Аллелопатия как способ действия может обеспечить устойчивые альтернативы агрохимическим гербицидам, поскольку она основана на специфических сигналах, а не на общей токсичности. Команда исследователей определила сильное биоактивное соединение в мяте колосистой, которое войдет в число потенциально новых биогербицидов.
Портал AgroXXI.ru ознакомился со статьей группы международных исследователей из Германии, Франции и Бельгии под руководством Натали Геринг (Институт растениеводства имени Йозефа Готлиба Кёльройтера (JKIP), Технологический институт Карлсруэ, Германия), в которой описывается аллелопатическое действие веществ мяты с возможным применением в индустрии биогербицидов.
…Аллелопатические явления были впервые описаны Гансом Молишом, который концептуализировал их на более общем уровне как проявления химической коммуникации между растениями, опосредованной органическими молекулами, называемыми аллелохимикатами. Многие аллелохимикаты оказывают свое действие на расстоянии, то есть они часто являются летучими соединениями.
Классическим примером являются летучие вещества, выделяемые полынью в результате травоядности, которые вызывают защиту даже у соседних растений через границы видов, эффект, который можно частично приписать метилированному жасмонату, образующемуся в результате ранения, но также и летучим сесквитерпенам.
В целом, терпеноиды составляют значительную часть летучих веществ растений. Например, хвойные деревья могут выделять до 2% своего сухого веса в виде терпенов, особенно в ответ на стресс. Хотя некоторые летучие вещества могут действовать как сигналы между особями, следует иметь в виду, что эти летучие вещества также могут использоваться как системные сигналы внутри самого отдельного растения.
Эфирные масла семейства яснотковых, или губоцветных, Lamiaceae очень богаты такими монотерпенами, и эти соединения также лежат в основе использования человеком этих растений в медицинских, косметических и кулинарных целях.
Семейство Lamiaceae чрезвычайно разнообразно, включая 7200 видов в 236 родах, в том числе экономически значимый род Mentha, который накапливает специфические, ценные соединения. Все разные мяты наделены характерным и индивидуальным ароматом, и это означает, что все они сильно различаются по своим химическим профилям.
Хорошо известно, что эфирные масла мяты могут проявлять высокую биологическую активность, например, против бактерий, грибов или даже вирусов. Также сообщалось об аллелопатической активности. Например, эфирное масло мяты колосистой (Mеntha spicаta), которое богато (−)-карвоном, могло почти полностью устранить прорастание соответствующего сорняка щирицы запрокинутой Amaranthus retroflexus, в то время как половина семян декоративного растения шток-розы бледной Alcea pallida все еще прорастали, демонстрируя, что подавление зависит от вида-реципиента и вряд ли вызвано общей фитотоксичностью. Эта специфичность резко контрастирует с общим эффектом синтетических гербицидов.
Однако клеточный способ действия, лежащий в основе этой специфичности, все еще плохо изучен. Микротрубочки, по-видимому, являются важной мишенью для различных классов вторичных соединений из-за их участия в разнообразных клеточных процессах, таких как митоз и расширение клеток, которые имеют решающее значение для развития и морфогенеза растений.
«В этом исследовании мы сосредоточились на двух видах мяты со значительной аллелопатической активностью, а именно мяте колосистой (Mentha spicata) и мяте водяной (Mentha aquatica). В своей работе мы показываем, что аллелопатическая активность мяты колосистой и мяты водяной связана с их основными соединениями, (−)-карвоном и (+)-ментофураном, оба из которых происходят от (−)-лимонена. Прорастание мака самосейки Papaver rhoeas, распространенного сорняка в озимых злаковых, и модельного растения кресс-салата Arabidopsis thaliana, а также рост корней Arabidopsis thaliana подавляются очень низкими концентрациями (−)-карвона, действующего даже через газовую фазу. (+)-ментофуран также активен, но с меньшей эффективностью. Используя флуоресцентно помеченные маркерные линии в клетках табака BY-2 и корнях Arabidopsis, мы демонстрируем быструю деградацию микротрубочек и ремоделирование актиновых филаментов в ответ на (−)-карвон и, в меньшей степени, на (+)-ментофуран. Этот цитоскелетный ответ сопровождается гибелью клеток. С помощью системы Root Chip мы можем проследить тканезависимую реакцию цитоскелета и показать зависящий от типа клеток градиент чувствительности между меристемой и дистальной зоной удлинения, сопровождающийся запрограммированной гибелью клеток», пишут авторы работы.
В заключение, они подчеркивают, что по результатам исследования (−)-карвон является мощным биоактивным соединением, которое вызывает зависящую от времени и ткани деградацию микротрубочек в корневой меристеме, за которой следует запрограммированная гибель клеток, которая предотвращает рост корней и, таким образом, разворачивает аллелопатическую активность, предотвращая прорастание кресс-салата и мака, а также других растений, как показано в предыдущих исследованиях.
Эффект зависит от целевого вида и целевой ткани, производится при низкой эффективной концентрации и сильно зависит от молекулярных особенностей. Эти аспекты предполагают, что монотерпены действуют как сигналы, а не оказывают общую фитотоксичность.
Таким образом, понимание всего сигнального пути в ответ на (−)-карвон на молекулярном и клеточном уровне может помочь манипулировать им и разрабатывать инновационные методы в сельском хозяйстве, например, для специфического подавления роста определенных сорняков, не нанося вреда организмам за пределами целевых групп.
Соответственно, (−)-карвон имеет потенциал для разработки специфического биогербицида, повышающего ценность природного явления аллелопатии и обеспечивающего альтернативные средства защиты растений, которые могут помочь сохранить биоразнообразие.
По статье группы авторов (Натали Геринг, Энн-Катрин Шмит, Этьен Герцог, Луи-Тибо Корбен, Леона Шмидт-Шпайхер, Ральф Аренс, Мари-Лор Фоконье, Питер Ник), опубликованной в журнале Horticulture Research.
Авторы благодарят Анну-Луизу Куппингер, экспериментальную станцию JKIP Технологического института Карлсруэ, Карлсруэ, Германия, за выращивание растительного материала и д-ра Катержину Шварцерову, Институт физиологии растений, Карлов университет, Прага, Чешская Республика, за предоставление маркерной линии A. thaliana (Col 0) 35S::TuB6::GFP.
Исследование было поддержано стипендией Graduate Funding from the German States (LGF). Микрофлюидный биореактор был разработан в рамках проекта сотрудничества, финансируемого Федеральным министерством образования и науки Германии (031B0065B). Исследование реакций микротрубочек in planta было поддержано Европейским фондом регионального развития (программа INTERREG V Upper Rhine, DialogProTec). Авторы выражают благодарность фонду KIT-Publication Fund Технологического института Карлсруэ.
Источник: Horticulture Research.
На заглавном фото реакция микротрубочек на (−)-карвон в Arabidopsis . Типичные корни Arabidopsis , экспрессирующие TuB6-GFP, с последующей лазерной сканирующей конфокальной микроскопией после обработки 1 мкл на мл (−)-карвона на 7-й день (кончик корня) или 10-й день (зона удлинения) после прорастания. Соединения вводили через среду ½ MS, содержащую 0,5% сахарозы. Иодид пропидия добавляли для маркировки клеточных стенок и отслеживания гибели клеток. Изображения представляют собой отдельные конфокальные срезы. Источник фото: DOI: 10.1093/hr/uhae151
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.