Allelopatia

Allelopatia

Luku 1: Johdanto

Historia

Teofrastos (n. 300 eKr.), Aristoteleen oppilas ja seuraaja, kirjoitti allelopaattisista reaktioista kasvitieteellisissä teoksissaan. Häntä on kutsuttu ”kasvitieteen isäksi”, ja hän kirjoitti siitä, miten kikherne ”uuvuttaa” maaperän ja tuhoaa rikkaruohot.

1 eKr. Gaius Plinius Secundus, joka tunnetaan myös nimellä Plinius vanhempi, roomalainen tiedemies ja luonnontieteilijä, kirjoitti siitä, miten kikherne ja ohra ”kärventävät” viljelysmaan. Hän mainitsi myös, että saksanpähkinäpuut ovat myrkyllisiä muille kasveille.

Augustin Pyramus De Candolle, abotanisti ja luonnontieteilijä, esitti vuonna 1832, että maaperän sairastuminen johtui viljelykasvien vapauttamista kemiallisista aineista.

Ja vuosina 1907-1909 kaksi tutkijaa,Schreiner ja Reed tutkivat useiden fytotoksisten kemikaalien eristämistä kasveista ja maaperästä.

Mitä on allelopatia?

Sana allelopatia tulee kahdesta erillisestä sanasta. Ne ovat allelon, joka tarkoittaa ”toistensa”, ja pathos, joka tarkoittaa ”kärsiä”. Allelopatia viittaa yhden lajin kemialliseen estämiseen toisen lajin toimesta. Estävä kemikaali vapautuu ympäristöön, jossa se vaikuttaa naapurikasvien kehitykseen ja kasvuun.

Allelopaattisia kemikaaleja voi olla missä tahansa kasvin osassa. Niitä voi olla lehdissä, kukissa, juurissa, hedelmissä tai varsissa. Niitä voi olla myös ympäröivässä maaperässä. Nämä toksiinit vaikuttavat kohdelajeihin monin eri tavoin. Myrkylliset kemikaalit voivat estää verson/juuren kasvua, ne voivat estää ravinteiden ottoa tai ne voivat hyökätä luontaiseen symbioottiseen suhteeseen ja siten tuhota kasvin käyttökelpoisen ravinteiden lähteen.

Ovatko kaikki kasvit allelopaattisia?

Eivät kaikki kasvit ole allelopaattisia. Vaikka joillakin kasveilla on näitä taipumuksia, ne saattavat itse asiassa osoittaa aggressiivista kilpailua muussa kuin kemiallisessa muodossa. Suuri osa allelopatiaa ympäröivistä kiistoista liittyy siihen, että yritetään erottaa, minkä tyyppistä kilpailua esiintyy. Yleensä, jos kilpailu on luonteeltaan kemiallista, kasvia pidetään allelopaattisena. Viime aikoina on havaittu joitakin yhteyksiä eläimiin kohdistuviin kasviallelotoksiineihin, mutta tietoja on niukasti.

Ympäristövaikutukset

Allelopatia on kemiallisen kilpailun muoto. Allelopaattinen kasvi kilpailee ”häiritsevien” kemikaalien avulla. Kilpailu on määritelmän mukaan jompaa kumpaa muotoa – hyödyntämistä tai häirintää.

Kilpailua käyttävät sekä kasvit että eläimet varmistaakseen paikkansa luonnossa. Kasvit kilpailevat auringonvalosta, vedestä ja ravinteista sekä eläinten tavoin alueesta. Kilpailu vaikuttaa parasiittien, tautien ja saalistuksen tavoin eliöiden jakautumiseen ja määrään ekosysteemissä. Ekosysteemien vuorovaikutukset määrittelevät ympäristön.

Kun eliöt kilpailevat keskenään, ne aiheuttavat resurssien rajallisuutta ja mahdollisia sukupuuttoja. Allelopaattiset kasvit estävät muita kasveja käyttämästä käytettävissä olevia resursseja ja vaikuttavat siten muiden lajien evoluutioon ja levinneisyyteen. Voidaan sanoa, että allelopaattiset kasvit hallitsevat ympäristöä, jossa ne elävät.

Keskustelua varten

Miten voidaan sanoa, onko kasvi allelopatiaa eikä muuta kuin kemiallista kilpailua?

Voivatko allelopatiaa aiheuttavat kemikaalit vaikuttaa eläimiin, myös ihmisiin?

Miten ihmiset ovat tulleet tietoisiksi allelopatiasta?

Oletko havainnut lähiympäristössäsi allelopatiaa tai sen kaltaisia vaikutteita? Muualla?

Miksi allelopatian tutkiminen on tärkeää?

Mitä hyödyllisiä vaikutuksia allelopatialla on? Miten niitä voidaan käyttää maapallon hyväksi?

Miten voisit testata allelopatian?

Voitko nimetä tai tunnistaa joitakin allelopatiaa aiheuttavia kasveja?

Painopiste: Tutkiva oppiminen

Tämä allelopatiaa käsittelevä opintokokonaisuus on tutkiva. Laboratoriot ja kenttäretket ovat käytännönläheisiä, ja kaikki aktiviteetit edellyttävät jatkuvaa vuorovaikutusta oppilaiden kanssa. Tämän vuoksi yksikköä voidaan muuttaa ja mukauttaa ilman kielteisiä vaikutuksia.

Luku 2: Kemiallinen sodankäynti kasvien valtakunnassa

Musta saksanpähkinä

Yksi tunnetuimmista allelopaattisista kasveista on musta saksanpähkinä (Juglans nigra). Mustapähkinän myrkyllisyydestä vastaava kemikaali on jugloni (5hydroksi-1,4-naftokinoni) ja se on hengityksen estäjä. Solanaceae-kasvit, kuten tomaatti, paprika ja munakoiso, ovat erityisen herkkiä Juglonille. Kun nämä kasvit altistuvat allelotoksiinille, niillä esiintyy oireita, kuten kuihtumista, kloroosia (lehtien kellastumista) ja lopulta kuolemaa. Myös muiden kasvien alttius voi vaihdella, ja joillakin kasveilla ei ole lainkaan havaittavia vaikutuksia. Joitakin kasveja, joiden on havaittu sietävän Juglonea, ovat mm. lima papu, punajuuret, porkkana, maissi, kirsikka, mustamansikka, katalpa, Virginia creeper, orvokit ja monet muut.

Juglonea esiintyy mustapähkinän kaikissa osissa, mutta erityisesti silmuissa, pähkinänkuorissa ja juurissa. Se ei liukene kovinkaan hyvin veteen, joten se ei liiku kovin nopeasti maaperässä. Myrkyllisyyttä on havaittu kaikessa maaperässä, jossa on mustapähkinän juuria (juuret voivat kasvaa kolme kertaa latvuksen laajuuden verran), mutta se on erityisesti keskittynyt lähimpänä puuta, tippulinjan alle. Tämä johtuu pääasiassa suuremmasta juuritiheydestä sekä hajoavien lehtien ja kuorien kerääntymisestä.

Taivaanpuu

Taivaanpuu eli Ailanthus altissima (Ailanthus altissima) on viimeaikainen lisäys allelopaattisten puiden luetteloon. Ailanthon, Ailanthuksen juurikuoresta uutettu allelotoksiini, tunnetaan ”voimakkaasta itämisen jälkeisestä rikkakasvien torjunta-aktiivisuudestaan”. Ailanthus aiheuttaa vakavan rikkaruoho-ongelman kaupunkialueilla.

Sorghum

Sorgumin tärkein allelopaattista aktiivisuutta aiheuttava ainesosa on sorgolen (2-hydroksi-5-metoksi-3-{(8’z,11’z)-8′,11′,14′-pentadekatrieeni}-p-bentsokinoni). Sorgoleenia esiintyy useimpien durralajien juurten eksudaateissa, ja sen on osoitettu olevan erittäin voimakas allelotoksiini, joka häiritsee mitokondrioiden toimintaa ja estää fotosynteesiä. Sitä tutkitaan laajasti rikkakasvien torjunta-aineena.

Muut lajit

On monia muita tunnettuja allelopaattisia lajeja ja monia, joiden epäillään olevan allelopaattisia, mukaan lukien erilaiset kosteikkolajit, ruohot ja muut puuvartiset kasvit, kuten tuoksusumakki (Rhus aromaticus). Tupakalla (Nicotianarustica), riisillä (Oryza sativa), herneellä (Pisum sativum) ja monilla muilla tiedetään olevan juurten allelotoksiineja.

Keskustelua varten:

Käskekää oppilaita tutkimaan muita allelotoksisia kasveja ja keskustelemaan niistä.

Luku 3: Menetelmät ja protokolla

Protokolla1. Allelopatian merkkien tunnistamisen oppiminen

Paras tapa tutkia allelopatiaa on löytää merkkejä sen esiintymisestä luonnossa. On mahdotonta ”nähdä” myrkkyjä toiminnassa, mutta on mahdollista nähdä kemikaalien aiheuttamat merkit ja oireet ympäröivissä kasveissa. Esimerkiksi hyvin harvat kasvit kasvavat mustapähkinän alla, ja ne, jotka kasvavat, näyttävät usein sairailta ja kloroottisilta. Tämä on merkki siitä, että rinnakkaismyrkky, jugloni, on toiminnassa.

Kaiken sen lisäksi, että tunnistaa rinnakkaismyrkyn merkit, on myös kyettävä tunnistamaan kasvit. Jotkut allelopaattiset kasvit, kuten mustapähkinä, kasvavat takapihoillamme ja kaduillamme, ja ne on helppo tunnistaa. Toisia, kuten durraa tai kikherneä, voi olla helpompi löytää maaseudulla, jossa niitä viljellään peltokasveina tai peltoalueiden varsilla. Jotkin allelopaattiset kasvit, erityisesti monet kosteikkolajit, saattavat vaatia erityisiä maastokäyntejä ja ylimääräistä aikaa, jotta ne voidaan ensin löytää ja sitten tunnistaa.

Pöytäkirja 2. Kasvien ja kasvinosien kerääminen

Monet tunnetut allelotoksiinit ovat hyvin kalliita eikä niitä ole helppo saada. Joillakin yrityksillä, kuten Sigma Chemicalilla ja Caroline Biologicalilla, saattaa olla kyseisiä kemikaaleja, mutta ne ovat kiinteässä muodossa, jonka saattaminen laboratoriossa käytettävään liukoiseen muotoon vaatii ylimääräistä aikaa ja vaivaa. Kaikilla luokilla ei kuitenkaan ole varaa tai mahdollisuutta hankkia näitä kemikaaleja. Näin ollen voi olla, että ainoa tapa tehdä kokeita on saada luokka keräämään omatallelotoksiininsa.

Tarvitaan jonkin verran tutkimusta sen selvittämiseksi, missä kasvinosissa on suurimmat pitoisuudet allelopaattisia lajeja. Esimerkiksi mustapähkinästä löytyvää Juglonea on kaikkialla kasvissa, mutta erityisesti pähkinänkuorissa, lehdissä ja juurissa. Tämän vuoksi luokkaprojektina voidaan jakaa ryhmiin ja kerätä kukin osa ja testata ne vastaavasti.

Kasveja tai kasvinosia kerättäessä on tärkeää varmistaa, että kasvi ei ole uhanalainen ja että toimenpide suoritetaan siten, ettei siitä aiheudu haittaa kasville tai ympäröivälle ympäristölle.

Kasveja tai kasvinosia kerättäessä on tärkeää varmistaa, että kasvi ei ole uhanalainen ja että toimenpide suoritetaan siten, ettei siitä aiheudu haittaa kasville tai ympäröivälle alueelle. Jos koko kasvi korjataan, on tietenkin varauduttava asiaan.

Tämä kenttäharjoitus voidaan tehdä, kun luokka tunnistaa allelopaattisia kasveja pöytäkirjassa 1 kuvatulla tavalla, tai se voidaan tehdä erillisenä harjoituksena.

Pöytäkirja 3. Allelopatian testaaminen laboratoriossa

Allelopaattisten toksiinien vaikutukset herkkiin kasveihin voidaan helposti testata laboratoriossa tai kasvihuoneessa. Siemeniä on helpoin ja edullisin testata. Siemenillä, jotka eivät itäne allelotoksiinien läsnä ollessa, on todennäköisesti myrkkyvaikutuksia. Kasvit, jotka muuttuvat kloroottisiksi ja lopulta kuolevat allelotoksiinien läsnä ollessa, osoittavat myös merkkejä myrkyllisyydestä kemikaalille.

Solanaceae-kasvit, kuten tomaatit ja paprikat, ovat herkimpiä juglonille (mustassa saksanpähkinässä esiintyvä allelotoksiini). Laboratorioympäristö on täydellinen paikka testata tiettyjen kasvien alttiutta erilaisille allelelopatiamyrkyille.

Muut tieteelliset tai tutkimukseen perustuvat käsitteet, kuten kuvaajat, laimennokset ja yleinen laboratorioprotokolla, tulevat myös esille, kun tiettyjä allelelopatiaa koskevia tehtäviä suoritetaan laboratoriossa tai luokkahuoneessa.

Menetelmät

1. Tutustu alueesi allelopatiaa aiheuttaviin lajeihin. Keskity erityisesti varttuneisiin lajeihin, jotka ovat vakiintuneet. Niillä on yleensä korkeammat allelotoksiinipitoisuudet, ja siten ne näyttävät paremmat merkit ja oireet ympäröiville alttiille kasveille.

2. Jos mahdollista, ota yhteyttä paikalliseen luonnonsuojeluorganisaatioon tai neuvontajärjestöön, jolla saattaa olla tietoa allelopatiasta. Tutkimuksesi voi kiinnostaa heitä, ja he voivat tarjota ammatillisia neuvoja tai tärkeää tietoa.

3. Päätä, mihin lajeihin ja alueisiin tutkimuksesi tulisi keskittyä.

4. Päätä tutkimusmenetelmästä. Saatat esimerkiksi haluta tehdä tunnistuskierroksen yhtenä päivänä ja sen jälkeen sadonkorjuukierroksen toisena päivänä, tai voit tehdä molemmat samana päivänä.

5. Opettele tunnistamaan tutkimasi lajit. Saatavilla on monia hyviä kenttäoppaita sekä monia erinomaisia verkkosivuja.

6. Päättäkää, miten jaatte alueen, jolla työskentelette.

7. Kirjatkaa muistiin, mitä allelopatiaa aiheuttavia merkkejä ja oireita havaitsitte ja minkä lajin kohdalla ne havaittiin.

8. Keskustelkaa siitä, miten allelopatiaa voidaan tutkia laboratoriossa.

9. Keskustelkaa siitä, miten allelopatiaa voidaan tutkia laboratoriossa. Kerätkää tarvittavat materiaalit. Katso lopussa oleva materiaaliluettelo.

Laboratorio & Luokkahuoneharjoitukset

A} Allelopaattisten kasvinosien tunnistaminen: Black Walnut

Tutkimuksen painopiste

Pyydä oppilaita keskustelemaan siitä, miksi he uskovat, että tietyt kasvinosat voivat olla allelopaattisempia kuin toiset. Pyydä heitä tekemään tutkimusta tästä asiasta. He voivat selata internetiä, olla mukana henkilökohtaisessa viestinnässä alan ammattilaisten kanssa tai käydä kirjastossa.

Keskustelua varten:

*Miksi jotkin osat ovat allelopaattisempia kuin toiset?

*Miten tämä vaikuttaa organismin kykyyn kilpailla muiden kasvien kanssa?

*Muuttuuko tämä vuodenajasta toiseen? Päivästä yöhön?

*Miten voimme testata näitä osia ja niiden ominaisuuksia?

Kenttäkorjuu

Tehdään kenttäretki Mustapähkinäpuun osien keräämiseksi. Nämä osat tuodaan takaisin luokkahuoneeseen jatkotutkimusta ja havainnointia varten.

Opiskelijoiden tulisi kerätä seuraavat:

1. Lehdet

*5-10lehteä ryhmää kohti

*Sijoittakaa ne paperipusseihin, joihin on merkitty ryhmän nimi tai numero ja mistä kohtaa puun latvustoa lehdet kerättiin.

2. Pähkinänkuoret

*2-3 pähkinänkuorta ryhmää kohti

*Huomautus:Mustapähkinän pähkinät tahraavat ihon ja vaatteet.

3. Mustapähkinänkuoret. Juuret

*Yhden nipun juuria koko luokalle riittää

*Digaa puhdas kuoppa, LEIKKAA pieni määrä juuria tippurilinjan kohdalta

*Remontoi multa

*Juurten poistaminen on invasiivista ja se tulisi tehdä AINOASTAAN siinä tapauksessa, että opettaja ja opiskelijat ovatluottavia tekniikoihinsa ja menetelmiinsä.

4. Maaperä

*Opiskelijat poistavat maata eri alueilta alkaen puun rungosta ja siirtyen pisararajan ulkopuolelle.

*Yhden ämpärillisen verran per ryhmä riittää

5. Muut

Laboratoriomenetelmät

Lehdet:

1. Valmistele purkit tomaatin- tai pippurinsiemenillä

*Laita pohjalla olevaan purkkiin nenäliina

*Valmistele kastike

*Laita siemenet kosteille pyyhkeille (yleensä kymmenen siementä käsittelyä kohti)

2. Murenna lehdet ja aseta ne sahtikankaaseen

3. Ota lehdet ja aseta ne sahtikankaaseen

. Kuminauha tai sido juustokangas kiinni ja aseta purkin suulle niin, että lehtinippu roikkuu siementen päällä, mutta ei koske niihin.

4. Aseta purkit ikkunalaudalle tai valon alle.

5. Aseta purkit ikkunalaudalle tai valon alle. Tarkkaile

Pähkinänsydämet:

1. Murskaa pähkinä tehosekoittimella, tehosekoittimella tai vasaralla

2. Päätä, lisäätkö vettä vai jätätkö sellaisenaan (molempien tapojen vertailu voi olla parasta)

3. Laita pähkinämehu petrimaljaan, joka on vuorattu paperipyyhkeellä.

4. Laita kymmenen siementä kuhunkin valmisteltuun petrimaljaan

5. Laita kymmenen siementä jokaiseen valmisteltuun petrimaljaan. Tarkkaile.

Juuret:

Katso pähkinänrunkojen käsittely edellä

Multa:

1. Aseta astioihin jonkin verran mahdollisesti allelotoksista maata.

2. Aseta muihin astioihin tunnetusti saastumatonta maata (kontrolli)

3. Istuta siemenet kumpaankin

4. Tarkkaile

Huomautus: Siementen sijasta voidaan tarvittaessa käyttää tomaattikasveja.

B} Allelopathy: Tomato SeedDose/Response Bioassay

Tutkimuksen fokus:

Käskekää oppilaita keskustelemaan ajatuksesta, että vain tietyt määrät allelotoksiineja ovat tehokkaita muita organismeja vastaan. Pyydä heitä tekemään tutkimusta asiasta. Kuten edellä mainitussa toiminnassa, he voivat selata Internetiä, käydä kirjastossa tai olla mukana henkilökohtaisessa viestinnässä alan ammattilaisen kanssa.

Keskustelua varten:

*Miksi tietyt määrät allelotoksiineja olisivat tehokkaampia kuin toiset?

*Miten tämä vaikuttaisi herkän organismin puolustuskykyyn?

*Mitkä muut tekijät voivat vaikuttaa asiaan?

*Miten tätä voidaan testata?

Laimennosten tekeminen kemikaalin myrkyllisyyskynnyksen testaamiseksi

Suorita laboratoriokoe, jossa testataan tiettyjä allelotoksiineja eri laimennoksilla tai pitoisuuksilla. Kun näitä laimennoksia on tarkkailtu ja analysoitu, niiden pitäisi antaa jonkinlainen käsitys siitä, mitkä määrät kyseistä kemikaalia ovat tehokkaimpia muita organismeja vastaan. Tässä kokeessa käytetään tomaatin siemeniä biotestinä, koska tomaatit ovat tunnetusti Juglonille herkkiä lajeja. Luokka voi kuitenkin päättää käyttää muita siemeniä tai kasveja (kasvien tapauksessa laimennokset kaadetaan astioihin tai vesiviljelyn tapauksessa liuokseen).

Allelopatia: Tomaatin siemen Dose/Response Bioassay Data Sheet

Name

Date

Kemiallinen aine, jota testattiin

100%:n konsentraatio

Kokeen kesto

Taulukko 1: Siementen itävyystietoja

Taulukko2: Radicle Length Data

Mitä opiskelijat etsivät?

1. Itävätkö siemenet vai eivät.

2. Vaikuttavatko kasvit vai eivät.

3. Reaktioiden muutoksia käsittelyjen mukaan.

4. Muuta: Anna heidän päättää, mitä he etsivät ja miksi.

Yleisiä huomautuksia edellä mainituista menettelytavoista:

Suolapitoiset kasvit, kuten tomaatit, paprikat, munakoisot jne., ovat herkimpiä juglonille, ja siksi niitä on parasta käyttää.