Efeitos do isótopo 13C - Chengdu Cybutryne Group Co., Ltd

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13756 (2023) Citar este artigo

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Os metabólitos secundários das plantas indígenas têm efeitos inibitórios alelopáticos significativos no crescimento e desenvolvimento de plantas exóticas invasoras. Palmitato de metila (MP) e linolenato de metila (ML) foram utilizados como substâncias alelopáticas exógenas. A pesquisa investigou as diferenças dos efeitos inibitórios de MP e ML sobre o crescimento de mudas de Alternanthera philoxeroides, e calculou suas características morfológicas, biomassa, indicadores fisiológicos e índice de resposta (IR). O índice alelopático sintético (SE) de 1 mmol/L MP foi o menor (-0,26) e a inibição alelopática foi a mais forte; portanto, foi selecionado como um aleloquímico marcado com 13C. A distribuição de 1 mmol/L de MP em diferentes partes de A. philoxeroides e a correlação entre as proporções de biomassa de raízes, caules e folhas e o teor de 13C foram estudadas por experimentos de rastreamento de isótopos estáveis de 13C. O excesso percentual de átomos (APE) entre raízes, caules e folhas de A. philoxeroides tratados com 1 mmol/L de MP foi significativamente diferente em termos de magnitude, com folhas (0,17%) > raízes (0,12%) > caules (0,07%). As proporções de biomassa de raízes, caules e folhas de plantas daninhas invasoras tiveram grande correlação positiva significativa com o teor de 13C (p < 0,01, R2 entre 0,96 e 0,99). Esta pesquisa atual fornece uma nova ideia e método para o controle de A. philoxeroides, mas a popularização em larga escala ainda precisa ser estudada.

No contexto das alterações climáticas globais, as plantas exóticas invasoras são um dos principais motores da perda de biodiversidade e representam uma séria ameaça à estabilidade dos ecossistemas1. As plantas invasoras invadiram com sucesso os locais invasores através de uma variedade de formas competitivas, apresentando maior plasticidade fenotípica2. As plantas invasoras apresentam alta eficiência de utilização de energia e baixo custo reprodutivo, o que as faz crescer e se desenvolver rapidamente e possuir maior capacidade de defesa química3. A "hipótese da nova arma" sugere que as plantas invasoras produzem aleloquímicos de várias maneiras, como secreções radiculares, para inibir o crescimento e desenvolvimento de outras plantas, conseguindo assim a invasão4,5.

Alternanthera philoxeroides, uma erva perene do gênero Amaranthaceae, está na primeira lista de espécies exóticas invasoras na China e é altamente adaptável e fenotipicamente plástica6. No entanto, a sua reprodução assexuada e capacidade competitiva podem levar à perda da diversidade de espécies locais, homogeneizar espécies e causar redução do rendimento das culturas7. A eficácia do controle físico, químico e biológico de A. philoxeroides tem sido muito dispendiosa em termos humanos e ambientais8. As plantas nativas podem controlar bem o crescimento de A. philoxeroides por meio do controle de substituição, e extratos aquosos de raízes de Humulus scandens, Ipomoea batatas e órgãos de Phragmites australis reduzem a disseminação invasiva ao inibir sua fotossíntese e o desenvolvimento de mudas, resultando em um manejo eficaz9,10,11.

As plantas indígenas podem inibir e repelir o crescimento e a expansão de plantas invasoras, secretando metabólitos específicos no ambiente circundante para produzir alelopatia, o que pode reduzir o desempenho das plantas em cerca de 25%12,13. Os aleloquímicos são o principal material da alelopatia14. A maioria dos aleloquímicos produzidos pelas plantas são metabólitos secundários, que são classificados em quatorze categorias de acordo com sua função estrutural e composição, sendo que os mais comuns incluem ácidos orgânicos, fenóis e terpenóides15. As substâncias alelopáticas são largamente libertadas para o ambiente circundante através da lixiviação da chuva e do nevoeiro, volatilização natural, restos de plantas e decomposição da serapilheira e secreção radicular, enquanto as plantas normalmente libertam metabolitos secundários de uma ou mais maneiras . Atividades fisiológicas como divisão celular, permeabilidade da membrana, fotossíntese e respiração, síntese e metabolismo enzimático, proteínas e ácidos nucléicos em plantas estão intimamente relacionadas com substâncias alelopáticas . Por exemplo, o extrato de casca de raiz de pêssego e o ácido benzóico podem diminuir os parâmetros fotossintéticos e aumentar as enzimas antioxidantes em mudas de pêssego, resultando em perda de organelas e irregularidades nucleares . Alterações na permeabilidade celular, dano celular, alteração da permeabilidade da membrana, redução da absorção de minerais e absorção de água embrionária em mudas de trigo panificável devido a esteróides e compostos fenólicos em extratos aquosos de ervas daninhas .

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>