Allelopati

Allelopati

Kapitel 1: Introduktion

Historia

Theophrastus (ca. 300 f.Kr.), en av Aristoteles elever och efterföljare, skrev om allelopatiska reaktioner i sina botaniska verk. Han har kallats ”botanikens fader” och skrev om hur kikärter ”utarmar” jorden och förstör ogräs.

I år 1 e.Kr. skrev Gaius Plinius Secundus, även känd som Plinius den äldre, en romersk forskare och naturforskare, om hur kikärter och korn ”bränner upp” majsmark. Han nämnde också att valnötsträd är giftiga för andra växter.

Augustin Pyramus De Candolle, abotanist och naturforskare, föreslog 1832 att marksjuka orsakades av kemiska ämnen som frigjordes av grödan.

Och 1907-1909 undersökte två forskare, Schreiner och Reed, isoleringen av ett antal fytotoxiska kemikalier från växter och jord.

Vad är allelopati?

Ordet allelopati härstammar från två skilda ord. De är allelon som betyder ”av varandra” och pathos som betyder ”att utstå”. Allelopati innebär att en art hämmas kemiskt av en annan art. Den ”hämmande” kemikalien släpps ut i miljön där den påverkar utvecklingen och tillväxten hos närliggande växter.

Allelopatiska kemikalier kan finnas i alla delar av växten. De kan finnas i blad, blommor, rötter, frukter eller stjälkar. De kan också finnas i den omgivande jorden. Målarter påverkas av dessa gifter på många olika sätt. De giftiga kemikalierna kan hämma skott- och rottillväxten, de kan hämma näringsupptaget eller de kan angripa ett naturligt förekommande symbiotiskt förhållande och därmed förstöra växtens användbara källa till ett näringsämne.

Är alla växter allelopatiska?

Inte alla växter har allelopatiska egenskaper. Vissa, även om de uppvisar dessa tendenser, kan i själva verket uppvisa aggressiv konkurrens av en icke-kemisk form. En stor del av kontroverserna kring allelopati handlar om att försöka särskilja vilken typ av konkurrens som uppvisas. I allmänhet anses växten vara allelopatisk om den är av kemisk natur. Det har nyligen funnits vissa kopplingar till växtallelotoxiner riktade mot djur, men det finns få uppgifter.

Miljöpåverkan

Allelopati är en form av kemisk konkurrens. Den allelopatiska växten konkurrerar genom ”störande” kemikalier. Konkurrens har per definition en av två former – exploatering eller störning.

Konkurrens används av både växter och djur för att försäkra sig om en plats i naturen. Växter konkurrerar om solljus, vatten och näringsämnen och, i likhet med djur, om territorium. Konkurrens, liksom parasitism, sjukdomar och predation, påverkar fördelningen och mängden av organismer i ett ekosystem. Ekosystemens samspel definierar en miljö.

När organismer konkurrerar med varandra skapar de potential för resursbegränsningar och möjliga utdöenden. Allelopatiska växter hindrar andra växter från att använda de tillgängliga resurserna och påverkar därmed andra arters utveckling och utbredning. Man skulle kunna säga att allelopatiska växter kontrollerar de miljöer där de lever.

För diskussion

Hur kan man avgöra om en växt uppvisar allelopati i motsats till icke-kemisk konkurrens?

Kan allelopatiska kemikalier påverka djur, inklusive människor?

Hur blev man först medveten om allelopati?

Har du märkt av allelopati eller allelopati-liknande påverkan i ditt område? Annanstans?

Varför är det viktigt att studera allelopati?

Vad är några positiva konsekvenser av allelopati? Hur kan dessa användas för att förbättra planeten?

Hur skulle du gå tillväga för att testa allelopati?

Kan du namnge eller identifiera några allelopatiska växter?

Fokus: Undersökningsbaserat lärande

Denna enhet om allelopati är undersökningsbaserad. Laborationerna och utflykterna är praktiska och alla aktiviteter kräver ständig interaktion mellan eleverna. På grund av detta kan enheten ändras och anpassas utan negativ påverkan.

Kapitel 2: Kemisk krigföring i växtriket

Svart valnöt

En av de mest kända allelopatiska växterna är svart valnöt (Juglans nigra). Den kemikalie som är ansvarig för giftigheten i svart valnöt är Juglon (5hydroxy-1,4 naptokinon) och är en andningshämmare. Solanacee-växter, t.ex. tomat, paprika och aubergine, är särskilt känsliga för Juglone. När dessa växter utsätts för allelotoxinet uppvisar de symptom som vissnande, kloros (gulfärgning av bladen) och slutligen död. Andra växter kan också uppvisa olika grader av känslighet och vissa har inga märkbara effekter alls. Några växter som har observerats vara toleranta mot Juglon är limabönor, betor, morötter, majs, körsbär, svarta hallon, katalpa, Virginia creeper, violer och många andra.

Juglon finns i alla delar av den svarta valnöten, men är särskilt koncentrerat i knoppar, nötskal och rötter. Det är inte särskilt lösligt i vatten och rör sig därför inte särskilt snabbt i jorden. Toxicitet har observerats i all jord där rötter från svarta valnötter växer (rötterna kan växa tre gånger större än trädkronan), men är särskilt koncentrerad närmast trädet, under dropplinjen. Detta beror främst på större rotdensitet och ackumulering av ruttnande blad och skal.

Tree-Of-Heaven

Tree-Of-Heaven, eller Ailanthus (Ailanthus altissima) är ett nytt tillägg till listan över allelopatiska träd. Ailanthone, en allelotoxin som utvinns ur rotbarken av Ailanthus, är känd för sin ”potenta herbicida aktivitet efter uppkomst”. Ailanthus utgör ett allvarligt ogräsproblem i stadsområden.

Sorghum

Den viktigaste beståndsdelen i sorghum som orsakar allelopatisk aktivitet är sorgolen (2-hydroxi-5-metoxi-3-{(8’z,11’z)-8′,11′,14′-pentadecatrien}-p-benzoiquinon). Sorgolen finns i rotexsudaten hos de flesta sorghumarter och har visat sig vara ett mycket potent allelotoxin som stör mitokondriella funktioner och hämmar fotosyntesen. Det forskas mycket om det som ogräsbekämpningsmedel.

Andra

Det finns många andra kända allelopatiska arter och många som är starkt misstänkta för att vara allelopatiska, bland annat olika våtmarksarter, gräs och andra vedartade växter som doftande sumak (Rhus aromaticus). Tobak (Nicotianarustica), ris (Oryza sativa), ärt (Pisum sativum) och många andra är kända för att ha allelotoxiner i rötterna.

För diskussion:

Föreslå eleverna att forska om och diskutera andra allelopatiska växter.

Kapitel 3: Förfaranden och protokoll

Protokoll 1. Lära sig att identifiera tecken på allelopati

Det bästa sättet att studera allelopati är att hitta tecken på att den förekommer i naturen. Det är omöjligt att ”se” gifterna i arbete, men det är möjligt att se de tecken och symtom som orsakas av kemikalierna på omgivande växter. Det är till exempel mycket få växter som växer under en svart valnöt och de som gör det ser ofta sjuka och klorösa ut. Detta är ett tecken på attallelotoxinet Juglone är verksamt.

Samtidigt som man känner igen tecknen påallelopati måste man också kunna identifiera växterna. Vissa allelopatiska växter, som BlackWalnut, växer i våra bakgårdar och på våra gator och är lätta att identifiera. Andra, som sorghum eller kikärter, kan vara svårare att hitta på landsbygden där de odlas som grödor eller vid sidan av jordbruksmark. Vissa allelopatiska växter, särskilt många av våtmarksarterna, kan kräva särskilda utflykter och extra tid för att hitta dem först och sedan identifiera dem.

Protokoll 2. Skörda växter och växtdelar

Många av de kända allelotoxinerna är mycket dyra och inte lätta att få tag på. Vissa företag som Sigma Chemical och Caroline Biological kan ha kemikalierna, men i fast form som kräver extra tid och ansträngning för att få till en löslig form som kan användas i laboratoriet. Det är dock inte alla klasser som har medel eller tillgång till dessa kemikalier. Därför kan det vara så att det enda sättet att genomföra experimenten är att låta klassen skörda sina egna allelotoxiner.

En del forskning kommer att krävas för att undersöka vilka växtdelar som har de högsta koncentrationerna av allelopatiska arter. Den juglon som finns i svart valnöt kan till exempel hittas i hela växten, men särskilt i nötskalen, bladen och rötterna. Ett klassprojekt kan därför vara att dela upp sig i grupper och skörda varje del och testa dem i enlighet med detta.

Det är viktigt att när man skördar växter eller växtdelar vara säker på att växten inte är hotad och att förfarandet utförs på ett sådant sätt att det inte skadar växten eller det omgivande området. Om man skördar hela växten måste man naturligtvis vidta åtgärder.

Denna fältövning kan göras när klassen identifierar de allelopatiska växterna enligt protokoll 1, eller så kan den göras som en separat övning.

Protokoll 3. Testning av allelopati i laboratoriet

Effekterna av allelopatiska toxiner på känsliga växter kan lätt testas i laboratoriet eller växthuset. Fröer är det enklaste och billigaste sättet att testa dem. Frön som inte gror i närvaro av allelotoxiner uppvisar troligen toxiska effekter. Växter som blir klorotiska och eventuallydie i närvaro av allelotoxiner visar också tecken på toxicitet för kemikalien.

Solanaceous grödor, såsom tomater och paprika, är mest mottagliga för juglon (det allelotoxin som finns i svarta valnötsträd). Laboratoriemiljön är den perfekta platsen för att testa vissa växters känslighet för olika alleltoxiner.

Andra vetenskapliga eller forskningsbaserade begrepp, såsom grafer, utspädning och allmänna laboratorieprotokoll kommer också att upptäckas när vissa allelopatiaktiviteter utförs i laboratoriet eller klassrummet.

Förfaranden

1. Bekanta dig med de allelopatiska arterna i ditt område. Inparticular, fokusera på mogna arter som är etablerade. Dessa tenderar att ha högre koncentrationer av allelotoxin och kommer därför att visa bättre tecken och symtom på eventuella mottagliga växter i omgivningen.

2. Om möjligt, kontakta en lokal naturskyddsorganisation eller en utbyggnadsbyrå, som kan ha en viss insikt om allelopati. Din forskning kan vara av intresse för dem och de kan erbjuda professionella råd eller viktig information.

3. Bestäm vilka arter och områden som ska stå i fokus för din undersökning.

4. Bestäm dig för en undersökningsmetod. Du kanske till exempel vill genomföra fältbesöket för identifiering en dag och sedan följa upp med fältbesöket för skörd en annan dag, eller så vill du genomföra båda på samma dag.

5. Lär dig att identifiera de arter som du kommer att studera. Det finns många bra fälthandböcker att tillgå, liksom många utmärkta webbplatser.

6. Bestäm hur ni ska dela upp det område ni ska arbeta i.

7. Anteckna vilka allelopatiska tecken och symtom som hittades och av vilka arter de hittades.

8. Diskutera olika sätt att studera allelopati i laboratoriet.

9. Samla ihop det material som behövs. Se materialförteckningen i slutet.

Lab & Klassrumsövningar

A} Identifiera allelopatiska växtdelar: Låt eleverna diskutera varför de tror att vissa växtdelar kan vara mer allelopatiska än andra. Låt dem göra lite forskning om detta. De kan söka på webben, delta i personlig kommunikation med yrkesverksamma inom området eller besöka ett bibliotek.

För diskussion:

*Varför är vissa växtdelar mer allelopatiska än andra?

*Hur påverkar detta organismens förmåga att konkurrera ut andra växter?

*Förändras detta från säsong till säsong? Dag till natt?

*Hur kan vi testa dessa delar och deras egenskaper?

Fältskörd

Företa en utflykt för att skörda delar av det svarta valnötsträdet. Dessa delar kommer att tas med tillbaka till klassrummet för ytterligare undersökningar och observationer.

Eleverna bör samla in följande:

1. Blad

*5-10 blad per grupp

*Placera dem i papperspåsar med gruppens namn eller nummer och var i trädkronan bladen samlades in.

2. Nötskal

*2-3 nötskal per grupp

*Observera att valnötskärnor ger fläckar på hud och kläder.

3. Rötter

*En bunt rötter för hela klassen räcker

*Digga ett rent hål, SKÄR en liten mängd rötter vid dropplinjen

*Tillbaka jorden

*Avlägsnande av rötter är invasivt och bör ENDAST göras om läraren och eleverna är trygga i sina tekniker och metoder.

4. Jord

*Låta eleverna ta bort jord från en rad olika områden med början vid trädstammen och vidare ut över dropplinjen.

*En hinkfull per grupp räcker

5. Övrigt

Laboratoriemetoder

Blad:

1. Förbered burkar med tomat- eller pepparfrön

*Placera tyg i botten av burken

*Makemoist

*Placera fröna på fuktiga handdukar (vanligen tio frön per behandling)

2. Smula sönder bladen och lägg dem i en sjögräsduk

3. Gummiband eller bind ostduken ihop och placera den i burkens mynning så att bladbunten hänger över men inte rör fröna.

4. Placera burkarna i fönsterbrädan eller under ljus.

5. Observera

Nötskal:

1. Använd en mixer, matberedare eller hammare för att pulverisera nötten

2. Bestäm om du ska tillsätta vatten eller låta den vara som den är (en jämförelse av båda sätten kan vara bäst)

3. Placera nötjuicen i en petriskål som är klädd med hushållspapper.

4. Placera tio frön i varje förberedd petriskål

5. Observera.

Rötter:

Visa proceduren för nötskal ovan

Jord:

1. Placera lite potentiellt allelotoxisk jord i behållare.

2. Placera en känd icke-förorenad jord i andra behållare (kontroll)

3. Plantera frön i varje behållare.

4. Observera.

Notera: Tomatplantor kan användas i stället för frön när det är lämpligt.

B} Allelopati: TomatfröDos/responsbiotest

Forskningsfokus:

Föreslå eleverna att diskutera idén om att endast vissa mängder av allelotoxiner är effektiva mot andra organismer. Låt dem göra lite forskning om detta. Precis som med den tidigare nämnda aktiviteten kan de söka på webben, besöka ett bibliotek eller delta i ett personligt samtal med en yrkesperson inom området.

För diskussion:

*Varför skulle vissa mängder av allelotoxiner vara mer effektiva än andra?

*Hur skulle detta påverka den mottagliga organismens försvar?

*Vilka andra faktorer kan vara inblandade?

*Hur kan vi testa detta?

Driva utspädningar för att testa en kemikalias giftighetströskel

Gör ett laboratorieexperiment där vissa allelotoxiner testas i varierande utspädningar eller koncentrationer. När dessa utspädningar har observerats och analyserats bör de ge en inblick i vilka mängder av kemikalien som är mest effektiva mot andra organismer. I detta särskilda experiment används tomatfrön som bioassay eftersom det är känt att tomater är en art som är mottaglig för Juglon. Klassen kan dock välja andra frön eller växter att använda (när det gäller växter hälls utspädningarna i behållarna eller i lösningen när det gäller hydroponik).

Allelopati: Tomatfrö Dose/Response Bioassay Data Sheet

Namn

Namn

Datum

Kemikalie som testats

100% Koncentration

Längd på försöket

Tabell 1: Data om groddning av frön

Tabell 2: Uppgifter om radikellängd

Vad letar eleverna efter?

1. Om frön gror eller inte.

2. Om växter påverkas eller inte.

3. Förändringar i reaktioner beroende på behandling.

4. Annat: Låt dem bestämma vad de ska leta efter och varför.

Allmänt om ovanstående förfaranden:

Solanaceous grödor, såsom tomater, paprika, auberginer, etc., är mest mottagliga för juglon och är därför bäst att använda.