoxeroides, а также корреляция между соотношением биомасс корней, стеблей и листьев и содержанием 13С. Атомный процентный избыток (APE) между корнями, стеблями и листьями A. philoxeroides, обработанными МП в концентрации 1 ммоль/л, значительно различался по величине: листья (0,17%) > корни (0,12%) > стебли (0,07%). Соотношение биомасс корней, стеблей и листьев инвазивных сорняков имело значительную положительную корреляцию с содержанием 13C (p < 0,01, R2 от 0,96 до 0,99). Это текущее исследование предлагает новую идею и метод борьбы с A. philoxeroides, но его крупномасштабная популяризация еще предстоит изучить.

На фоне глобального изменения климата инвазивные экзотические растения являются одним из основных факторов утраты биоразнообразия и представляют серьезную угрозу стабильности экосистем1. Инвазивные растения успешно проникли в инвазивные участки различными конкурентными путями, демонстрируя более высокую фенотипическую пластичность2. Инвазивные растения обладают высокой эффективностью использования энергии и низкими затратами на воспроизводство, что позволяет им быстро расти и развиваться, а также обладает более сильной способностью к химической защите3. «Гипотеза нового оружия» предполагает, что инвазивные растения производят аллелохимические вещества различными способами, например, через выделения корней, чтобы подавить рост и развитие других растений, тем самым достигая инвазии4,5.

Alternanthera philoxeroides, многолетнее травянистое растение рода Amaranthaceae, входит в первый список инвазивных чужеродных видов в Китае и отличается высокой адаптируемостью и фенотипически пластичностью6. Тем не менее, их бесполое размножение и конкурентоспособность могут привести к потере местного видового разнообразия, гомогенизации видов и снижению урожайности7. Эффективность физического, химического и биологического контроля A. philoxeroides оказалась слишком дорогостоящей с точки зрения человека и окружающей среды8. Аборигенные растения могут хорошо контролировать рост A. philoxeroides посредством контроля замещения, а водные экстракты корней Humulus scandens, Ipomoea batatas и органов Phragmites australis уменьшают инвазивное распространение, подавляя их фотосинтез и развитие проростков, что приводит к эффективному управлению9,10,11.

Местные растения могут подавлять и отталкивать рост и распространение инвазивных растений, выделяя специфические метаболиты в окружающую среду, вызывая аллелопатию, которая может снизить продуктивность растений примерно на 25%12,13. Аллелохимические вещества являются основным материалом аллелопатии14. Большинство аллелохимических веществ, вырабатываемых растениями, представляют собой вторичные метаболиты, которые подразделяются на четырнадцать категорий в зависимости от их структурной функции и состава, наиболее распространенные из которых включают органические кислоты, фенолы и терпеноиды15. Аллелопатические вещества в основном попадают в окружающую среду в результате выщелачивания дождем и туманом, естественного испарения, остатков растений и разложения подстилки, а также секреции корней, тогда как растения обычно выделяют вторичные метаболиты одним или несколькими способами16. Физиологическая деятельность, такая как деление клеток, проницаемость мембран, фотосинтез и дыхание, синтез и метаболизм ферментов, белки и нуклеиновые кислоты в растениях, тесно связаны с аллелопатическими веществами17. Например, экстракт коры корня персика и бензойная кислота могут снижать параметры фотосинтеза и повышать уровень антиоксидантных ферментов в саженцах персика, что приводит к потере органелл и ядерным нарушениям18. Изменения клеточной проницаемости, повреждение клеток, изменение проницаемости мембран, снижение поглощения минералов и поглощения воды эмбрионом у проростков мягкой пшеницы из-за стероидов и фенольных соединений в водных экстрактах сорняков19.

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>