Allelopathie

Allelopathie

Kapitel 1: Einleitung

Geschichte

Theophrastus (ca. 300 v. Chr.), ein Schüler und Nachfolger von Aristoteles, schrieb in seinen botanischen Werken über allelopathische Reaktionen. Er wurde als „Vater der Botanik“ bezeichnet und schrieb darüber, wie die Kichererbse den Boden „auslaugt“ und Unkraut vernichtet.

Im Jahr 1 n. Chr. schrieb Gaius Plinius Secundus, auch bekannt als Plinius der Ältere, ein römischer Gelehrter und Naturforscher, darüber, wie Kichererbse und Gerste das Kornland „versengen“. Er erwähnte auch, dass Walnussbäume für andere Pflanzen giftig sind.

Augustin Pyramus De Candolle, ein Botaniker und Naturforscher, schlug 1832 vor, dass die Bodenkrankheit durch die von den Pflanzen freigesetzten Chemikalien verursacht wird.

Und in den Jahren 1907-1909 untersuchten zwei Forscher, Schreiner und Reed, die Isolierung einer Reihe von phytotoxischen Chemikalien aus Pflanzen und Böden.

Was ist Allelopathie?

Das Wort Allelopathie leitet sich von zwei verschiedenen Wörtern ab. Sie sind allelon, was „von einander“ bedeutet, und pathos, was „leiden“ bedeutet. Allelopathie bezieht sich auf die chemische Hemmung einer Art durch eine andere. Die „hemmende“ Chemikalie wird in die Umwelt freigesetzt, wo sie die Entwicklung und das Wachstum der benachbarten Pflanzen beeinflusst.

Allelopathische Chemikalien können in jedem Teil der Pflanze vorhanden sein. Sie können in Blättern, Blüten, Wurzeln, Früchten oder Stängeln zu finden sein. Sie können auch in der umgebenden Erde vorkommen. Die Zielarten werden durch diese Gifte auf unterschiedliche Weise beeinträchtigt. Die giftigen Chemikalien können das Spross-/Wurzelwachstum hemmen, sie können die Nährstoffaufnahme hemmen, oder sie können eine natürlich vorkommende symbiotische Beziehung angreifen und so die nutzbare Nährstoffquelle der Pflanze zerstören.

Sind alle Pflanzen allelopathisch?

Nicht alle Pflanzen haben allelopathische Tendenzen. Einige zeigen diese Tendenzen, obwohl sie in Wirklichkeit eine aggressive Konkurrenz auf nicht-chemischer Basis darstellen. Ein großer Teil der Kontroverse um die Allelopathie besteht in dem Versuch, die Art der Konkurrenz zu unterscheiden, die gezeigt wird. Im Allgemeinen gilt die Pflanze als allelopathisch, wenn sie chemisch ist. In jüngster Zeit gab es einige Hinweise auf Pflanzenallelotoxine, die sich gegen Tiere richten, aber die Datenlage ist dürftig.

Auswirkungen auf die Umwelt

Allelopathie ist eine Form des chemischen Wettstreits. Die allelopathische Pflanze konkurriert durch „störende“ Chemikalien. Wettbewerb hat per Definition eine von zwei Formen – Ausbeutung oder Einmischung.

Wettbewerb wird sowohl von Pflanzen als auch von Tieren genutzt, um sich einen Platz in der Natur zu sichern. Pflanzen konkurrieren um Sonnenlicht, Wasser und Nährstoffe und, wie Tiere, um ihr Territorium. Der Wettbewerb beeinflusst ebenso wie Parasitismus, Krankheiten und Raubtiere die Verteilung und Menge der Organismen in einem Ökosystem. Die Wechselwirkungen von Ökosystemen definieren eine Umwelt.

Wenn Organismen miteinander konkurrieren, schaffen sie das Potenzial für Ressourcenbeschränkungen und mögliche Ausrottungen. Allelopathische Pflanzen hindern andere Pflanzen daran, die verfügbaren Ressourcen zu nutzen und beeinflussen so die Entwicklung und Verbreitung anderer Arten. Man könnte sagen, dass allelopathische Pflanzen die Umgebung, in der sie leben, kontrollieren.

Zur Diskussion

Wie kann man feststellen, ob eine Pflanze Allelopathie zeigt, im Gegensatz zu nicht chemischer Konkurrenz?

Können allelopathische Chemikalien Tiere, einschließlich Menschen, beeinträchtigen?

Wie sind die Menschen zum ersten Mal auf die Allelopathie aufmerksam geworden?

Haben Sie Allelopathie oder allelopathieähnliche Einflüsse in Ihrer Nachbarschaft festgestellt?

Warum ist das Studium der Allelopathie so wichtig?

Was sind die positiven Auswirkungen der Allelopathie? Wie können diese für die Verbesserung des Planeten genutzt werden?

Wie würdest du vorgehen, um die Allelopathie zu testen?

Kannst du einige allelopathische Pflanzen benennen oder identifizieren?

Schwerpunkt: Forschendes Lernen

Diese Einheit über Allelopathie ist forschungsbasiert. Die Labore und Exkursionen sind praxisorientiert und alle Aktivitäten erfordern ständige Interaktionen mit den Schülern. Aus diesem Grund kann die Einheit ohne negative Auswirkungen verändert und angepasst werden.

Kapitel 2: Chemische Kriegsführung im Pflanzenreich

Schwarzwalnuss

Eine der bekanntesten allelopathischen Pflanzen ist die Schwarzwalnuss (Juglans nigra). Die Chemikalie, die für die Toxizität der Schwarznuss verantwortlich ist, heißt Juglon (5-Hydroxy-1,4-Napthochinon) und ist ein Atmungshemmer. Nachtschattengewächse wie Tomaten, Paprika und Auberginen sind besonders empfindlich gegenüber Juglon. Wenn diese Pflanzen dem Allelotoxin ausgesetzt sind, zeigen sie Symptome wie Welken, Chlorose (Blattvergilbung) und schließlich den Tod. Auch andere Pflanzen sind in unterschiedlichem Maße anfällig, und einige zeigen überhaupt keine spürbaren Auswirkungen. Zu den Pflanzen, bei denen eine Toleranz gegenüber Juglon beobachtet wurde, gehören Limabohnen, Rüben, Karotten, Mais, Kirschen, schwarze Himbeeren, Catalpa, Virginia Creeper, Veilchen und viele andere.

Juglon ist in allen Teilen der Schwarznuss vorhanden, aber besonders konzentriert in den Knospen, Nussschalen und Wurzeln. Es ist nicht sehr wasserlöslich und bewegt sich daher nicht sehr schnell im Boden. Die Toxizität wurde in allen Böden beobachtet, in denen Wurzeln der Schwarznuss wachsen (die Wurzeln können die dreifache Ausdehnung der Baumkrone erreichen), ist jedoch in der Nähe des Baumes, unter der Tropfkante, besonders konzentriert. Dies ist hauptsächlich auf die größere Wurzeldichte und die Anhäufung von verrottenden Blättern und Schalen zurückzuführen.

Himmelsbaum

Der Himmelsbaum oder Ailanthus (Ailanthus altissima) ist eine neue Ergänzung der Liste der allelopathischen Bäume. Ailanthon, ein Allelotoxin, das aus der Wurzelrinde von Ailanthus extrahiert wird, ist für seine „starke herbizide Wirkung nach Pflanzenaufgang“ bekannt. Ailanthus stellt in städtischen Gebieten ein ernsthaftes Unkrautproblem dar.

Sorghum

Der Hauptbestandteil von Sorghum, der eine allelopathische Wirkung hat, ist Sorgolen (2-Hydroxy-5-methoxy-3-{(8’z,11’z)-8′,11′,14′-Pentadecatrien}-p-Benzoichinon). Sorgolen kommt in den Wurzelexsudaten der meisten Sorghumarten vor und ist nachweislich ein sehr starkes Allelotoxin, das die mitochondrialen Funktionen stört und die Photosynthese hemmt. Es wird ausgiebig als Unkrautbekämpfungsmittel erforscht.

Andere

Es gibt viele andere bekannte allelopathische Arten und viele, bei denen der Verdacht besteht, dass sie allelopathisch sind, darunter verschiedene Feuchtgebietsarten, Gräser und andere holzige Pflanzen wie der Duftsumach (Rhus aromaticus). Tabak (Nicotianarustica), Reis (Oryza sativa), Erbsen (Pisum sativum) und viele andere sind dafür bekannt, Wurzelallelotoxine zu haben.

Zur Diskussion:

Lassen Sie die Schüler andere allelopathische Pflanzen recherchieren und diskutieren.

Kapitel 3: Verfahren und Protokoll

Protokoll 1. Lernen, Anzeichen für Allelopathie zu erkennen

Der beste Weg, Allelopathie zu untersuchen, ist, Anzeichen dafür zu finden, dass sie in der Natur vorkommt. Es ist unmöglich, die Gifte bei der Arbeit zu „sehen“, aber es ist möglich, die Anzeichen und Symptome zu erkennen, die durch die Chemikalien an den umliegenden Pflanzen verursacht werden. Zum Beispiel wachsen nur sehr wenige Pflanzen unter einer Black Walnut, und die, die es tun, sehen oft kränklich und chlorotisch aus. Dies ist ein Anzeichen dafür, dass das Paralleltoxin Juglon wirkt.

Neben dem Erkennen der Anzeichen von Allelopathie muss man auch in der Lage sein, die Pflanzen zu identifizieren. Einige allelopathische Pflanzen, wie die Schwarze Walnuss, wachsen in unseren Gärten und auf unseren Straßen und sind leicht zu identifizieren. Andere, wie Sorghum oder Kichererbse, sind in ländlichen Gebieten, in denen sie als Nutzpflanzen oder am Rande von Ackerflächen angebaut werden, vielleicht leichter zu finden. Einige allelopathische Pflanzen, vor allem viele der Arten aus Feuchtgebieten, erfordern möglicherweise spezielle Exkursionen und zusätzliche Zeit, um sie zuerst zu finden und dann zu identifizieren.

Protokoll 2. Ernte von Pflanzen und Pflanzenteilen

Viele der bekannten Allelotoxine sind sehr teuer und nicht leicht zu beschaffen. Einige Unternehmen wie Sigma Chemical und Caroline Biological führen die Chemikalien zwar, aber in fester Form, die nur mit großem Aufwand in eine lösliche Form gebracht werden kann, die im Labor verwendet werden kann. Nicht jede Klasse wird jedoch die Mittel oder den Zugang zu diesen Chemikalien haben. Daher kann es sein, dass die einzige Möglichkeit, die Experimente durchzuführen, darin besteht, die Klasse ihre eigenen Allelotoxine ernten zu lassen.

Eine gewisse Forschung wird erforderlich sein, um zu untersuchen, welche Pflanzenteile die höchsten Konzentrationen an allelopathischen Spezies aufweisen. Das in der Schwarznuss gefundene Juglon zum Beispiel ist in der ganzen Pflanze zu finden, besonders aber in den Nussschalen, Blättern und Wurzeln. Daher kann ein Klassenprojekt darin bestehen, in Gruppen aufzuteilen und jeden Teil zu ernten und entsprechend zu testen.

Beim Ernten von Pflanzen oder Pflanzenteilen ist es wichtig, sich zu vergewissern, dass die Pflanze nicht gefährdet ist und dass das Verfahren so durchgeführt wird, dass die Pflanze oder die Umgebung keinen Schaden erleidet. Wenn die ganze Pflanze geerntet wird, müssen natürlich Vorkehrungen getroffen werden.

Diese Feldübung kann durchgeführt werden, während die Klasse die allelopathischen Pflanzen wie in Protokoll 1 beschrieben identifiziert, oder sie kann als separate Übung durchgeführt werden.

Protokoll 3. Testen auf Allelopathie im Labor

Die Auswirkungen von allelopathischen Toxinen auf empfindliche Pflanzen können leicht im Labor oder im Gewächshaus getestet werden. Am einfachsten und kostengünstigsten ist der Test mit Saatgut. Samen, die bei Anwesenheit von Allelotoxinen nicht keimen, zeigen wahrscheinlich toxische Wirkungen. Pflanzen, die in Gegenwart von Allelotoxinen chlorotisch werden und schließlich eingehen, zeigen ebenfalls Anzeichen von Toxizität gegenüber der Chemikalie.

Solanaceen wie Tomaten und Paprika sind am anfälligsten für Juglon (das Allelotoxin, das in Schwarznussbäumen vorkommt). Die Laborumgebung ist der perfekte Ort, um die Anfälligkeit bestimmter Pflanzen für verschiedene Paralleltoxine zu testen.

Weitere wissenschaftliche oder forschungsbasierte Konzepte, wie z.B. Diagramme, Verdünnungen und allgemeine Laborprotokolle, werden ebenfalls abgedeckt, wenn bestimmte Allelopathie-Aktivitäten im Labor oder Klassenzimmer durchgeführt werden.

Vorgehensweise

1. Machen Sie sich mit den allelopathischen Arten in Ihrem Gebiet vertraut. Konzentrieren Sie sich insbesondere auf ausgewachsene Arten, die bereits etabliert sind. Diese weisen in der Regel höhere Konzentrationen des Allelotoxins auf und zeigen daher bessere Anzeichen und Symptome bei anfälligen Pflanzen in der Umgebung.

2. Wenden Sie sich, wenn möglich, an eine örtliche Naturschutzorganisation oder eine Beratungsstelle, die vielleicht etwas über die Allelopathie weiß. Ihre Forschung könnte für sie von Interesse sein und sie könnten professionelle Beratung oder wichtige Informationen anbieten.

3. Entscheiden Sie, welche Arten und Gebiete im Mittelpunkt Ihrer Untersuchung stehen sollen.

4. Entscheiden Sie sich für eine Untersuchungsmethode. Sie können zum Beispiel an einem Tag die Bestimmungsexkursion durchführen und an einem anderen Tag die Ernteexkursion folgen lassen oder beides an einem Tag durchführen.

5. Lernen Sie, wie Sie die Arten, die Sie untersuchen werden, identifizieren können. Es gibt viele gute Feldführer sowie viele ausgezeichnete Websites.

6. Entscheide, wie du das Gebiet, in dem du arbeiten wirst, aufteilst.

7. Schreibe auf, welche allelopathischen Anzeichen und Symptome gefunden wurden und bei welchen Arten sie gefunden wurden.

8. Diskutiere, wie man Allelopathie im Labor untersuchen kann.

9. Sammeln Sie die benötigten Materialien. Siehe die Materialliste am Ende.

Labor &Klassenraumübungen

A} Identifizierung allelopathischer Pflanzenteile: Black Walnut

Forschungsschwerpunkt

Lassen Sie die Schüler diskutieren, warum sie glauben, dass bestimmte Pflanzenteile allelopathischer sind als andere. Lassen Sie sie diesbezüglich recherchieren. Sie können im Internet recherchieren, mit Fachleuten auf dem Gebiet kommunizieren oder eine Bibliothek besuchen.

Für die Diskussion:

*Warum sind manche Teile allelopathischer als andere?

*Wie wirkt sich dies auf die Fähigkeit des Organismus aus, andere Pflanzen zu übertreffen?

*Ändert sich dies von Jahreszeit zu Jahreszeit? Tag und Nacht?

*Wie können wir diese Teile und ihre Eigenschaften testen?

Ernte im Feld

Durchführen einer Exkursion zur Ernte von Teilen des Schwarznussbaums. Diese Teile werden zur weiteren Untersuchung und Beobachtung in das Klassenzimmer mitgebracht.

Die Schüler sollten Folgendes sammeln:

1. Blätter

*5-10 Blätter pro Gruppe

*Lege sie in Papiertüten, auf denen der Name oder die Nummer der Gruppe steht und wo in der Baumkrone die Blätter gesammelt wurden.

2. Nussschalen

*2-3 Nussschalen pro Gruppe

*Hinweis:Schwarzwalnussschalen färben Haut und Kleidung.

3. Wurzeln

*Ein Bündel Wurzeln für die ganze Klasse reicht aus

*Das Loch sauber ausheben, eine kleine Menge Wurzeln an der Tropfkante abschneiden

*Die Erde wieder auffüllen

*Das Entfernen der Wurzeln ist invasiv und sollte NUR dann erfolgen, wenn der Lehrer und die Schüler mit ihren Techniken und Methoden vertraut sind.

4. Erde

*Die Schüler entfernen Erde an verschiedenen Stellen, beginnend am Stamm des Baumes und über die Tropfkante hinaus.

*Ein Eimer voll pro Gruppe ist ausreichend

5. Sonstiges

Vorgehensweisen im Labor

Blätter:

1. Gläser mit Tomaten- oder Pfeffersamen vorbereiten

*Pflanzentuch in das untere Glas legen

*Moist herstellen

*Samen auf feuchte Tücher legen (normalerweise zehn Samen pro Behandlung)

2. Blätter zerkrümeln und in Seihtuch legen

3. Gummiband oder binden Sie das Tuch zu und legen Sie es in die Öffnung des Glases, so dass das Blattbündel über den Samen baumelt, ihn aber nicht berührt.

4. Stellen Sie die Gläser auf die Fensterbank oder ins Unterlicht.

5. Beobachten

Nussschalen:

1. Zerkleinere die Nuss mit einem Mixer, einer Küchenmaschine oder einem Hammer

2. Entscheide, ob du Wasser hinzufügen oder die Nuss so lassen willst, wie sie ist (ein Vergleich beider Methoden ist vielleicht am besten)

3. Gib den Nusssaft in eine Petrischale, die mit Küchenpapier ausgekleidet ist.

4. Gib zehn Samen in jede vorbereitete Petrischale

5. Beobachte.

Wurzeln:

Siehe Nussschalenverfahren oben

Erde:

1. Geben Sie etwas potentiell allelotoxische Erde in Behälter.

2. Geben Sie eine bekanntermaßen nicht kontaminierte Erde in andere Behälter (Kontrolle)

3. Pflanzen Sie Samen in jeden

4. Beobachten

Anmerkung: Tomatenpflanzen können gegebenenfalls anstelle von Samen verwendet werden.

B} Allelopathie: TomatensamenDosis/Reaktion-Bioassay

Forschungsschwerpunkt:

Lassen Sie die Schüler die Idee diskutieren, dass nur bestimmte Mengen von Allelotoxinen gegen andere Organismen wirksam sind. Lassen Sie sie dazu einige Nachforschungen anstellen. Wie bei der oben erwähnten Aktivität können sie das Internet durchsuchen, eine Bibliothek besuchen oder mit einem Fachmann auf diesem Gebiet persönlich kommunizieren.

Zur Diskussion:

*Warum sind bestimmte Mengen von Allelotoxinen wirksamer als andere?

*Wie würde sich dies auf die Abwehrkräfte des anfälligen Organismus auswirken?

*Welche anderen Faktoren könnten dabei eine Rolle spielen?

*Wie können wir darauf testen?

Verdünnungen durchführen, um die Toxizitätsschwellen einer Chemikalie zu testen

Durchführen eines Laborexperiments, bei dem bestimmte Allelotoxine in unterschiedlichen Verdünnungen oder Konzentrationen getestet werden. Diese Verdünnungen sollten, nachdem sie beobachtet und analysiert wurden, Aufschluss darüber geben, welche Mengen dieser Chemikalie gegen andere Organismen am wirksamsten sind. In diesem speziellen Experiment werden Tomatensamen als Bioassay verwendet, da Tomaten bekanntermaßen für Juglon empfindlich sind. Die Klasse kann jedoch auch andere Samen oder Pflanzen verwenden (im Falle von Pflanzen würden die Verdünnungen in die Behälter oder in die Lösung im Falle von Hydrokulturen gegossen werden).

Allelopathie: Tomatensamen Dosis/Reaktion Bioassay Datenblatt

Name

Datum

Getestete Chemikalie

100% Konzentration

Versuchsdauer

Tabelle 1: Daten zur Saatkeimung

Tabelle 2: Daten zur Keimlingslänge

Worauf achten die Schüler?

1. Ob Samen keimen oder nicht.

2. Ob Pflanzen beeinträchtigt werden oder nicht.

3. Nach Veränderungen in den Reaktionen je nach Behandlung.

4. Sonstiges: Lassen Sie sie entscheiden, wonach sie suchen und warum.

Allgemeine Hinweise zu den obigen Verfahren:

Toleranzpflanzen wie Tomaten, Paprika, Auberginen usw. sind am anfälligsten für Juglon und daher am besten zu verwenden.