Joanna Celmer, Tadeusz Trzmiel

Instytut Biochemii Technicznej

Oddziaływania biochemiczno-ekologiczne pomiędzy

roślinami wyższymi

1. Wstęp

Termin allelopatia wywodzi się z języka greckiego, jest połączeniem słów allelon (wzajemny) i pathos (cierpieć, szkodzić) [1, 2, 14, 16, 28].

Jest to zjawisko znane od dawna i występujące powszechnie. Nie wiadomo dotąd, czy wytwarzane przez rośliny związki, za pośrednictwem których rośliny oddziałują na siebie, są strategią celowo wykształconą do przeciwdziałania konkurencji, czy też przypadkowymi substancjami, utrwalonymi w następujących pokoleniach, pomagającymi uzyskać przewagę roślinie syntetyzującej te związki nad innymi roślinami. Wiadomo, że mają one właściwości umożliwiające zmianę środowiska tak, że dla nieodpornych gatunków przestaje być ono przyjazne [28].

Jednym z najstarszych przypadków wykorzystania produktów pochodzenia roślinnego do ochrony zasiewów jest doświadczenie opisane przez Demokryta (370 r. p.n.e.). Doświadczenie polegało na niszczeniu drzew przez działanie na ich korzenie mieszaniną kwiatów łubinu (Lupinus L.) namoczonych w soku szaleju jadowitego (Cicuta virosa).

Kolejnym, który zauważył wzajemne oddziaływania pomiędzy roślinami był Teofrast

(285 r. p. n. e.), odkrył inhibicyjne oddziaływanie komosy białej na lucernę. Pliniusz (I r. n. e.) natomiast, w swojej „Historii naturalnej” zamieścił opis zagadkowych, trujących właściwości orzecha włoskiego (Juglans nigra i Juglans regia) na inne gatunki roślin.

Taksonom de Candolle (1832) jako jeden z pierwszych zauważył przypadki chemicznych interakcji pomiędzy gatunkami roślin wyższych. Zaobserwował np., że osty rosnące w kukurydzy oddziaływały negatywnie na rosnący po nich owies, czy hamowanie wzrostu lnu przez wilczomlecz (Euphorbię). Inne opisane przez de Candolle'a oddziaływania wskazujące na allelopatię to doświadczenia, w których korzenie fasoli słabły i obumierały po zanurzeniu w wodzie zawierającej substancje wydzielane przez korzenie innych roślin tego samego gatunku.

W 1925 roku Massem wykonał doświadczenia wykazujące występowanie allelopatii między drzewami i roślinami zielnymi, w którym wykazał, że orzech czarny (Juglans nigra) oddziałuje na rośliny pomidora i lucerny rosnące w jego otoczeniu, poprzez wydzielane związki chemiczne [28].

W 1937 roku Molish zdefiniował jako pierwszy słowo allelopatia jako wzajemne wpływy o charakterze biochemicznym, obejmujące działanie korzystne jak i szkodliwe, zachodzące pomiędzy roślinami, włączając także mikroorganizmy [12, 28].

„Rice podobnie jak Molish, rozpatruje allelopatię jako zjawisko obejmujące większość interakcji biochemicznych, włączając oddziaływania pomiędzy roślinami wyższymi i mikroorganizmami. Dla odmiany Muller , jeden z głównych pionierów nowoczesnego badania tych zagadnień, preferuje pojmowanie pojęcia allelopatii jako interakcji pomiędzy roślinami wyższymi i niższymi (…) Mimo, że z wielu względów rozróżnienie takie jest wygodne, warto zauważyć, że rośliny niższe pośrednio uczestniczą w interakcjach roślina wyższa-roślina wyższa i efektywność związku chemicznego wytwarzanego przez jedną roślinę wyższą oddziałującego na drugą może w dużym stopniu zależeć od dynamiki, z jaką mikroorganizmy glebowe są w stanie go detoksykować lub dalej metabolizować” [cyt wg pozycji 2].

W latach 1939-1945 badania oddziaływań allelopatycznych miały charakter przypadkowych obserwacji dokonywanych przez naukowców pracujących na rzecz wojny, badających allelopatię między roślinami rosnącymi na pustyni w Kalifornii, głównie występującej między krzewami Parthenium argentanum i Encelia farinosa. Koncepcja allelopatii została utrwalona na skutek badań prowadzonych przez Mullera i jego współpracowników nad roślinami występującymi w makii kalifornijskiej, a także prace Rice'a nad chemicznymi czynnikami mającymi duże znaczenie w przypadku polowej sukcesji roślin [2].

Obecnie występuje tendencja do rozszerzania pojęcia allelopatii, jest odnoszone także do bakterii, grzybów i glonów [16]. Tego typu propozycje wysuwane są między innymi na specjalistycznych sympozjach. Jedna z nich zakłada, że termin allelopatia odnosi się do „każdego procesu obejmującego wtórne metabolity lub czynniki biologiczne mające wpływ na wzrost i rozwój systemów biologicznych” (New Delhi 1995)” [cyt wg pozycji 1]. Podczas pierwszego Światowego Kongresu Allelopatii, „Allelopathy - a science for the future”, w 1996 r. sformułowano definicję, określającą allelopatię jako każdy proces, w którym zaangażowane są wtórne metabolity, wytwarzane przez rośliny, mikroorganizmy i grzyby, mające wpływ na wzrost i rozwój systemów biologicznych i rolniczych, wyłączając zwierzęta [14]. Jest to rozszerzone pojęcie allelopatii. W tej pracy allelopatia będzie przedstawiona jako oddziaływania pomiędzy roślinami wyższymi.

Wyróżniane są dwa rodzaje oddziaływań allelopatycznych: allelopatia prawdziwa i funkcjonalna. Pierwszy rodzaj oddziaływań oznacza uwalnianie do środowiska związków chemicznych, które są toksyczne bezpośrednio po wytworzeniu ich przez roślinę. Drugi natomiast określa uwalnianie do środowiska substancji, które stają się toksyczne dopiero po ich przekształceniu przez mikroorganizmy. Przy rozważaniu zależności pomiędzy chwastami a roślinami uprawnymi rozróżnienie typów allelopatii może mieć istotne znaczenie [12].

Jeżeli chodzi o badania laboratoryjne dotyczące hamującego oddziaływania popłuczyn jednych gatunków na inne, to nie należy interpretować ich w bezpośrednim przełożeniu na naturalne ekosystemy. W środowisku naturalnym związki allelopatyczne mogą ulegać adsorpcji na koloidach glebowych lub biotransformacji z udziałem drobnoustrojów i ich enzymów, co sprawia trudności, jeśli chodzi o wykorzystanie wyników tych badań i ich bezpośrednie zastosowanie do procesów naturalnie zachodzących w środowisku [4].

Z powodu różniących się warunków siedliskowych inny jest metabolizm roślin jednorocznych, a inny kilkuletnich uprawianych na gruntach ornych.

Głównym problemem w badaniach jest fakt, że uzyskanie dowodów występowania allelopatii w danych warunkach ekologicznych jest niezmiernie trudne a ponadto wciąż istnieje wiele aspektów tych oddziaływań wymagających większych badań [2].

Związki allelopatyczne wytwarzane są przez rośliny wyższe oraz przekształcane przez mikroorganizmy glebowe z metabolitów wtórnych roślin wyższych (udział pośredni mikroorganizmów w allelopatii). W różnego rodzaju źródłach można odnaleźć także informacje na temat substancji allelopatycznych wytwarzanych przez drobnoustroje np. antybiotyki.

Substancje allelopatyczne należą do grupy związków organicznych od tych o najprostszej strukturze, występujących w formie gazowej np. etylen, do złożonych, wielopierścieniowych związków aromatycznych np. kumaryna, helianuol, sorgoleon [14, 23]. Jeżeli chodzi o charakter oddziaływania, allelochemikalia można podzielić na stymulatory i inhibitory. Podział ten nie jest jednoznaczny, ponieważ związki stymulujące wzrost roślin mogą w wysokich stężeniach go hamować, a także związki pełniące funkcje inhibitorów w niskich stężeniach w niektórych procesach mogą działać jako stymulatory.

Ze względu na efekt oddziaływań allelopatię można również podzielić na dodatnią (forma symbioza), o której mówi się znacznie mniej i ujemną (forma obrona przed konkurentami). Przykłady dodatniej allelopatii to wpływ fiołka polnego na żyto, koniczyny i lucerny na trawy, kąkolu i kukurydzy na pszenicę, ziemniaka i pszenicy na kukurydzę. Natomiast ujemne wpływ można zauważyć w przypadku siania pszenicy po jęczmieniu i maku po ziemniakach [19, 23].

Substancje chemiczne wytwarzane przez rośliny można podzielić ze względu na ich ekologiczne znaczenie, w zależności od tego czy biorą udział w oddziaływaniach międzygatunkowych czy wewnątrzgatunkowych. W oddziaływaniach międzygatunkowych wyróżnia się:

1. Allomony - substancje dające korzyści roślinie wydzielającej, czyli donorowi;

2. Kairomony - substancje dające korzyści roślinie odbierającej, czyli akceptorowi;

3. Depresanty - substancje ograniczające wzrost lub zatruwające organizm akceptora, a dla organizmu donora są obojętne.

Do substancji biorących udział w oddziaływaniach wewnątrzgatunkowych zalicza się autotoksyny, autoinhibitory adaptacyjne i feromony [14].

2. Podstawowe pojęcia używane w pracy

Allelopatia (antybioza) - niemożność współżycia obok siebie w tej samej niszy ekologicznej osobników jednego lub różnych gatunków w populacji, wskutek wytwarzania przez jedne z nich określonych substancji chemicznych szkodliwych dla drugich [11].

Autoinhibitory - związki ograniczające wielkość gatunku, populacji do poziomu równowagi środowiska [34].

Chaparral - północnoamerykański odpowiednik śródziemnomorskiej makii. Zimozielone gęste zarośla krzewów kolczastych porastające nadpacyficzne zbocza górskie, przede wszystkim Kaliforni [11].

Ekologia - nauka zajmująca się głównie obserwacją i badaniem oddziaływań pomiędzy żywymi organizmami w ich środowisku naturalnym, badająca zachowania organizmów różnych gatunków oraz zależności w grupach organizmów tego samego gatunku [8].

Ekologia biochemiczna (biochemia ekologiczna, ekologia chemiczna, ekologia fitochemiczna) - nowa dziedzina badawcza powstała z połączenia ekologii, biochemii i kilku pokrewnych dyscyplin, zajmująca się przede wszystkim biochemią oddziaływań między organizmami oraz między organizmami a ich środowiskiem. Jest multidyscyplinarną, nowoczesna, dynamicznie rozwijającą się nauką. Nowe chemiczne metody analityczne i biochemiczne z zakresu biologii molekularnej, genetyki molekularnej, inżynierii genetycznej i biotechnologii pozwalają na odkrywanie wciąż nowych substancji biologicznie czynnych, poznawanie ich struktury i funkcji oraz mechanizmów działania [2, 6].

Inhibitory - modulatory aktywności enzymów, cząsteczki chemiczne hamujące szybkość katalityczną enzymu. Są albo normalnymi metabolitami komórkowymi hamującymi enzym w ramach naturalnej regulacji danego szlaku lub też substancjami obcymi dla organizmu, takimi jak toksyny czy leki, gdzie enzym może działać terapeutycznie lub letalnie. Inhibitory dzieli się na nieodwracalne, wiążące się trwale z miejscem aktywnym enzymu, kompetencyjne, współzawodniczące z cząsteczkami substratu o wiązanie się z miejscem aktywnym i niekompetencyjne, allosteryczne, wiążące się w enzymie z miejscami innymi niż miejsce aktywne i powodujące zmiany konformacyjne, co zmniejsza szybkość katalityczną enzymu°[11].

Koewolucja - łączna ewolucja dwóch lub więcej gatunków, polegająca na wzajemnym oddziaływaniu selekcyjnym zależnych od siebie gatunków: autotrofów i heterotrofów (np. roślin i roślinożerców), symbiontów (np. dużych organizmów i współżyjących z nimi mikroorganizmów), pasożytów i ich żywicieli, a także roślin pomiędzy sobą (np. wzajemne tolerowanie wydzielanych związków chemicznych) [6, 13].

Makia (marchia) - formacja roślinna złożona z zarośli zawsze zielonych, drobnolistnych i twardolistnych krzewów i krzewinek np. mirt, wrzosiec drzewiasty, skarłowaciałych drzew np. drzewo poziomkowe, dąb, pistacja, a także z licznych roślin zielnych wydzielających obficie olejki lotne. Główny okres wegetacyjny przypada na wiosnę, gdy jest wystarczająco dużo wilgoci. Występuje w wilgotniejszych przybrzeżnych rejonach obszaru śródziemnomorskiego (wyspy w zachodniej części Morza Śródziemnego, południowej Francji i we Włoszech, w Hiszpanii). Powstała po wyniszczeniu pierwotnych lasów twardolistnych (głównie lasów dębowych), w wyniku nadmiernego ich użytkowania przez dawnych Rzymian. Szata roślinna ulega zmianom powodowanym przez naturalne pożary, występujące średnio co 25 lat [2, 11].

Metabolity wtórne - substancje o różnorodnej budowie chemicznej wytwarzane podczas metabolizmu komórkowego i wydzielane przez żywe organizmy do środowiska w niewielkich ilościach, nie będące dla nich źródłem energii ani składnikiem strukturalnym, a odgrywające głównie rolę nośników informacji lub regulatorów procesów ekologicznych, w tym w oddziaływaniach pomiędzy żywymi organizmami [18].

Ontogeneza - cykl życiowy każdego organizmu osobniczego, proces kształtowania się organizmu, od momentu powstania do śmierci. U organizmów rozmnażających się płciowo początkiem ontogenezy jest powstanie zygoty lub pobudzenie do rozwoju niezapłodnionej komórki jajowej (partenogeneza). U form rozmnażających się bezpłciowo jest nim faza w której organizm potomny oddziela się od macierzystego. Jeżeli ontogeneza nie zostanie przerwana zdarzeniem losowym, to kończy się fazą starzenia prowadzącą do naturalnie następującej śmierci osobnika [11].

Populacja - ogół organizmów jednego gatunku wzajemnie na siebie oddziałujących i zamieszkujących dany teren [11].

Potencjał allelopatyczny - zdolność danego związku chemicznego, bądź wyciągu z tkanek roślinnych, do hamowania kiełkowania nasion, albo hamowania wzrostu rośliny testowej [1].

Roślina inwazyjna - organizm wywołujący lub mogący wywołać szkodliwy efekt na środowisko, ekonomię i człowieka oraz którego introdukcja i/lub rozprzestrzenianie się zagraża różnorodności biologicznej [15].

Resztki posprzętne (pożniwne) - resztki pochodzenia roślinnego pozostałe po uprawie na danym terenie [1].

Sukcesja ekologiczna - naturalne następstwo po sobie wybranych gatunków roślin i zwierząt, a także drobnoustrojów. Zachodzi w środowisku abiotycznym, np. na odsłoniętych skałach, na przedpolu lodowca, na usypiskach, terenach wulkanicznych pokrytych lawą [11].

Sukcesja wtórna - sukcesja zachodząca na obszarze zajmowanym wcześniej przez inną biocenozę, której fragment staje się zespołem pionierskim, np. zaorane łąki, poręby, osuszone stawy, porzucone tereny uprawne [11].

Synergizm - zjawisko wzajemnego wzmocnienia działania kilku substancji, czynników wtedy, gdy występują razem w danym środowisku [35].

Toksyny - substancje chemiczne wytwarzane przez organizmy żywe (np. niektóre bakterie i pleśnie), mające właściwości trujące dla innych organizmów (np. antybiotyki, mykotoksyny).

Transport aktywny - transport cząsteczek przez błonę wbrew gradientowi ich stężenia, wymagający obecności błonowego białka przenoszącego i nakładu energii w postaci ATP; może być też napędzany przez jony: gdy transportowana cząsteczka i jon przemieszczają się przez błonę, w tym samym kierunku jest mowa o symporcie (np. przenośnik Na⁺ glukoza), a gdy w przeciwnym - o antysporcie (np. wymiennik anionów w erytrocycie) [11].

Transport elektronów - przenoszenie elektronów w reakcjach chemicznych przez układy oksydoredukcyjne, złożone z akceptora i donora elektronów, czemu towarzyszy uwalnianie energii, której część magazynowana jest w postaci ATP [11].

Związki allelopatyczne (alleopatyki, allelochemikalia) - są to typowe niskocząsteczkowe metabolity wtórne o relatywnej budowie chemicznej, biorące udział w allelopatii. Działają po uwolnieniu do środowiska, a ich działanie zależy od wielu czynników [1, 8, 14].

3. Charakterystyka roślin

Allelopatia to oddziaływania pomiędzy roślinami określanymi jako wyższe, wyłączając rośliny niższe. Jednak nie wszystkie rośliny wyższe wykazują potencjał allelopatyczny.

Rośliny zaliczające się do wyższych można podzielić następująco:

Gromada: Telomophyta (= Embryophyta) - rośliny telomowe (osiowe)

Nazwa gromady określa, że ciało ich wraz z organami zbudowane jest z telomów prymitywnych form ryniofitów. Druga nazwa Embryophyta określa, że tworzą one zarodki, czyli początkowe formy rozwoju ontogenetycznego zależą od organizmu matczynego.

Pochodzą od ryniofitów, które dały początek kilku odrębnym liniom obejmującym żyjące

i wymarłe rośliny lądowe.

Gromadę można podzielić na następujące podgromady:

Podgromada: Rhyniophyta - Ryniofity

Rodzaje: Cooksonia - Kuksania,

Rynia - Rynia,

Aglaophyton - Aglaofiton,

Horneophyton - Hornea.

Rośliny wymarłe.

Podgromada: Trimerophytina - Trymerofity

Zosterophyllophytina - Zosterofilofity

Rośliny wymarłe.

Bryophytina - Mszaki

Obejmuje różnorodne formy, w sumie około 7 000 gatunków.

Klasa: Hepaticopsida - wątrobowce

Większość wątrobowców występuje w miejscach ocienionych i wilgotnych. Można je spotkać na całym globie, od obszarów tropikalnych po arktyczne i antarktyczne. W Polsce występuje około 250 gatunków, głownie na obszarach górskich, podgórskich i terenach morenowych na Pomorzu.

Podklasy: Jungermanniidae - Jungermanie

Marchantiidae - Porostnice

Klasa: Bryopsida - Mchy

Największa klasa tej podgromady, obejmuje około 10 tyś. gatunków. Występują na obszarach tropikalnych, a także na półkuli południowej. Obejmuje siedem podklas.

Podklasa: Sphagnidae - torfowce

Tworzą charakterystyczne formacje roślinne - torfowiska wysokie. Podklasa liczy poniżej 200 gatunków.

Polytrichidae - płonniki.

Bryidae - prątniki (mchy właściwe, mchy liściaste) [6]

Buxbaumiidae - bezlisty

Andreaeidae - naleźliby

Tetraphidae [36]

Podgromada: Anthocerophytina - glewiki

Obejmują do 100 gatunków.

Podgromada: Lycophytina - widłakowe

Klasa: Lycopsida - widłaki jednakozarodnikowe

Selaginellopsida - widliczki

Podgromada: Psilotophytina - psylotowe

Sphenophytina - skrzypowe

Na terenie Polski występuje około 10 000 gatunków. Można je spotkać w miejscach wilgotnych i cienistych. Duża zdolność do rozmnażania wegetatywnego spowodowała, że niektóre skrzypy, na przykład dobrze u nas znany skrzyp polny (Equisetum arvense) stały się chwastami dosyć uciążliwymi.

Podgromada: Cladoxylophytina - kladoksylony

Pterophytina - paprociowe

Podklasa: Coenopterididae - staropaprocie

Ophioglossidae - nasięźrzałowi

Marattiidae - strzelichowe

Osmundidae - długoszowe

Filicidae - paprocie cienkozarodniowe

Marsileidae - marsyliowe

Salviniidae - salwiniowe

Podgromada: Aneurophytophytina ( = Progymnospermophytina) - pranagozalążkowe

(aneurofitonowe)

Cycadophytina - nagozalążkowe wielkolistne

Klasa: Lyginopteropsida ( = Pteridospermopsida) - paprocie nasienne

Cycadopsida - sagowce

Cycadeoidopsida ( = Bennettitopsida) - benetyty

Gnetopsida - gniotowe

Podgromada: Pinophytina ( = Coniferophytina) - nagozalążkowe drobnolistne

Klasa: Ginkgopsida - miłorzębowe

Cordaitopsida - kordaity

Pinopsida ( = Coniferopsida) - szpilkowe

Podgromada: Magnoliophytina ( = Angiospermae) - okrytozalążkowe

Klasa: Magnoliopsida ( = Dicotyledones) - dwuliścienne

Podklasa: Magnoliidae - magnoliowe

Ranunculidae - jaskrowe

Caryophyllidae - goździkowe

Dilleniidae - ukęślowce

Rosidae - różowe

Lamiidae - jasnotoce

Asteridae - astrowe

Hamamelididae - oczarowe

Klasa: Liliopsida ( = Monocotyledones) - jednoliścienne

Podklasa: Alismatidae - żabieńcowe

Liliidae - liliowe

Arecidae - arekowe

4. Pochodzenie związków allelopatycznych

4. 1. Źródła związków allelopatycznych

Allelozwiązki zostały wykryte we wszystkich organach roślinnych-wegetatywnych i generatywnych. Służą obronie przed atakiem, ale też umożliwiają przetrwanie gatunku. Marchew należy do rodziny roślin baldaszkowatych (Umbelliferae), które charakteryzuje zdolność wydzielania aromatycznych olejków eterycznych. Olejki wydzielane są poprzez korzenie, łodygi, liście, a także owocostany. Stanowią mieszaninę substancji wśród których występują różnego rodzaju związki allelochemiczne, są to: alkohole, aldehydy, terpeny i propenylobenzeny znane również pod nazwą fenylopropenoidów. W nasionach, kiełkach i korzeniach marchwi występują allelochemikalia takie jak: β-kariofilen, karotol, β-franezen, trans-2-nonenal i kwas trans-chlorogenowy. Natomiast allelochemikalia występujące w ulistnieniu i owocostanach marchwi to: α-azaron, β-azaron, trans-metyloizoeugenol, β-kariofilen, tlenek kariofilenu i β-farnezen. Obecność i różnorodność tych związków w różnych tkankach i organach warunkuje aktywność allelopatyczną marchwi. Z nasion marchwi można uzyskać olej, który jest mieszaniną głównie mono- i seskwiterpenów, z których większość charakteryzuje się właściwościami allelopatycznymi. Seskwiterpeny o strukturze karotenów, takie jak daukol i karotol są specyficzne dla roślin z rodzaju Daucus [13].

„W przeprowadzanych badaniach wpływu oleju z nasion marchwi i głównych jego składników na kiełkowanie i wzrost wybranych roślin, wykazano, że zarówno olej jak i jego komponenty (karotol, tlenek kariofilenu) cechują silne właściwości herbicydowe. Substancje te hamują zarówno kiełkowanie jak i wzrost roślin terenowych.” [cyt. wg pozycji 13]

Związki takie jak azarony, występujące w liściach i kłączach tataraku pospolitego (Acorus caamus L.) posiadają zdolność hamowania procesu fotosyntezy i oddychania niektórych glonów planktonicznych.

„Specyficzna aktywność biologiczna substancji występujących w różnych częściach roślin marchwi, sprawia, że związki te mogą być szczególnie przydatne w miejscu ich występowania w roślinie. Tam bowiem, istnieje możliwość allelopatycznego oddziaływania na organizmy związane z marchwią zależnościami troficznymi różnego rzędu. Większe możliwości takiego oddziaływania, posiadają przede wszystkim substancje specyficzne dla roślin z rodziny baldaszkowatych, czy też takie, których źródłem są jedynie rośliny marchwi albo wywodzące się z nich hodowle tkankowe lub komórkowe” [cyt. wg pozycji 13]

Organy wegetatywne, głównie liście, są źródłem związków o największym znaczeniu allelopatycznym, w największych ilościach i najszerszym spektrum działania.

W badaniach prowadzonych nad oceną potencjału allelopatycznego wybranych gatunków chwastów wobec siewek pszenicy ozimej, wykazano, że chwasty dwuliścienne charakteryzują się wyższym potencjałem inhibicyjnym niż chwasty jednoliścienne. Korzenie także wydzielają inhibitory, ale w stężeniach znacznie mniejszych niż liście. Od tej reguły są jednak wyjątki, np. korzenie lucerny są głównym źródłem saponin; eksudaty korzeniowe meksykańskiego krzewu gumodajnego Parthenium argentatum zawierają związek aromatyczny kwas (E)-cynamonowy, inhibitor odpowiedzialny za autotoksyczność, a słabo toksyczny wobec innych gatunków.

Znaczącym czynnikiem, jeśli chodzi o zdolność wydzielania związków allelopatycznych jest wiek rośliny. Rośliny młodsze uwalniają je w znacznie większych ilościach niż dojrzałe i starzejące się [1, 17].

4. 2. Uwalnianie związków allelopatycznych

Związki allelopatyczne (allelochemiczne) mogą być uwalniane do środowiska na drodze czterech procesów:

4. 2. 1. Uwalnianie lotnych substancji (ewaporacja)

Uwalnianie przez rośliny (donory) do środowiska olejków eterycznych należących do grupy terpenoidów. Olejki eteryczne mogą być absorbowane przez tkankę okrywającą innych, blisko rosnących roślin (akceptorów) w formie zagęszczonej-z rosą lub bezpośrednio z atmosfery. Związki te mogą być także adsorbowane na warstwach powierzchniowych gleby, a następnie przechodzić do roztworu glebowego, skąd są pobierane przez rośliny (akceptory) [1].

4. 2. 2. Wymywanie (ługowanie)

Zmywanie z nadziemnych części roślin pod wpływem opadów lub rosy, różnego rodzaju związków o dużym znaczeniu ekologicznym. Procesowi temu podlegają węglowodany, glikozydy, substancje pektynowe, alkaloidy, flawonoidy, kwasy organiczne i duże ilości związków fenolowych [1, 14].

4. 2. 3. Eksudacja

Wydzielanie związków allelopatycznych przez system korzeniowy. Sekrecja związków organicznych z nieuszkodzonych korzeni nie jest duża. Związki wydzielane są do gleby i mogą być w takiej bądź zmienionej postaci pobierane przez inne rośliny [1, 14].

4. 2. 4. Rozkład obumarłych tkanek roślinnych

Jest to najważniejsze źródło związków allelochemicznych. Podczas degradacji w wyniku destrukcji tkanek następuje uwalnianie składników roślin do gleby. Wiele z tych składników wykazuje aktywność biologiczną. Nie każdy związek występujący w roślinie jest fizjologicznie czynny. Wiąże się to z tym, że w żywej tkance związki są przestrzennie oddzielane od siebie dzięki zjawisku kompartymentacji (lokalizacja allelozwiązków w wakuolach). Związki mogą być przekształcone podczas rozkładu. Przykładem na to zjawisko jest HCN, który gromadzi się dopiero podczas rozkładu glikozydów cyjanogennych, a także gromadzone podczas rozkładu glikozynolanów toksyczne aglikony.

Związki pochodzące z rozkładu resztek organicznych w warunkach niedoboru tlenu, charakteryzują się szczególnie wysoką, głównie inhibicyjną aktywnością [14].

W allelopatii pośrednią rolę odgrywają drobnoustroje, które umożliwiają degradacje resztek roślinnych. Można, więc powiedzieć, że do aktywności allelopatycznej produktów rozkładu dołączają także metabolity mikroflory, które często wykazują działanie inhibicyjne w stosunku do roślin.

Produkty rozkładu obumarłych tkanek roślinnych przejawiające aktywność inhibicyjną, mogą stanowić w praktyce rolniczej poważny problem. Staje się on wyraźny przy zaorywaniu resztek posprzętnych oraz stosowaniu, cieszącego się coraz większą popularnością zredukowanego systemu uprawy roli w krajach wysoko rozwiniętych.

Efekty alelopatyczne o szczególnym nasileniu można dostrzec w uprawach monokulturowych . W zmęczonych glebach dochodzi do niekorzystnych zmian w składzie mikroflory, jakość humusu ulega pogorszeniu i dochodzi do nagromadzenia kwasów fenolowych.

Według różnych badań głównym źródłem inhibitorów allelopatycznych w monokulturze roślin zbożowych, wbrew panującym poglądom, są związki pochodzące z rozkładu młodych roślin wyrosłych z samosiewów. Stwierdzone zostało także, że tworzenie alleloinhibitorów jest związane z aktywnością mikroflory grzybowej.

Allelopatia może być również rozpatrywana jako stres biotyczny. Równocześnie występuje ścisła współzależność pomiędzy zjawiskiem oddziaływań allelopatycznych a innymi stresami środowiskowymi. Wyniki wielu przeprowadzonych badań wskazują, że warunki środowiskowe na które składają się stresy biotyczne i abiotyczne ograniczające wzrost, zwiększają produkcję allelochemikaliów. Stymulacja syntezy związków allelopatycznych może być wywoływana niedoborem składników mineralnych (głównie azotu i fosforu), chłodem, suszą, wysoką temperaturą, atakiem patogenów i szkodników, ekspozycją na światło ultrafioletowe. Synteza dhurrinu (glikozydu cyjanogennego), jednego ze związków allelopatycznych sorgo (Sorghum bicolor) jest kontrolowana przez czynniki genetyczne i środowiskowe np. dostępność azotu. Występowanie więcej niż pojedynczego czynnika wywołującego stres może mieć złożony wpływ na ilość produkowanych związków allelopatycznych. Przykładowo stres niedoboru azotu w połączeniu z deficytem wody lub promieniowaniem UV w przypadku słonecznika (Helianthus annuus) wywołało wzrost ilości wyprodukowanych kwasów chlorogenowych i izochlorogenowych w porównaniu z występowanie jednego rodzaju stresu środowiskowego.

Występuje także zjawisko synergicznego współdziałania stresu allelopatycznego ze stresem termicznym. Dotyczy to hamującego działania kwasu felurowego na wzrost siewek soi (Sorghum bicolor) i sorgo (Glycine max), które było większe w wysokich temperaturach. Stres termiczny powodował obniżenie o połowę stężenie kwasu felurowego hamującego wzrost siewek rosnących w temperaturach optymalnych.

Obecne w glebie różne związki organiczne w nietoksycznych stężeniach mogą podwyższać toksyczność związków allelopatycznych.

Szczególną toksyczność allelochemikalia osiągają wczesną wiosną w słabo natlenionych glebach. Ich obecność w tkankach roślinnych nie oznacza od razu, że będą wykazywały aktywność allelopatyczną . Aby miało to miejsce związek musi się dostać do otoczenia rośliny, a musi to nastąpić w czasie, gdy taki wpływ jest możliwy [13].

Allelozwiązki pobrane przez rośliny nie muszą zadziałać toksycznie z powodu istniejących systemów obronnych, umożliwiających detoksykację. Jednym z tych procesów jest glikozylacja, na drodze której związki fenolowe wiązane są z cukrami. Zdolność do glikozylacji posiadają m.in. ogórek i papryka, ogórek jednak w mniejszym stopniu. W drodze badań przebiegu procesu na siewce ogórka stwierdzono, że tempo glikozylacji zmienia się w czasie i jest zależne od rodzaju kwasu fenolowego. W przypadku pochodnych kwasu benzoesowego: kwasu wanilinowego i p-hydroksybenzoesowego poziom glikozydów intensywnie wzrastał, a jeżeli chodzi o pochodne kwasu cynamonowego: kwas ferulowy

i p-kumarowy związki fenolowe wiązane były słabiej, natomiast w korzeniach dochodziło do akumulacji wolnych fenoli [1].

Fenole ulegają glikozylacji w ciągu kilku godzin od momentu pobrania przez rośliny. Glikozydy powstałe podczas glikozylacji gromadzone są w wakuolach lub mogą ulegać metabolizowaniu do CO₂ [2].

4. 3. Związki allelopatyczne w środowisku

Związki allelochemiczne na drodze między rośliną donorem a rośliną akceptorem, podlegają różnym przemianom. Może to być adsorpcja przez koloidy glebowe, w tym także przez substancje humusowe. Oznacza to, że im więcej materii organicznej zawiera gleba, tym wykazuje, mniejszą toksyczność. W gleby o mniejszej zawartości materii organicznej są o wiele bardziej toksyczne.

Sytuacja jest analogiczna jeśli chodzi o tempo rozkładu resztek roślinnych. W glebie ciężkiej w porównaniu z glebą lekką tempo rozkładu jest spowolnione.

Jak już było mówione, szczególnie wysoką aktywność inhibicyjną przejawiają produkty rozkładu resztek, powstałe w warunkach niedoboru tlenu. Jest to wywoływane przez obecność w glebie kwasów organicznych. W badaniach wykazano, że są to przede wszystkim kwasy takie jak octowy, propionowy i masłowy.

Inna droga przemian związków allelochemiczych wiąże się z działaniem mikroorganizmów. Udział drobnoustrojów w przemianach allelozwiązków może doprowadzić do inaktywacji określonego związku, ale może też w drodze rozkładu uwolnić produkty o właściwościach toksycznych jak np. glukozynolany, początkowo występujące w postaci nietoksycznych glikozydów w roślinach z rodziny krzyżowych. Po ich rozkładzie uwalniane są lotne olejki eteryczne, które silnie hamują kiełkowanie nasion i wzrost siewek.

Część związków nie ulega działaniu drobnoustrojów, ani sorpcji i pozostaje w roztworze glebowym, a stamtąd może być pobierana przez rośliny, nie zawsze jednak ujawnia się działanie toksyczne, ponieważ rośliny mogą mieć zdolność blokowania transportu lub detoksykacji allelozwiązków.

Gdy żaden z mechanizmów obronnych nie funkcjonuje, wtedy pobrane przez rośliny związki allelochemiczne naruszają szlaki metabolizmu i ontogenezę tych roślin [1].

5. Wpływ związków allelopatycznych na procesy fizjologiczne u roślin

5. 1. Wpływ związków allelopatycznych na podziały i elongację komórek

Wzrost u roślin jest szczególnie wrażliwy na działanie związków allelopatycznych. Związki allelopatyczne mogą być powodem zaburzeń lub hamowania wzrostu. Już dawniej stwierdzono przejawianie szczególnej aktywności lotnych mononterpenów w blokowaniu podziału mitotycznego i hamowaniu elongacji komórek. Na skutek działania związków takich jak kumaryna, cyneol i skopoletyna powstają komórki o zmienionym kształcie, nieprawidłowo wykształconym jądrze i silnie zwakuolizowane.

Podejmowane były próby wyjaśnienia, na czym polega mechanizm inhibicji kiełkowania nasion przez kumarynę. Badania wykonywano na nasionach rzodkiewki. Wykazały one, że egzogenna kumaryna jest powodem zniekształceń, które zostały zlokalizowane w strefie elongacji. Oznacza to znaczne skrócenie i pogrubienie rosnącego korzenia zarodkowego. Gdy natomiast w drugim przypadku nasiona rzodkiewki potraktowano wodnym wyciągiem z ruty (Ruta graveolens), zawierającym głównie kumaryny, efekt inhibicji był widoczny wcześniej, już w czasie pęcznienia, a uszkodzenia, które powstały obejmowały komórki okrywy nasiennej, a także warstwy aleuronowej. Według innych obserwacji kumaryny egzogenne mogą także opóźniać mitozę w komórkach wierzchołka wzrostu cebuli, a kumaryny wydzielone z Anthoxanthum odoratum mogą hamować wzrost siewek Zoysia Japonia.

Wiele badań przeprowadzanych na ekstraktach pozyskiwanych z różnych gatunków chwastów wykazało, że toksyczne właściwości allelochemikaliów polegają na opóźnianiu kiełkowania nasion i hamowaniu wzrostu siewek. Inhibicji wzrostu towarzyszyły niekiedy zniekształcenia anatomiczno-morfologiczne w wierzchołku korzenia.

Przykładem substancji allelopatycznej odpowiedzialnej za potencjał allelopatyczny w przypadku owsa jest L-tryptofan, natomiast w przypadku aktywności herbicydowej Ipomea tricolor, silnej szczególnie w stosunku do roślin jednoliściennych odpowiedzialny jest aglikon mieszaniny glikozydów żywicznych - „tricolorin A”. Za możliwości inhibicyjne jęczmienia odpowiadają alkaloidy gramina i hordeina, które ograniczają elongację korzeni i wywołują zmiany w ultrastrukturze komórek. „Autografy z transmisyjno-elektroniczznego mikroskopu wykazały bowiem, że w komórkach wierzchołków wzrostu korzeni następowało uszkodzenie ścian komórkowych, dezintegracja organelli oraz znaczne powiększenie rozmiarów wakuoli. Pojawiły się także lipidowe globule. Zmiany polegające na akumulacji lipidów obserwowano także w wierzchołkach wzrostu korzeni traktowanych benzylaminą oraz alkaloidami tropanowymi, takimi jak skopolamina i hioscyjamina.” [cyt. wg pozycji 1] Autorzy sugerują, że obecność lipidów w cytoplazmie oznacza spowolnienie metabolizmu przemian materiałów zapasowych. Może być to spowodowane dysfunkcją układów enzymatycznych, która nastąpiła pod wpływem zastosowanych związków allelochemicznych [1].

Wiele gatunków z rodzaju Sorghum wykazuje aktywność herbicydową. Są stosowane jako rośliny okrywowe, co oznacza, że opóźniają kiełkowanie nasion i hamują wzrost chwastów, należy także dodać, że szczególnie skuteczne są w stosunku do chwastów szerokolistnych. Wcześniejsze dane wykazały, że za toksyczność sorga odpowiada działający jako inhibitor sorgoleon będący chinonem. Jest on bardzo wysoko toksyczny. Działa jako inhibitor podziałów komórkowych, może zakłócać przebieg podziałów mitotycznych jądra komórkowego.

Kolejnymi związkami o działaniu inhibicyjnym są kwasy fenolowe. Stwierdzono, że działają one hamująco na wzrost roślin i wywołują zniekształcenia morfologiczne korzeni podobnie jak kumaryny. Podobnie w przypadku siewek soi, na które działano kwasem benzoesowym i cynamonowych obserwowano powstanie zniekształceń typu brak włośników, brak korzeni bocznych i tendencja korzeni do wzrostu horyzontalnego. Natomiast według innych obserwacji stwierdzono, że kwasy ferulowy i p-kumarowy ograniczają ekspansję liścia ogórka, a kwasy p-hydroksy-benzoesowy i wanilinowy zawarte w eksudatach z korzeni czerwonej papryki przejawiają działanie autotoksyczne, hamują wzrost korzeni zarodkowych papryki rosnącej w uprawach monokulturowych. Zaobserwowano również, że inhibicyjne działanie u badanych fenolokwasów: wanilinowego, ferulowego, p-kumarowego i p-hydroksy- benzoesowego zależało bardziej od rodzaju hybrydu kukurydzy niż rodzaju kwasu [1].

Wykazano również, że mieszanina badanych kwasów wywołują silniejsze działanie inhibicyjne niż te kwasy osobno. Świadczy to o synergicznym działaniu tych związków i zgadza się ze stwierdzeniem, że inhibicyjny wpływ mieszaniny fenolokwasów może mieć charakter synergiczny i addytywny.

W badaniach nad allelopatią zahamowanie wzrostu elongacyjnego korzeni i części nadziemnych jest podstawowym wskaźnikiem ujawniającym obecność alleloinhibitorów w środowisku. Na tej podstawie wykazano ujemny wpływ wydzielin siewek pszenicy na wzrost młodych roślin jęczmienia; silne działanie inhibicyjne produktów rozkładu chwastów dwuliściennych na kiełkowanie, a później wzrost pszenicy ozimej; testowano wpływ wodnych wyciągów z gryki na kiełkowanie niektórych gatunków chwastów; a także działanie wyciągów z rozłogów perzu na kiełkowanie i wzrost siewek owsa.

Inhibicyjny wpływ allelozwiązków na wzrost może ujawnić się już podczas pęcznienia nasion. Następują wtedy zmiany prowadzące do zniekształceń anatomicznych w okrywie nasiennej i materiałach zapasowych. Są one powodem opóźnienia kiełkowania, a towarzysząca im inhibicja elongacji zarodkowego korzenia może być przyczyną jego zamierania [1].

5. 2. Wpływ związków allelopatycznych na hormony kontrolujące wzrost

Wpływ allelozwiązków na równowagę hormonalną został stwierdzony już dawno. Szczególnie poznany został mechanizm interakcji między związkami fenolowymi a auksynami. Monohydroksyfenole są kofaktorami oksydazy IAA, dlatego przyspieszają degradację auksyn, a obniżenie ich poziomu w tkankach powoduje spowolnienie wzrostu. Natomiast polifenole i dihydroksykwasy działają przeciwnie, hamują dekarboksylację IAA, co powoduje przyspieszenie wzrost lub utrzymanie go na tym samym poziomie. Spotykane jest również niekorzystne działanie auksyn i kwasów hydroksamowych. Dowodem tego prawdopodobnie jest obniżanie przez kwasy zdolności auksyn do wiązania z miejscami receptorowymi na błonach cytoplazmatycznych.

Niektóre allelozwiązki podobnie jak auksyny stymulują biosyntezę etylenu. Nie we wszystkich badaniach jednak uzyskiwano wyniki to potwierdzające. Dlatego też uważa się, że indukowanie produkcji etylenu może czasem być odpowiedzią rośliny na obecność allelochemikaliów w środowisku. Kolejnym przykładem tego typu reakcji są interakcje między inhibitorami fenolowymi a giberelinami i kwasem abscysynowym. Fenole mogą mieć wobec nich antagonistyczne działanie. Stwierdzono, niektóre flawonoidy i kumaryna przełamywały działanie inhibicyjne ABA, a taniny blokowały aktywność stymulacyjną GA.

Dzięki przeprowadzonym badaniom stwierdzono, że kwas chlorogenowy, trans-cynamonowy,kumaryna i kwasy (orto-, meta-, para-) kumarowe wykazują addytywne działanie inhibicyjne z ABA. Objawia się to opóźnianiem kiełkowania nasion sałaty, a także hamowaniem wzrostu korzenia i hypokotyla siewek [1, 9]. „Efekt wywoływany przez kwasy ferulowy i kawowy zależy od stężenia. W niskich stężeniach kwasy powodują zmniejszenie inhibicji wywołanej przez ABA, a w wysokich pogłębiają jego toksyczne działanie” [cyt. wg pozycji 1]

5. 3. Wpływ związków allelopatycznych na przepuszczalność błon cytoplazmatycznych

„Rozpatrując efekty wywoływane na poziomie komórkowym przez różne związki allelochemiczne przyjmowano, że jedne z ich są pierwotne, a inne wtórne. Ostatecznie uznano, że wpływ na błony cytoplazmatyczne jest działaniem pierwotnym.” [cyt. wg pozycji] Uszkodzenie błon komórkowych wpływa na cały metabolizm i wszystkie procesy fizjologiczne. Uznano także, że w szerokim spektrum, które tworzą allelozwiązki główne działanie przypisać należy fenolom. Fenole należą do najbardziej pospolitych związków syntetyzowanych w roślinach, przejawiają toksyczne działanie w niskich stężeniach.

Mechanizm wpływu związków fenolowych na funkcjonowanie błon cytoplazmatycznych i sposób zmieniania ich przepuszczalności. Przypuszcza się, że molekuły allelochemikaliów mogą wnikać do błon matriks i niszczyć znajdujących się w nich strukturalne powiązania albo tworzyć nowe, mogą także modyfikować kanały w błonach. Konsekwencją strukturalnych zmian są ograniczenia w funkcjonowaniu białek enzymatycznych (m.in. ATP-az), które mają wpływ na międzymembranowy transport jonów, ich akumulację i bilans wodny. Uwodnienie roślinnych tkanek wpływa na stan aparatów szparkowych, więc i na proces fotosyntezy. Allelochemikalia mogą wchodzić w molekularne asocjacje w błonach mitochondriów i chloroplastów, co będzie zmieniało w nich transport elektronów lub rozkojarzało go z fosforylacją i obniżało powstawanie komórkowego ATP. Inhibitory allelopatyczne mogą hamować również inne procesy związane z błonami cytoplazmatycznymi. Aktywność niektórych fitohormonów jest inicjowana przez znajdujących się na membranach miejsca receptorowe. Związki allelopatyczne mogą zmieniać funkcję tych hormonów poprzez wchodzenie w reakcję z miejscami receptorowymi. Przykładowo, auksyny z kwasem cynamonowym mogą wykazywać synergiczne, jak i antagonistyczne działanie.

Zakłócenia wywoływane przez inhibitory fenolowe w funkcjonowaniu błon mogą być zjawiskiem występującym pospolicie. Funkcje inhibitorów fenolowych są różnorakie, a skutkiem wywoływanych przez nie zaburzeń jest inhibicja wzrostu i rozwoju rośliny. Zakłócenia mogą się zmieniać w zależności od stężenia i rodzaju działającego związku.

Badając inhibicyjny efekt wywoływany przez związki pochodzące z rozkładu resztek posprzętnych Parthenium stwierdzono, że był on związany m.in. z pogorszeniem integralności błon rośliny będącej akceptorem. Główne inhibitory zidentyfikowane w resztkach posprzętnych to kwasy fenolowe i należące do seskwiterpenowych laktonów partenina. Związki te wywołując wyciek elektrolitów obniżały przepuszczalność błon. Na powierzchni błon mogą być także absorbowane inne inhibitory allelopatyczne, rozpuszczalne w tłuszczach np. terpenoidy i chinony: sorgoleon i juglon dezintegrujące struktury błon.

Jeżeli chodzi o mechanizm modyfikacji przepuszczalności błon przez związki fenolowe, to następuje to w wyniku spadku potencjału membranowego wywoływanego przez kwasy fenolowe, podobnie przebiega załamanie się transmembranowego potencjału w mitochondriach wywołanego działaniem kwasu salicylowego.

„Mechanizm powodujący, że kwasy fenowe zwiększają przepuszczalność błon polega nie tylko na ich depolaryzacji, czy rozpuszczaniu warstwy lipidowej. Może być także konsekwencją zahamowania biosyntezy białek pełniących funkcję nośników albo też skutkiem niedoboru ATP, który zapewnia stały dopływ energii niezbędnej dla utrzymywania struktury błon na właściwym poziomie.” [cyt. wg pozycji 1]

W związku z tym, że kwasy fenolowe mogą działać rozkojarzająco na fosforylację oksydacyjną w mitochondriach wnioski te wydaja się być uzasadnione. Wyniki innej pracy potwierdzają, że zwiększenie przepuszczalności błon cytoplazmatycznych względem elektrolitów jest skutkiem działania kwasów fenolowych, a także, że kwasy p-kumarowy i ferulowy są skuteczniejsze w dezintegracji błon niż kwasy p-hydroksybenzoesowy i wanilinowy, a ich działanie destrukcyjne opiera się na peroksydacji lipidów błonowych. Mechanizm toksycznego działania kwasu benzoesowego i cynamonowego następuje pod wpływem generowania wolnych rodników. Błony cytoplazmatyczne są często uszkadzane przez wolne rodniki. Rodniki mogą powstawać m.in. podczas oksydacyjnej transformacji fenoli zachodzącej podczas lignifikacji ścian komórkowych.

Na podstawie badań nad saponinami stwierdzono, że wykazują wysoki potencjał inhibicyjny wobec roślin wyższych, a także mikroorganizmów. Pod wpływem saponin dochodzi do silnych uszkodzeń zlokalizowanych głównie w korzeniach siewek pszenicy. Początkowo zaobserwowano brązowienia merystemu wierzchołkowego, a następnie stopniowe obumieranie obejmujące system korzeniowy. Jest to powodowane działaniem saponin, które wchodzą w interakcje ze składowymi elementami błon cytoplazmatycznych, zarówno białkowymi, jak i lipidowymi. Interakcje saponin z białkami mogą mieć wpływ na aktywność enzymów błonowych, jak oksydaza NAD i dehydrogenaza jabłczanowa. Oddziaływania saponin ze składowymi elementami membran są główną przyczyną uszkodzeń wywoływanych przez saponiny.

Do najistotniejszych zmian wywoływanych przez aktywne allelochemikalia jest ich wpływ na strukturę i funkcjonowanie błon cytoplazmatycznych. Allelozwiązki decydują o przebiegu wzrostu i rozwoju roślin poprzez zmianę stanu błon cytoplazmatycznych i co za tym idzie, wpływają na przebieg procesów biochemiczno-fizjologicznym w różnych częściach komórek°[1, 9].

5. 4. Wpływ związków allelopatycznych na enzymy roślinne i metabolizm

Wiele związków allelopatycznych może modyfikować aktywność enzymów np. przez inhibicję syntezy amylaz przez taniny, działanie kwasu ferulowego na oksydaze IAA, blokowanie aktywności enzymów takich jak: celulaza, poligalakturonaza, pepsyna, proteazy, dehydrogenazy, katalaza, peroksydaza, sacharoza i inne. Pochodne kwasu cynamonowego i związki pokrewne mogą zmieniać aktywność amoniakoliazy fenyloalaninowej (PAL). Sugeruje to, że metabolizm fenylopropanoidów może być naruszony przez związki fenolowe. Stwierdzono, że związki fenolowe i seskwiterpenowe laktony z resztek posprzętnych Parthenium powodowały w znaczną redukcję aktywności dehydrogenaz. Badania prowadzone przez autorów: Wykazano również, że w łodygach i liściach ogórka uprawianego na podłożach zawierających duże ilości związków fenolowych aktywność oksydazy IAA była wyższa niż w przypadku roślin uprawianych na podłożach o niskiej zawartości tych związków. Zjawisko wzrostu aktywności enzymu było wywołane stymulacją tej aktywności przez fenole. Z innych badań wynika, że różne związki fenolowe, a głównie fenolokwasy powodują wzrost aktywności enzymu peroksydaza gwajakolowa w korzeniach koniczyny białej. Natomiast według innych badań „istotny wpływ na wzrost aktywności peroksydazy syringaldazowej jak i gwajakolowej, miały kwasy p-kumarowy i ferulowy. Pochodne kwasu benzoesowego (kwas p-hydroksybenzoesowy i wanilinowy) nie modyfikowały aktywności badanych enzymów.” [cyt. wg pozycji 1]

Wiele allelozwiązków może równocześnie być inhibitorami i aktywatorami enzymów. Należy jednak powiedzieć, że wiedza na temat specyfiki działania allelochemikaliów na układy enzymatyczne nie jest duża. Nieco bardziej poznany został problem wpływu allelopatycznych inhibitorów na metabolizm. Spośród tych przemian dobrze poznane zostało działanie na biosyntezę białka kwasów benzoesowego i cynamonowego, a także ich pochodnych.

Działanie fenoli może prowadzić do ograniczenia syntezy białka, a kwasy fenolowe mogą wywoływać zmiany w metabolizmie związków porfirynowych. Prowadzi to do zahamowania syntezy chlorofilu i hemoglobiny, która jest potrzeba do wytworzenia brodawek korzeniowych przez rośliny motylowe.

Negatywny wpływ na metabolizm jest jednym z bardziej istotnych mechanizmów działania allelozwiązków.

5. 5. Wpływ związków allelopatycznych na gospodarkę wodną roślin

Allelozwiązki mają wyraźny wpływ na wodne stosunki panujące w roślinie. W zależności od rodzaju związku allelopatycznego i gatunku rośliny różne mogą być efekty działania, np. rutyna (flawonoid) hamuje wzrost, ale nie wpływa na bilans wodny. Przykłady wpływu allelozwiązków na gospodarkę wodna roślin zostały przedstawione w tabeli. Tabela została wykonana na odstawie danych z tabeli „Wpływ na gospodarkę wodną roślin” [1].

Tabela 1. Przykłady wpływu związków allelopatycznych na gospodarkę wodną roślin [1].

Gatunek rośliny	Związek allelopatyczny	Parametr, na który dany związek wpływał
Soja	kwas salicylowy	szparki* potencjał**
		Hydrochinon	szparki potencjał
		kwas ferulowy kwas p-kumarowy	szparki potencjał
		umbeliferon wanilina	szparki potencjał
	Ogórek	kwas ferulowy	potencjał
		kwas ferulowy kwas p-kumarowy kwas wanilinowy	szparki
Słonecznik	kwas chlorogenowy skopoletyna	szparki
Tytoń	kwas chlorogenowy skopoletyna	szparki

* Zamknięcie szparek lub wzrost oporności dyfuzyjnej liścia

** Obniżenie potencjału wody

Badania nad kwasem ferulowym prowadzone wykazały, że ma on negatywny wpływ na pobieranie wody przez siewki ogórka, fasoli i pomidora, w porównaniu z kwasem

p-kumarowym wykazuje silniejsze działanie inhibicyjne poboru wody przez korzenie. Negatywny wpływ kwasu zależy także od odczynu pożywki na której wykonywane były badania, obniżał się ze wzrostem pH. Stwierdzono również, że egzogenny kwas powodował wzrost poziomu ABA w liściach roślin testowanych. Według wykonujących badania do mechanizm działania allelozwiązków włączone są także regulatory wzrostu rośliny. Kwasy

p-kumarowy, ferulowy, a także wyciągi z wielu chwastów o poznanych wcześniej właściwościach allelopatycznych wywoływały efekty uzależnione od stężenia związków. W wyższych stężeniach powodowały wzrost oporności dyfuzyjnej liści i zamknięcie szparek. Przy niższych stężeniach obniżały potencjał wody, co było wynikiem spadku potencjału osmotycznego i potencjału ciśnienia. Również substancje wydzielane przez rośliny Kochia scoparia, Xanthium pensylvanicum i Helianthus tuberosus podwyższały oporność dyfuzyjną liści i obniżały potencjał wody. Takie same zmiany w gospodarce wodnej wystąpiły w siewkach roślin rosnących na glebach bogatych w resztki posprzętne różnorakich chwastów.

Kwas salicylowy obniża intensywność transpiracji i stopień rozwarcia szparek w liściach bobu. Szparki są bardziej wrażliwe na ten kwas niż proces transpiracji. Niskie stężenie kwasu było wystarczające do redukcji rozwarcia szparek, natomiast do redukcji procesu transpiracji wymagane było stężenie o wiele wyższe. Dodatkowo aktywność inhibicyjną kwasu zwiększa środowisko kwaśne, a obojętne obniża ją. Zdolność ograniczenia intensywności transpiracji i zmniejszenia ilości pobieranej wody przez korzenie wywoływały również związki uwalniane w wyniku rozkładu resztek posprzętnych Parthenium.

Przeprowadzono badania wpływu siedmiu fenolokwasów, a mianowicie: ferulowego,

p-hydroksybenzoesowego, p-kumarowego, protokatechowego, salicylowego, syringowego i wanilinowego, na wodną gospodarkę siewek ogórka. Kwasy podawane były pojedynczo i w mieszaninie. Wywołały takie efekty, jak obniżenie intensywności transpiracji, przymknięcie szparek, redukcja powierzchni ogólnej i aktywnej korzenia. Ogólnie mówiąc inhibitory allelopatyczne wywołują zakłócenia w pobieraniu, transporcie i utracie wody przez rośliny. Działanie kwasów w mieszaninie było wyraźnie silniejsze niż indywidualnie.

Z przedstawionych wyników badan można wywnioskować, że zakłócenia powodowane niedostatecznym uwodnieniem tkanek są także ważną przyczyną hamowania wzrostu u roślin.

5. 6. Wpływ związków allelopatycznych na pobieranie jonów przez rośliny.

Wpływ związków allelopatycznych na pobieranie jonów jest zależne od rodzaju związku, jego stężenia oraz warunków w jakich wykonywano badanie. Znane są głównie efekty wywoływane przez kwasy fenolowe, które mogą działać bezpośrednio modyfikując szybkość pobierania, a także długotrwale zmieniając stężenie jonów w tkankach rośliny. Szkodliwość tych kwasów zależy również od typu ligandów w pierścieniu benzoesowym, np. grupy hydroksylowe mogą łagodzić efekt inhibicji. Fenolokwasy mogą zmieniać stężenia składników mineralnych w organizmie rośliny. Większość kwasów fenolowych obniża poziom pierwiastków niezbędnych. Za wyjątek uchodzi kwas chlorogenowy, który w przypadku tkanek rośliny Amaranthus retroflexus obniżał poziom fosforu, podwyższał azotu, a na poziom potasu nie miał wpływu.

Na podstawie badań prowadzonych na odciętych korzeniach wykazano, że kwasy benzoesowy i cynamonowy i ich pochodne mogą osłabiać szybkość poboru jonów potasu i fosforu.

W przypadku roślin sorgo kwas ferulowy powodował obniżenie poziomu jonów potasu i fosforu w korzeniach, łodygach i ziarnach. Po trzech i sześciu latach poddawania rośliny działaniu kwasu obniżała się zawartość magnezu, wapnia i żelaza. Zmianom tym towarzyszyło nasilanie się inhibicji z upływem czasu. Kwas fermowy hamuje także pobieranie jonów NO^3- u sorgo i siewek ogórka, a znacznie mniejszy wpływ ma na pobieranie jonów NH⁴⁺ przez siewki kukurydzy. Z kolei krótkotrwałe trzygodzinne działanie kwasu powoduje inhibicję poboru fosforanów, siarczanów i azotanów, a wspomaga wypływ jonów potasu z korzeni siewek ogórka.

Kwas salicylowy ma także negatywny wpływ na pobór jonów. Wywołuje inhibicję absorpcji jonów potasu i fosforu przez korzenie jęczmienia. Kwasy benzoesowy i cynamonowy powodują zahamowanie wzrostu siewek soi (Glycine max), wywołane zakłóceniami w poborze i transporcie jonów w roślinie, zakłóceniom dodatkowo towarzyszą zniekształcenia morfologiczne korzeni. W zależności od wysokości stężenia kwasu cynamonowego różne było tempo pobierania jonów. W przypadku jonów fosforanowych hamowanie następowało przy wyższych stężeniach. Toksyczność kwasu wzrastała ze spadkiem odczynu.

Związki zawarte w rozkładających się roślinnych pozostałościach, ekstraktach i wypłuczynach mogą być przyczyną zmiany zawartości związków mineralnych w badanych roślinach. Ponadto stwierdzono, że zwiększenie nawożenia mineralnego może pomóc w uniknięciu negatywnych efektów allelopatycznych. Jednak okazało się to błędne, ponieważ duże dawki azotu nie zapobiegały hamowaniu przez kwas ferulowy wzrostu siewek ogórka. Aktywność kwasów fenolowych należy brać pod uwagę w przypadku gleb urodzajnych, a także ubogich w związki mineralne [1].

W wielu pracach poruszany jest problem mechanizmu wpływu inhibitorów fenolowych na pobieranie jonów przez korzenie roślin wyższych. Stwierdzone jest, że miejscem ich działania są błony cytoplazmatyczne, a pod wpływem kwasów fenolowych następuje wzrost ich przepuszczalności. „Przyczyną tego może być naruszenie transmembranowego potencjału elektrochemicznego błon. Kolejna możliwość, którą bierze się pod uwagę, związana jest z aktywnością ATP-az błonowych.” [cyt. wg pozycji 1]. Związki fenolowe mają zdolność hamowania procesu oddychania i przemian metabolicznych zachodzących w mitochondriach. Ograniczają przez to syntezę ATP, które jest odpowiedzialne za sprawny transport membranowy.

Związki allelopatyczne mają istotny wpływ na zaopatrzanie się roślin w substancje mineralne. Optymalny ich poziom jest konieczny dla prawidłowego wzrostu i rozwoju rośliny°[1], [9].

5. 7. Wpływ związków allelopatycznych na proces oddychania

Wpływ związków allelopatycznych dotyczy głównie metabolizmu mitochondrialnego, a w jego obrębie przemian cyklu Krebsa i łańcucha oddechowego. „Polegają one w szczególności na rozkojarzeniu fosforylacji oksydacyjnej, obniżaniu poziomu ATP i redukcji poboru tlenu.” [cyt. wg pozycji 1]. Prowadzono badania mające na celu porównanie aktywności allelozwiązków. Porównywano wpływ związków należących do różnych klas na szybkość oddychania liścieni soi. Związkami tymi były: kwercetyna, juglon, α-pinen i kwas cynamonowy. Małe rozmiary molekuł α-pinenu i kwasu cynamonowego, umożliwiało lepsze przenikanie przez tkanki i przyspieszało uszkodzenie mitochondriów. Dysfunkcja mitochondriów powoduje zakłócenia transportu elektronów. Zaburzenia te głównie mają miejsce na szlaku cytochromowym.

Według wielu autorów chinony wykazują wysoką aktywność inhibicyjną, ponieważ już w niskich stężeniach są toksyczne. Juglon nie wywołuje zakłóceń przepływu elektronów wzdłuż cytochromów, ale wywołuje różne zmiany w przepływie na tlen. Sorgoleon natomiast blokuje przepływ elektronów pomiędzy cytochromem b a kompleksem cytochromu c₁.

Flawonoidy charakteryzują się niższą od chinonów aktywnością inhibicyjną. Ich działanie polega głównie na inhibicji syntezy ATP w mitochondriach.

Kwasy fenolowe wymagają wyższego stężenia niż flawonoidy. Zmniejszają pulę ATP i hamują pobieranie tlenu przez mitochondria. Tylko niektóre kwasy fenolowe i kumaryny działają inhibicyjnie wobec mitochondriów. Jest to zależne od rodzaju związku i rośliny.

Glikozydy również wpływają negatywnie na proces oddychania Zostało to wykazane na podstawie Ipomea tricolor w przypadku której inhibitorami była mieszanina glikozydów żywicznych będąca inhibitorem membranowej ATP-azy.

W związku z tym, że istnieje dodatnia korelacja pomiędzy procesami oddychania i wzrostu, związki wywołujące zakłócenia w procesie oddychania wpływają również ujemnie na wzrost. Poniższa tabela sporządzona na podstawie danych z tabeli „Wpływ związków allelochemicznychna pobieranie tlenu przez mitochondria izolowane z różnych gatunków roślin” [1].

Tabela 2. Przykłady związków wpływających na pobór tlenu przez mitochondria.

Nazwa związku	Rodzaj związku	Gatunek
Sorgoleon	chinon	soja, kukurydza
Kwercetyna	flawonoid	fasola złota
Naringenina	flawonoid	fasola złota
Umbeliferon	kumaryna	fasola złota
kwas ferulowy	fenol	fasola złota
kwas salicylowy	fenol	soja
kwas wanilinowy	fenol	fasola złota
Cyneol	terpenoid	owies

5. 8. Wpływ związków allelopatycznych na proces fotosyntezy

Allelozwiązki mogą wpływać na proces fotosyntezy. Jednymi z tych związków są kwasy fenolowe.

Skutkiem działania kwasu fenolowego może być obniżenie przewodności szparek, wzrost oporności dyfuzyjnej liści i redukcja fotosyntezy. Spośród kwasów fenolowych największą toksyczność wykazuje kwas salicylowy. Zakłócenia fotosyntezy mogą powodować również krótkołańcuchowe kwasy organiczne, seskwiterpenowe laktony, alkaloidy indolowe, czy flawonoidy. Natomiast „tricolorin A” wyizolowany z Ipomea tricolor jest inhibitorem w reakcji Hilla.

Artemizyna należąca do seskwiterpenowych laktonów jest wyjątkowo aktywnym inhibitorem procesu fotosyntezy, ponieważ redukuje ten proces już przy niskim stężeniu. Inny seskwiterpenowy lakton zaluzanicyna C działa w fotosystemie PS II na poziomie wydzielania tlenu.

Na podstawie badań prowadzonych na suspensji komórkowej Abutilon theophrastii wykazano, że kwasy: ferulowy, p-kumarowy, chlorogenowy i wanilinowy stosowane w niewielkim stężeniu obniżały proces o 33-65%. Oznacza to, iż hamowanie procesu w izolowanych chloroplastach zachodzi przy o wiele niższych stężeniach niż w przypadku roślin nienaruszonych. Dowodzi to o efekcie buforującym systemu jaki tworzy roślina.

Wpływ allelozwiązków na fotosyntezę polega także na zmianie aktywności chloroplastów. Szczególnie silny oddziaływanie na funkcjonowanie mitochondriów wywierają inhibitory chinonowe: sorgoleon i juglon. Sorgoleon został wykryty u sorgo (Sorghum bicolor). Już w niskich stężeniach wywoływał 50% zahamowanie wydzielania tlenu przez liście Glycine max. Juglon powstaje z toksycznego związku wydzielanego przez orzech (Juglans nigra, Juglans regia). Związek o nazwie 4-glukozyd-1,4,5-trójhydroksynaftalenu na drodze hydrolizy i utlenienia zostaje przekształcony do naftochinonu o nazwie juglon.

Inhibicja wywołana przez sorgoleon polega na blokowaniu oksydacji w fotosystemie PS II. Jednym ze efektów działania juglonu jest inhibicja wydzielania tlenu.

Jeżeli chodzi o kwasy fenolowe uważa się, że fotosynteza nie jest procesem na który szczególnie wpływają. Mają zdolność blokowania wydzielania tlenu przez chloroplasty, ale do wywołania poważnych zmian konieczne są wysokie ich stężenia.

Rośliny poddane działaniu allelozwiązków różnią się intensywnością barwy od roślin nie poddawanych tym oddziaływaniom. Dzieje się tak, ponieważ zawierają one mniej chlorofilu. Są liczne przykłady związków allelopatycznych, które wpływając na proces fotosyntezy, obniżały także zawartość chlorofilu. Sorgoleon, juglon, artemizyna oraz partenina z resztek posprzętnych Parthenium hysterophorus redukują pewną ilość chlorofilu. Efekt wywoływany przez kwas benzoesowy zależy od jego stężenia. W stężeniach niskich zwiększał ilość barwnika w liściach siewek, a w wysokich działał odwrotnie, obniżał jego zawartość. Należy jednak podkreślić, że nie wiadomo, co jest przyczyną redukcji chlorofilu, czy jest to wynikiem ograniczenia syntezy chlorofilu, czy spowodowana jest jego degradacją.

Zaburzenia procesu fotosyntezy powodowane przez allelozwiązki mogą być jednym z powodów inhibicyjnego działania na wzrost roślin [1].

5. 9. Wpływ niekorzystnych czynników środowiska na występowanie zjawiska allelopatii

Zjawisko allelopatii jest ściśle związane z występowaniem innych stresów środowiskowych. Z wielu badań wynika, że stresy te ograniczają wzrost, a także stymulują biosyntezę allelozwiązków. Tak więc, w środowisku naturalnym, o wzroście roślin decyduje stres związany ze środowiskiem życia i stres wynikający z oddziaływań allelopatycznych. Stresy środowiskowe występujące najczęściej, to: stres temperaturowy, wodny, powodowany niedoborem składników mineralnych, a także stres związany z obecnością patogenów i szkodników.

W wyniku działania więcej niż jednego czynnika stresowego, może nastąpić zwiększenie wytwarzanych metabolitów wtórnych. Syntezę związków allelopatycznych stymulować mogą warunki niedoboru składników mineralnych, chłodu, suszy, wysokiej temperatury, światło ultrafioletowe. W przypadku siewek kukurydzy rosnących w warunkach stresu wodnego nastąpił wzrost poziomu kwasów hydroksamowych DIMBOA i DIBOA. Na podstawie badań stwierdzono, że poziom tych kwasów wzrastał w przypadku żyta rosnącego na terenach o niższym poziomie nawożenia. Zawartość ich była niższa w tkankach żyta rosnącego na glebie, której poziom nawożenia był wyższy [1, 3].

Znany jest również synergizm, czyli współdziałanie stresu środowiskowego ze stresem allelopatycznym. Jako przykład można tu podać współdziałanie stresu alelopatycznego i termicznego. Efekt inhibicyjny kwasu ferulowego na wzrost siewek soi (Glycine max) i sorgo (Sorghum bicolor) był wyższy temperaturach wysokich. Wysoka temperatura zmniejszała stężenie kwasu ferulowego o polowę w porównaniu do warunków wzrostu w temperaturze optymalnej [1, 13].

Innym przykładem jest zmiana działania allelozwiązku pod wpływem czynnika środowiskowego. Obecność w glebie azotanów i związków węgla modyfikuje allelopatyczny efekt kwasu p-kumarowego. Zaobserwowano, że duża ilość azotanów w formie jonów NO₃^- podwyższała, a obecność glukozy lub metioniny obniżała stężenie kwasu, które było konieczne do inhibicji wzrostu siewek wilca (Ipomea hederacea). Zjawisko to może być jednym z mechanizmów, poprzez który różnorakie związki organiczne występujące w glebie w nietoksycznych stężeniach, mogą podwyższać toksyczność związków

allelopatycznych [1, 13].

Na podstawie wyników badań wpływu allelozwiązków z liści poładni ( Callicarpa acuminata) na pomidora (Lycopersicon esculentum) i fasolę (Phaseolus vulgaris). zaobserwowano powstanie stresu oksydacyjnego na skutek oddziaływań allelopatycznych. Stwierdzono wzrost poziomu H₂O₂ i aktywności katalazy, należącej do systemu antyoksydacyjnego. Należy jednak podkreślić, stres allelopatyczny jest związany w niewielkim stopniu z powstaniem stresu oksydacyjnego, dochodzi do sumowania efektów stresów.

W wyniku badań wpływu (-)-katechiny na wzrost i rozwój siewek chabra (Centaurea maculosa) i rzodkiewnika (Arabidopsis thaliana). Zamieranie komórek korzeni poddawanych wpływowi (-)-katechiny poprzedzało zwiększone wytwarzanie reaktywnych form tlenu (RFT). Równoczesne podanie (-)-katechiny i kwasu askorbinowego (antyoksydanta) spowodowało zablokowanie produkcji reaktywnych form tlenu (RFT) jako odpowiedź na (-)-katechinę. Poza tym, analiza ekspresji genów rzodkiewnika poddawanego wpływowi (-)-katechiny wykazała indukcję wielu genów systemu antyoksydacyjnego. Innym podobnym przypadkiem było zastosowanie wodnego wyciągu z liści słonecznika (Helinthus annuus) o zdolności hamowania kiełkowania nasion gorczycy białej (Sinapis alba). Spowodowało to zwiększenie stężenia H₂O₂ i uszkodzenia błon komórkowych, czego objawem był wzrost wycieku elektrolitów w nasionach gorczycy.

Efektem zaburzeń transportu elektronów w mitochondriach lub chloroplastach może być nadmierna redukcja ubichinonu lub plastochinonu (w zależności od organelli) i stymulować produkcję reaktywnych form tlenu, odpowiedzialnych za indukcję stresu oksydacyjnego. Sorgoleon z tkanek sorgo jest inhibitorem mitochondrialnego i fotosyntetycznego transportu elektronów, prawdopodobnie są także odpowiedzialne za zakłócenia biosyntezy karotenoidów. Związki allelopatyczne ryżu (Oryzae sativa) hamują transport elektronów w mitochondriach i chloroplastach. Allelozwiązki pyłku kukurydzy (Zea mays) powodowały zmniejszenie intensywności oddychania mitochondriów izolowanych wyizolowanych z hipokotyli arbuza. Prawdopodobnie różne związki allelopatyczne np. juglon mogą stymulować syntezę reaktywnych form tlenu. Ponadto, karotenoidy, których ilość jest redukowana w warunkach allelopatycznego stresu, pełnią funkcję antyoksydantów zapobiegających peroksydacji lipidów błonowych indukowanej przez RFT.

Nie wszystkie badane dotąd gatunki roślin w warunkach stresu allelopatycznego reagują indukowaniem stresu oksydacyjnego. W przypadku kukurydzy poddanej wpływowi związków allelopatycznych z liści poładninie nie został stwierdzony wzrost stężenia H₂O₂ ani wzrost aktywności katalazy.

„Wobec odmiennej reakcji różnych gatunków roślin na stres allelopatyczny trudne jest określenie czy istnieje jednolity mechanizm odpowiedzi roślin na obecność związków allelopatycznych.”[cyt. wg pozycji 1]

6. Metabolity wtórne

6. 1. Metody badań oddziaływań allelopatycznych

Podejmowane badania dotyczące allelopatii mają na celu stwierdzenie, skąd pochodzi związek oddziałujący na dane rośliny, bądź jaki związek jest odpowiedzialny za uzyskany efekt, udowodnienie, że został uwolniony w dostatecznej ilości i przebywał w glebie na tyle długo, aby wywołać dany efekt.

Badania allelopatii obejmują następujące etapy:

1) Obserwacje zjawiska w warunkach naturalnych.

2) Pozyskanie i wydzielenie allelozwiązku.

3) Identyfikacja związków odpowiedzialnych za zjawisko allelopatii.

4)Charakterystyka chemiczna wyodrębnionego czynnika alelopatycznego.

Badania powinny być długotrwałe i poprzedzone uważnymi obserwacjami w kilku miejscach występowania badanego zjawiska, aby właściwie odróżnić allelopatię od innych czynników. Podczas obserwacji uwaga zwracana jest na skład botaniczny roślin na danym obszarze, wskaźnik różnorodności i inne czynniki niezbędne do potwierdzenia, że to nie fizyczne współzawodnictwo o czynniki środowiskowe jest odpowiedzialne za obserwowane zjawisko.

Sposoby pobierania i testowania aktywności związków allelopatycznych są zależne od drogi wydzielania allelozwiązków do otoczenia. Szczególnie duże trudności sprawia pobieranie związków lotnych.

Pobierane ekstrakty i wydzieliny są mieszaninami wielu różnych związków. W celu przeprowadzenia odrębnej analizy każdego związku, należy rozdzielić mieszaninę. W tym celu wykorzystuje się takie metody jak ekstrakcja, chromatografia cienkowarstwowa (TLC), cieczowa (HPLC) lub gazowa dobierając odpowiednie warunki. Następnie określa się strukturę związków metodami fizykochemicznymi, jak: reakcje barwne, pomiar temperatury topnienia, spektrometrie ( masowa MS, magnetycznego rezonansu jądrowego NMR, a także w świetle UV i podczerwieni IR) [3, 30]..

Bardzo ważną częścią w każdym etapie badań jest bioanaliza, czyli określenie aktywności badanej substancji. Wskaźnikami biotestów na aktywność badanych związków jest wpływ badanych substancji na kiełkowanie nasion, wzrost i rozwój roślin, rozwój mikroorganizmów oraz biotesty z udziałem roślin wodnych.

Należy również wspomnieć o technikach przeprowadzanych biotestów, są to:

1) Eksperymenty przeprowadzane w laboratorium.

2) Eksperymenty przeprowadzane w warunkach szklarniowych.

3) Eksperymenty przeprowadzane w warunkach polowych [30].

6. 2. Charakterystyka niektórych metabolitów wtórnych

Oddziaływania allelopatyczne pomiędzy roślinami wyższymi odbywają się za pośrednictwem substancji fizjologicznie czynnych [23]. Substancje te, inaczej allelozwiązki to metabolity wtórne, terpenoidy, alkaloidy i związki fenolowe [17].

Ze względu na rodzaje oddziaływań pomiędzy organizmami metabolity wtórne wydzielane poza komórkę można podzielić na:

1. Semiometabolity - mogą być nośnikami określonych informacji; inaczej substancje informacyjne, sygnalne (np. feromony),

2. Allelometabolity - substancje czynne biologicznie w stosunku do gatunków obcych (np. czynniki konkurencyjne, narzędzia walki i obrony),

3. Autometablity - działające na gatunek, przez który został wytworzony (np. autoinhibitory wzrostu).

Funkcje metabolitów wtórnych organizmów, to:

- obrona przed konsumentem,

- atak na obiekty konsumpcji,

- walka z konkurencją do określonych zasobów,

- przywabianie,

- regulacja oddziaływań w obrębie rodziny, grupy, populacji,

- dostarczanie półproduktów (np. prekursorów feromonów),

- kształtowanie środowiska życia (siedliska).

Mechanizm działania metabolitów jest związany z przebiegiem reakcji enzymatycznych powodujących ich aktywację.

Metabolity można także podzielić następująco:

1. Pochodne cukrowców:

W zależności od aglikonu dzieli się je na:

─ pochodne sterydów (glikozydy nasercowe, sterydowe i saponiny sterydowe),

─ pochodne fenylopropenu (np. pochodne flawonu),

─glikozydy cyjanogenne,

─ glukozynolaty i olejki gorczyczne

Saponiny, to substancje związki z grupy glikozydów. W tym przypadku aglikonem jest sapogenina [3].

Najlepiej poznanymi allelozwiązkami z tej grupy są saponiny lucerny. Już wczesne prace badawcze wskazywały, że lucerna wydziela do gleby związki, przez co wzrasta jej fitotoksyczność do następujących po niej roślin. Nie podawano jednak skąd pochodziły związki. Mogły być wydzielane przez korzenie lub pochodzić z drobnych ich części pozostałych w glebie. W warunkach panujących na polu pojemność sorpcyjna gleby do saponin lucerny jest znaczna, zależy od jej składu granulometrycznego i wynosi od 0 w luźnym piasku do 78 mg/100g gleby. Jednak saponiny zaabsorbowane w kompleksie nie wpływają negatywnie na wzrost innych roślin. Koniecznym warunkiem jest ich obecność w roztworze glebowym, chociaż są tam dosyć szybko rozkładane przez mikroflorę glebową i im gleba jest cięższa tym to szybciej następuje. W glebach średnich, po dodaniu 1% suchej masy zmielonych korzeni lucerny zanik aktywności saponin nastąpiła po 3-6 dniach. W glebach lekkich aktywność saponin utrzymywała się od 10 do 14 dni. Pozostawione w glebie resztki lucerny mogą wykazywać wpływ allelopatyczny na rośliny następujące po lucernie. Jest to istotny czynnik, który należy brać pod uwagę przy uprawie roślin na terenach po 2-3 letnich lucernikach. Testy przeprowadzane z pszenicą jako rośliną testową wykazały, że wpływ saponin na kiełkowanie i juwenilny wzrost uzależniony jest od ich budowy strukturalnej.

„Najwyższą aktywność fitotoksyczną wykazywały monodesmy kwasu medikagenowego i hederageniny, występujące w korzeniach lucerny. Didesmozydy kwasu medikagenowego były dużo mniej reaktywne, a glikozyd sojasapogenolu B (sojasaponina I) nieznacznie stymulował wzrost siewek. Zdecydowanie najwyższą aktywność wykazywały kwas medikagenowy i jego monoglukozyd, które już przy stężeniu 100 ppm całkowicie hamowały rozwój korzeni siewek.” [cyt. wg pozycji 1]. Objawy fitotoksycznego działania saponin przypominały objawy typowe dla działania innych allelozwiązków. Były to: brunatnienie obszarów merystemów, skrócenie korzeni itp.

Stężenia saponin wykazujące hamujący wpływ na procesy kiełkowania i wzrostu siewek jest zbliżony do stężeń innych allelozwiązków , co oznacza, że nie są one wyjątkowo aktywne fitotoksycznie.

W zależności od tego jak zbudowane są ich cząsteczki, mogą wykazywać różne rodzaje biologicznej aktywności: zdolność do hemolizy czerwonych ciałek krwi, wykazywać aktywność przeciwwirusową, przeciwbakteryjną i przeciwgrzybową, zdolność do depolaryzacji membran komórkowych i tworzenia kompleksów ze sterolami, a także oddziaływać allelopatycznie.

Występują głównie w formie glikozydowej. Niecukrowa część cząsteczki, nazywana aglikonem lub sapogeniną jest połączona z częścią cukrową, czyli glikonem wiązanie O-glikozydowym lub estrowo-glikozydowym. Cukrowa część cząsteczki ma formę mono-, di- lub tridesmozydu, czyli jednego, dwóch lub trzech łańcuchów cukrowych. Mogą nimi być pentozy i heksozy, najczęściej spotykanymi w strukturach saponin łańcuchami cukrowymi są glukoza, galaktoza, arabinoza, ksyloza, ramnoza, kwas glukuronowy, a także rzadko spotykana w przyrodzie apioza.

Pod względem budowy chemicznej aglikony można podzielić na: sterydowe i triterpenowe. Pierwsze z nich najczęściej występują w formie furostanolowej, przyjmujące zazwyczaj formę didesmozydową lub spirostanolowej, przyjmującej zazwyczaj formę monodesmozydową.

Aglikony triterpenowe najczęściej mają budowę będącą pochodną β-amyryny (oleanany), α-amyryny (ursany) albo lupeolu (lupany).

Aglikony sterydowe i triterpenowe mogą zawierać wiele grup funkcyjnych, będących przyczyną dużego zróżnicowania strukturalnego aglikonów. Łańcuchy cukrowe mogą być przyłączone do cząsteczki w różnych miejscach aglikonu, mogą też zawierać w łańcuchu różne cząsteczki cukrowe bądź ich sekwencje, liczba możliwości jest bardzo duża. Tłumaczy to obecność nawet do kilkudziesięciu glikozydów w jednej roślinie, których budowa różnić się będą w zależności od części rośliny w której występują. Różnorodność taka ma miejsce w przypadku lucerny, u której poszczególne organy różnią się od siebie zawartością i składem chemicznym[3].

Glukozynolany należą do tioglikozydów. Posiadają charakterystyczną budowę cząsteczki, reszta glukozy jest połączona przez atom siarki z aglikonem, który może być alifatyczny lub aromatyczny. Końcówka - an określa, że związek występuje w formie anionowej, natomiast przedrostek opisuje grupę boczną, np. synigryna jest alliloglukozynolanem, a synalbina p-hydroksybenzyloglukozynolanem. Po raz pierwszy glukozynolany zostały wyizolowane z gorczycy (Synapis alba) [3].

Rośliny krzyżowe były znane od dawna ze zdolności ograniczania i hamowania kiełkowania i wzrostu roślin innych gatunków, na przykład traw. W niektórych przypadkach jest to przypisywane typowym uwarunkowaniom ekologicznym, wynikającym ze zdolności roślin krzyżowych do szybkiego wzrostu. Jednakże, badane dotychczas metabolity wtórne wytwarzane przez te rośliny wykazują właściwości allelopatyczne w warunkach naturalnych i laboratoryjnych. W doświadczeniach laboratoryjnych zaobserwowano następujące oddziaływania: hamowanie kiełkowania i ograniczanie wzrostu sałaty (Lactuca sativa), pszenicy (Triticum aestivum) i chwastnicy jednostronnej (Echinochloa crusgalii) wywoływane przez lotne substancje pochodzące ze zmiażdżonych liści różnych gatunków Brassica. Największą aktywność wykazywały związki wydzielane przez gatunek gorczycy modrej (Brassica juncea) i gorczycy czarnej (Brassica nigra). W warunkach naturalnych (polowych) stosowano zmielone pozostałości nasion gorczycy białej (Synaps alba) pozostałych po tłoczeniu oleju w uprawie kapusty. W ten sposób uzyskano 85% ograniczenie liczebności chwastów jednorocznych - tasznika (Capsella bursa-pastoris), komosy białej (Chenopodium album), a także maruny bezwonnej (Matricaria inodora). Jednak skuteczność działania tego roślinnego materiału uzależniona była od warunków atmosferycznych i glebowych, a czas działania był stosunkowo krótki, bo wynosił jedynie 2-3 tygodnie. W tym przypadku aktywność wykazują związki pochodzące z rozkładu glukozynolanów - indole i izotiocyjaniany. Spośród nich największą aktywność wykazują izotiocyjanian 2-fenyloetylowy i izotiocyjanian allilowy. Istnieją przypuszczenia, że czas działania tych lotnych produktów rozpadu glukozynolanów w naturalnych warunkach jest znacznie krótszy niż 2-3 tygodnie, jest ograniczony do kilku godzin. Przyczyną tego jest niestabilność izotiocyjanianów, które są uwalniane i szybko przekształcane do jonów tiocyjanianowych, a następnie ulegają degradacji pod wpływem mikroorganizmów glebowych. Jony te wykazują znacznie mniejszą aktywność niż izotiocyjaniany.

Prawdopodobnym jest, że rośliny krzyżowe mogą również zawierać inne związki o charakterze allelopatycznym, które mogą odpowiadać za obserwowany 2-3 tygodniowy okres negatywnego wpływu na inne rośliny [1].

2. Pochodne octanu

─ powstające przez kondensację octanu (alkany, pochodne acetylenu, poliketydy)

─ pochodne izopentenolu (hemiterpeny, monoterpeny, seskwiterpeny, diterpeny, triterpeny, tetraterpeny, mieszane pochodne izoprenolu, poliprenoidy)

Powstają w szlaku kwasu mewalonowego zachodzącego w cytoplazmie i mikrosomach lub szlaku Romera zachodzącym w chloroplastach. Mogą być związkami lotnymi o silnym zapachu. Mogą mieć charakter aldehydów, ketonów, alkoholów, a nawet węglowodorów.

Hemiterpeny zawieraja w budowie 5 atomów węgla. Jako przykład hemiterpenów można podać izopren [9].

izopren

Monoterpeny zawierają w budowie 10 atomów węgla z połączenia dwóch cząsteczek 5-węglowego izoprenu. Przykładowe monoterpeny to tujon pochodzący z szałwii lekarskiej, mentol z mięty pieprzowej oraz kamfora, geraniol, tymol, kwas geraniowy [26].

mentol
kamfora

Seskwiterpeny w budowie 15 atomów węgla. Przykładami będą tu kurkumina, artemizyna, farnezol, santonina.

Diterpeny zawierają w budowie 20 atomów węgla. Będą to np. taksol, fitol i forbo.

fitol

Sestraterpeny zawierające 25 atomów węgla, np. epiterpestacyna.

Triterpeny zawierające 30 atomów węgla, np. saponiny triterpenowe i steroidowe.

Tetraterpenoidy o 40 atomach węgla, np. karotenoidy, likopen.

Politerpeny wielowęglowe, np. kauczuk.

Najlepiej poznanymi allelozwiązkami z tej grupy są saponiny lucerny. Już wczesne prace badawcze wskazywały, że lucerna wydziela do gleby związki, przez co wzrasta jej fitotoksyczność do następujących po niej roślin. Nie podawano jednak skąd pochodziły związki. Mogły być wydzielane przez korzenie lub pochodzić z drobnych ich części pozostałych w glebie. W warunkach panujących na polu pojemność sorpcyjna gleby do saponin lucerny jest znaczna, zależy od jej składu granulometrycznego i wynosi od 0 w luźnym piasku do 78 mg/100g gleby. Jednak saponiny zaabsorbowane w kompleksie nie wpływają negatywnie na wzrost innych roślin. Koniecznym warunkiem jest ich obecność w roztworze glebowym, chociaż są tam dosyć szybko rozkładane przez mikroflorę glebową i im gleba jest cięższa tym to szybciej następuje. W glebach średnich, po dodaniu 1% suchej masy zmielonych korzeni lucerny zanik aktywności saponin nastąpiła po 3-6 dniach. W glebach lekkich aktywność saponin utrzymywała się od 10 do 14 dni. Pozostawione w glebie resztki lucerny mogą wykazywać wpływ allelopatyczny na rośliny następujące po lucernie. Jest to istotny czynnik, który należy brać pod uwagę przy uprawie roślin na terenach po 2-3 letnich lucernikach. Testy przeprowadzane z pszenicą jako rośliną testową wykazały, że wpływ saponin na kiełkowanie i juwenilny wzrost uzależniony jest od ich budowy strukturalnej [9].

„Najwyższą aktywność fitotoksyczną wykazywały monodesmy kwasu medikagenowego i hederageniny, występujące w korzeniach lucerny. Didesmozydy kwasu medikagenowego były dużo mniej reaktywne, a glikozyd sojasapogenolu B (sojasaponina I) nieznacznie stymulował wzrost siewek. Zdecydowanie najwyższą aktywność wykazywały kwas medikagenowy i jego monoglukozyd, które już przy stężeniu 100 ppm całkowicie hamowały rozwój korzeni siewek.” [cyt. wg pozycji 3]. Objawy fitotoksycznego działania saponin przypominały objawy typowe dla działania innych allelozwiązków. Były to: brunatnienie obszarów merystemów, skrócenie korzeni itp. [3].

Stężenia saponin wykazujące hamujący wpływ na procesy kiełkowania i wzrostu siewek jest zbliżony do stężeń innych allelozwiązków , co oznacza, że nie są one wyjątkowo aktywne fitotoksycznie.

W zależności od tego jak zbudowane są ich cząsteczki, mogą wykazywać różne rodzaje biologicznej aktywności: zdolność do hemolizy czerwonych ciałek krwi, wykazywać aktywność przeciwwirusową, przeciwbakteryjną i przeciwgrzybową, zdolność do depolaryzacji membran komórkowych i tworzenia kompleksów ze sterolami, a także oddziaływać allelopatycznie.

Występują głównie w formie glikozydowej. Niecukrowa część cząsteczki, nazywana aglikonem lub sapogeniną jest połączona z częścią cukrową, czyli glikonem wiązanie O-glikozydowym lub estrowo-glikozydowym. Cukrowa część cząsteczki ma formę mono-, di- lub tridesmozydu, czyli jednego, dwóch lub trzech łańcuchów cukrowych. Mogą nimi być pentozy i heksozy, najczęściej spotykanymi w strukturach saponin łańcuchami cukrowymi są glukoza, galaktoza, arabinoza, ksyloza, ramnoza, kwas glukuronowy, a także rzadko spotykana w przyrodzie apioza.

Pod względem budowy chemicznej aglikony można podzielić na: sterydowe i triterpenowe. Pierwsze z nich najczęściej występują w formie furostanolowej, przyjmujące zazwyczaj formę didesmozydową lub spirostanolowej, przyjmującej zazwyczaj formę monodesmozydową.

Aglikony triterpenowe najczęściej mają budowę będącą pochodną β-amyryny (oleanany), α-amyryny (ursany) albo lupeolu (lupany).

Aglikony sterydowe i triterpenowe mogą zawierać wiele grup funkcyjnych, będących przyczyną dużego zróżnicowania strukturalnego aglikonów. Łańcuchy cukrowe mogą być przyłączone do cząsteczki w różnych miejscach aglikonu, mogą też zawierać w łańcuchu różne cząsteczki cukrowe bądź ich sekwencje, liczba możliwości jest bardzo duża. Tłumaczy to obecność nawet do kilkudziesięciu glikozydów w jednej roślinie, których budowa różnić się będą w zależności od części rośliny w której występują. Różnorodność taka ma miejsce w przypadku lucerny, u której poszczególne organy różnią się od siebie zawartością i składem chemicznym [3, 9].

Po raz pierwszy zostały zidentyfikowane w roślinach żyta. Później wykazano ich obecność w innych zbożowych roślinach takich jak pszenica, pszenżyto i kukurydza, traw (Poaceae), w nasionach Acanthus mollis wykryto DIBOA-Glc, a w suchych korzeniach Scoparia dulcis MBOA.

Są pochodnymi 2-hydroksy-1,4-benzoksazy-3-ony

Przykładowe wzory kwasów hydroksamowych i ich pochodnych.

DIMBOA: R₁=OCH₃; R₂=R₃=OH

2,4-dihydroksy-7-metoksy-1,4-benzoksazy-3-on

DIBOA: R₁=H; R₂=R₃=OH

2,4-dihydroksy-1,4-benzoksazy-3-on

DIBOA-Glc: R₁=H; R₂=O-b-D-glukopiranozyl; R₃=OH

2-O-b-D-glukopiranozylo-4-hydroksy-1,4-benzoksazy-3-on

HMBOA: R₁=OCH₃; R₂=OH; R₃=H

2-hydroksy-7-metoksy-1,4-benzoksazy-3-on

HBOA:R₁=H; R₂=OH; R₃=H

2-hydroksy-7-metoksy-1,4-benzoksazy-3-on

D-HMBOA: R₁=OCH₃; R₂=H; R₃=H

7-metoksy-1,4-benzoksazy-3-on

D-DIMBOA: R₁=OCH₃; R₂=H; R₃=OH

4-hydroksy-7-metoksy-1,4-benzoksazy-3-on

AMBOA: R₁=OCH₃; R₂=H; R₃=OAc

4-acetoksy-7-metoksy-1,4-benzoksazy-3-on

D-HBOA R₁=R₂=R₃=H

1,4-benzoksazy-3-on

D-DIBOA: R₁=R₂=H; R₃=OH

4-hydroksy-1,4-benzoksazy-3-on

ABOA: R₁=R₂=H; R₃=OAc

4-acetoksy-1,4-benzoksazy-3-on

Rodzaj związku	Nazwa	Roślina wydzielająca
Kwasy hydroksamowe 4-hydroksy-1,4-benzoksazy-3-ony	DIBOA DIBOA-Glc DIMBOA DIMBOA-Glc DIM2BOA DIM2BOA-Glc TRIBOA	żyto, jęczmień żyto pszenica, kukurydza pszenica, kukurydza kukurydza kukurydza kukurydza
Laktamy 1,4-benzoksazy-3-ony	HBOA HBOA-Glc HMBOA HMBOA-Glc HM2BOA HM2BOA-Glc DHBOA-Glc	kukurydza kukurydza kukurydza kukurydza kukurydza kukurydza kukurydza
Pochodne metylowe 4-metoksy-1,4-benzoksazy-3-ony	HDMBOA-Glc	kukurydza
Benzoksazoliny	BOA MBOA M2BOA	Żyto kukurydza, żyto kukurydza

Tabela 3 została wykonana na podstawie danych z tabeli z pozycji [3].

Tabela 3. Kwasy hydroksamowe i ich donory [3].

Benzoksazoliny

BOA: R=H

Benzoksazy-2-on

MBOA: R=OCH

6-metoksybenzoksazy-2-on [3].

W procesie ich powstawania biorą udział między innymi kwasy o-aminobenzoesowy

i chinowy, są one wbudowywane w cykliczny pierścień benzoksazynony.

Źródłem atomów węgla jest ryboza, grupa metylowa (w DIMBOA) pochodzi z glicyny, glicerynianu, metioniny. W biosyntezie prawdopodobnie bierze również udział 1,1-dezoksy-5-fosforan.

Przemiany kwasów hydroksamowych i laktamów nie przebiegają poza komórką. Na podstawie przeprowadzanych eksperymentów na siewkach stwierdzono, że najwolniej powstaje DIMBOA, trochę szybciej DIBOA w BOA, a najszybciej przebiega przemiana HBOA w DIBOA. Za substraty służą glukozydy z laktamami najpierw utleniane, a później poddane metyzacji.

Na podstawie prowadzonych badań wykazano, że BOA, będące produktem rozkładu DIBOA, ulega dalej rozkładowi przez bakterie gramujemne Acinetobacter calcoaeticus do związku określanego jako AZOB. Ma on silniejsze działanie herbicydowe aniżeli BOA i DIMBOA.

W badaniach prowadzonych na następujących roślinach: fasola zwykła Phaseolus vulgaris, ogórek siewny (Cucumis sativus), chwastnica jednostronna (Echinochloa crus gali) i rzeżucha ogrodowa (Lepidium sativum). [3, 22].

Brak jest jednogłośności, że AZOB jest produktem rozkładu BOA., Istnieją przypuszczenia, że jest nim 2-amino-3H-fenoksazyn-3-on, przekształcany później wskutek hydrolizy mikrobiologicznej do o-aminofenolu i utleniany przy wykorzystaniu tlenu atmosferycznego do aminofenoksazynonu.

Obecność kwasów hydroksamowych i ich jakość zależna jest od fazy rozwojowej i odmiany rośliny. Na podstawie badań stwierdzono, że nie występują one w nasionach, ale już w fazie kiełkowania rozpoczyna się ich synteza. Maksymalną zawartość stwierdzono w kilkudniowych siewkach kukurydzy i pszenicy. W siewkach żyta maksimum zawartości stwierdzono w siódmego dnia od wykiełkowania, a po następnych pięciu pozostały tylko ich śladowe ilości.

W innych badaniach stwierdzono obecność kwasów nawet po trzydziestu pięciu dniach, w życie rosnącym na polu jak i w szklarni, a nawet występowanie przez cały okres wegetacyjny.

W przypadku niezróżnicowanych tkanek kalusa i stożka wzrostu produkowane są jedynie aglikony. Jednakże już po siedmiu dniach, w zróżnicowanych tkankach epitykolu przeważał DIMBOA-Glc z niewielkim udziałem aglikonu, w trzynastodniowych siewkach natomiast obecne są już tylko glikozydy. Oznacza to, że kwasy hydroksamowe przed lub po translokacji do zróżnicowanych komórek organizmu rośliny ulegają glikozylacji.

Kwasy hydroksamowe obecne są we wszystkich częściach rośliny, ale w różnych ilościach. Większe stężenie osiągają w łodygach niż w liściach, a w obrębie liścia więcej jest ich w jego części peryferyjnej niż u podstawy. Nie stwierdzono obecności kwasów w epidermie dolnej części liścia pszenicy. Nie są obecne w wiązkach naczyniowych kukurydzy, ale za to w wiązkach sitowych jest ich więcej niż w całym liściu.

Istotnym czynnikiem wpływającym na zawartość kwasów są warunki wzrostu rośliny. Zaobserwowano, że niska temperatura stymulowała syntezę kwasów hydroksylowych w korzeniach kukurydzy, a także częściach nadziemnych pszenicy. Także intensywność światła może mieć duży wpływ na tempo gromadzenia kwasów. Rośliny rosnące w warunkach słabego oświetlenia zawierały większą ilość tych związków. Decyduje o tym również czas trwania fazy świetlnej fotosyntezy. Pszenica rosnąca w warunkach dłuższej ekspozycji na światło produkowały większą ilość tych kwasów. Natomiast u kukurydzy takiego zjawiska nie zauważono.

Na zawartość kwasów mogą również wpływać stan zaopatrzenia w składniki pokarmowe.

Zaobserwowano, w przypadku niektórych roślin proces wytwarzania kwasów był determinowany wskutek nawożenia azotem lub niedoboru żelaza.

Uszkodzenia rośliny, zarówno naturalne powodowane na przykład przez owady, jak i sztuczne mogą być powodem wzrostu zawartości kwasów hydroksamowych.

Z wielu badań wynika, że potrafią hamować kiełkowanie i wzrost wielu gatunków chwastów. DIBOA oddziałuje silniej na gatunki roślin jednoliściennych, a BOA dwuliściennych. Związki te występują głównie w życie.

Kukurydza zawierająca dużo kwasów hydroksamowych wykazują podwyższoną odporność na herbicydy triazynowe, zawierające antrazynę albo simazynę. Zachodzi reakcja pomiędzy grupą karbonylową herbicydu podstawioną chlorem a nukleofilnym atomem tlenu DIMBOA. Powstaje pośredni związek z którego kwas hydroksamowy zostaje podstawiony wodą.

Dąży się obecnie do wykorzystania ich właściwości chemicznych do produkcji środków ochrony roślin. Na rynku znajduje się już herbicyd o nazwie Benzanin firmy Bayer, którego struktura została opracowana w oparciu o strukturę kwasów hydroksamowych. W celu pełnego wykorzystania właściwości kwasów konieczne jest przeprowadzenie wielu badań, zwłaszcza dotyczących ich przemian w organizmach roślinnych i glebie.

3) Aromatyczne pochodne kwasu szikimowego

Główna drogą syntezy związków aromatycznych pochodzenia roślinnego są przemiany związane z katabolizmem cukrów, prowadzące do kwasu szikimowego, a następnie do syntezy aminokwasów aromatycznych.

Schemat 1. Mechanizm syntezy aminokwasów aromatycznych drogą kwasu szikimowego [wg pozycji 9].

1. Fosfoenolopirogronian

2. Erytrozo - 4 - fosforan

3. Kwas 3 - detoksy - 7 - fosfoheptulozonowy

4. Kwas 3 - dehydrochinonowy

5. Kwas 5 - dehydroksyszikimowy

6. Kwas szikimowy

7. Kwas 3 - P - szikimowy

8. Kwas 3 - P - 5 - enolopirogronyloszikimowy

9. Kwas choryzmowy

Enzymy biorące udział w przemianach:

I Kompleks enzymów

II Synteza 3 - dehydrochinonowa (EC. 4. 2. 3. 4.)

III Dehydrataza 3 - dehydrochinonowa (EC. 4. 2. 1. 10)

IV Dehydrogenaza szikimianowa (EC. 1. 1. 1. 25.)

V Kinaza szikimianowa (EC. 2. 7. 1. 71.)

VI Transferaza 3 - fosfoszikimianylokarboksylowinylu (EC. 2. 5. 1. 19.)

VII Synteza choryzmianowa (EC. 4. 2. 3. 5.)

─ kwasy aromatyczne (fenolowe i fenylopropenowe)

Można wśród nich wyróżnić kwasy będące pochodnymi kwasu szikimowego, hydroksybenzoesowego (fenolowe), chinolinowy oraz kwasy cynamonowe (fenylopropenowe).

Kwasy fenolowe występują powszechnie w roślinach. Ich różnorodność wynika ze wielu przemian katalizowanych przez enzymy. Przykładowo kwas szikimowy przekształca się w kwas protokatechowy w wyniku utraty jednej grupy -OH, a wskutek utraty wszystkich grup -OH ze swojej struktury powstaje kwas benzoesowy, który może przechodzić w inne kwasy fenolowe.

kwas benzoesowy

kwas p-hydroksyl- kwas

benzoesowy salicylowy

kwas o-pirokatechowy kwas gentyzynowy

Schemat 2. Produkty rozkładu kwasu benzoesowego [wg pozycji 9].

Jednym z najbardziej znanych kwasów fenylopropenowych jest kwas cynamonowy. Powstaje z kwasu choryzmowego. W przypadku odłączenia od cząsteczki kwasu grupy

p-hydroksylowej powstaje kwas p-kumarowy.

Łańcuchy boczne w cząsteczkach kwasów fenylopropenowych mogą ulegać degradacji, która prowadzi do powstania kwasów fenolowych. Powstają w ten sposób m.in. kwas

p-hydroksybenzoesowy z kwasu p-kumarowego, kwas wanilinowy z ferulowego i protokatechowy z kawowego.

─ pochodne kwasów aromatycznych (fenole, kumaryny i jej związki pokrewne,

pochodne alkoholowe kwasów fenylopropenowych, związki powstałe przez skracanie

łańcucha pochodnych fenylopropenu - pochodne fenylooctanu, pochodne fenylowe z

jednowęglowym łańcuchem bocznym, pochodne fenyloalaniny i tyrozyny, pochodne

indolowe i inne).

Fenole o strukturze jednopierścieniowej powstają wskutek dekarboksylacji kwasów fenolowych, np. z kwasu salicylowego powstaje fenol.

Biosynteza kumaryn jest procesem skomplikowanym i wymagającym kilku enzymów. Są pochodnymi fenyloaleniny (aromatyczny aminokwas), synteza przebiega na szlaku kwasu szikimowego, a następnie ulega przekształceniu przez amoniakoliazę fenyloalaniny do kwasu cynamonowego, będącego pośrednim i jednocześnie kluczowym związkiem w biosyntezie fenylopropionianów. Następnie przebiega synteza m.in. takich kwasów jak o-kumarowy i synapinowy, będących pochodnymi kwasu cynamonowego, poprzez podstawienie w pierścieniu aromatycznym grup hydroksylowych i metoksylowych.

Kumaryna powstaje przez laktonizację kwasu kumarowego. Kumaryna jest związkiem ltnym powszechnie spotykanym wśród roślin. Grupą R- w pierścieniu kumaryny może być -H, -OH, -OCH₃, a także O-glu.

Kumaryny są grupą związków pochodzenia roślinnego szeroko spotykaną w świecie roślin. Według Harborne, kumaryna jest spośród nich związkiem najszerzej rozpowszechnionym, ponieważ występuje w ponad 27 rodzinach [3, 9].

─ aromatyczne związki difenylopropenowe (antocyjany, inne flawonoidy,

izoflawony).

3. Pochodne aminokwasów - alkaloidy

─ pochodne ornityny (alkaloidy tropanowe, pirolizydynowe i inne pochodne

ornityny)

─ pochodne lizyny (alkaloidy rodzajów Punica, Sedum i Lobelia, chinolizydynowe,

anabazyna, inne pochodne lizyny)

─ pochodne fenyloalaniny i tyrozyny (fenyloalkiloaminy, alkaloidy izochinolinowe,

inne pochodne fenyloalaniny i tyrozyny)

─ pochodne tryptofanu (indoliloalkiloaminy, alkaloidy indolowe, ergolinowe,

chinolinowe)

─ alkaloidy innych grup (alkaloidy i inne pochodne pirydynowe, alkaloidy pochodne

puryny) [11].

7. Allelopatia w agroekosystemach

7. 1. Allelopatia w ogrodnictwie

Zjawisko allelopatii występuje również wśród roślin uprawnych. Istnieje zasada uprawy współrzędnej mówiąca o takim dobraniu gatunków, aby konkurencja była jak najmniejsza, a pomoc jak największa.

Niestety często bywa tak, że dodatnie oddziaływania są jednostronne. Zdarza się również, że dodatnie oddziaływanie jednej spotyka się z ujemnym oddziaływaniem drugiej. Różni autorzy podają często rozbieżne zalecenia łączenia gatunków. Powodem tego są m.in. podawane inny rozstaw roślin, inne gatunki, inne terminy siania i sadzenia. Może to być również uzależnione od stanowiska i warunków klimatycznych. Zgodnie z tym mogą allelopatia może mieć znaczenie lub wręcz przeciwnie w następujących przypadkach [19].

wczesna marchew - cebula

późna marchew - por

seler - por

pomidor - pietruszka

pomidor - seler

kapusta - fasola karłowa

ogórki - koper

fasola karłowa - burak ćwikłowy - cząber ogrodowy

sałata - rzodkiewka-kalarepa

Natomiast unikać należy sąsiedztwa takich roślin:

sałata - pietruszka

koper włoski - pomidor

fasola karłowa - cebula

pomidor - groch

groch - fasola

ziemniaki - słonecznik

ziemniaki - pomidor

kapusta - gorczyca [20].

W przypadku ogrodów biologicznych stosowanie chemicznych środków do ochrony roślin jest ograniczane prawie całkowicie. Zastępuje się je poprzez prowadzenie upraw współrzędnych, które uwzględniają oddziaływanie jednego gatunku na ograniczenie lub usunięcie szkodliwego czynnika. Przykłady przedstawia poniższa tabela wykonana na podstawie danych z pozycji [20].

Tabela 4. Allelopatia w uprawach współrzędnych.

Choroba lub szkodnik	Rośliny ochronne	Skuteczne kombinacje
Bawełnica korówka, Mszyce	nasturcja, lawenda, cząber ogrodowy	- nasturcja pod drzewami owocowymi - róże i lawenda - fasola i cząber ogrodowy
Bielinek kapustnik	koper, szałwia, rozmaryn, tymianek, mięta pieprzowa, bylica, pomidory, seler	- kapusta z pomidorami - kapusta z selerem - kapusta z ziołami na brzegach zagonu
Mączniak prawdziwy	czosnek, szczypiorek	- kilka roślin czosnku pod drzewami, krzewami, truskawkami czy różami
Mrówki	lawenda, wrotycz pospolity, roszpunka	- róże z lawendą
Muchówki	bazylia, wrotycz pospolity, orzech włoski	- orzech włoski w miejscu wypoczynkowym
Myszy, karczowniki	czosnek, szachownica cesarska, wilczomlecz, ułudka ostrzeń, nostrzyk, słonecznik, narcyzy LaRiante	- nostrzyk w zasięgu korony drzewa - słoneczniki lub narcyzyna brzegach zagonów
Nicienie	aksamitka, nagietek lekarski	- wymienione rośliny jako rośliny okrywowe lub na brzegach zagonów
Pchełki ziemne	bylice piołun, mięta pieprzowa, sałata, kwitnące pędy janowca	- kapusta z sałatą - siewki ogórka i janowca
Połyśnica marchwianka	cebula, szałwia, rzeżucha	- marchew z cebulą lub rzeżuchą
Rdza porzeczkowo- Wejmutkowa	bylica piołun	- bylica piołun z porzeczką
Ślimaki	gorczyca, cebula, czosnek, nasturcja, szałwia, hyzop, tymianek	- skuteczność „względna”
Śmietka cebulanka	marchew	- cebula z marchwią
Stonka ziemniaczana	chrzan pospolity, jasnota, wrotycz pospolity, aksamitka	- intensywnie pachnące odmiany aksamitek wśród ziemniaków

7. 2. Wpływ resztek pożniwnych na kolejne uprawy

Oddziaływania allelopatyczne mają duże znaczenie w agroekosystemach, ponieważ są jednym z czynników decydujących o plonowaniu. Należy brać to pod uwagę szczególnie przy zagospodarowywaniu resztek posprzętnych. Częste jest praktykowane pozostawianie resztek na powierzchni gleby jako mulczu, w celu zabezpieczenia jej przed erozją wietrzną, wodną, zakwaszeniem, zmniejsza wahania temperatury gleby, stymuluje infiltrację wody i ogranicza ewaporację. Na polach, które zostały przykryte resztkami następuje obniżenie o 90% wypłukiwania herbicydów i zwiększenie występowania bakterii hamujących kiełkowanie nasion chwastów. Obniża to znacznie koszty upraw. Resztki roślinne mogą również stanowić źródło składników pokarmowych, poprawia właściwości fizyko-chemiczne gleby. Zdarza się jednak w wielu przypadkach, że efekt staje się odwrotny, następuje zahamowanie wzrostu i spadek plonu roślin następczych. Jest spowodowane obecnością allelozwiązków odpowiedzialnych za efekty inhibicyjne, w resztkach pożniwnych, które są uwalniane podczas ich rozkładu.

W tego typu oddziaływaniach allelopatycznych dużą rolę odgrywa mikroflora glebowa. Drobnoustroje doprowadzają do akumulacji allelozwiązków w glebie. Po uwolnieniu z resztek drobnoustroje biorące udział w procesie rozkładu syntetyzują związki allelopatyczne.

Rozwój mikroflory i akumulacja związków allelopatycznych w warunkach szklarniowych pod uprawą ogórka.

W przypadku ogórka dochodzi systematycznego obniżania plonowania z powodu wielokrotnego użytkowania tych samych podłoży, co prowadzi do jego zmęczenia. Zostały podjęte badania mające na celu wyjaśnienie dlaczego tak się dzieje. Badania były prowadzone na dwóch różnych pod względem komponentów i stopnia humifikacji podłożach. Pierwszym podłożem był 10-letni kompost z kory bukowej, a drugi mieszaniną kory sosnowej, torfu niskiego i trocin z drzew iglastych. Po trzech latach uprawy bez zmiany podłoża doszło do nagromadzenia alleloinhibitorów. Było to odczuwalne już w pierwszym roku uprawy. Przez pierwsze trzy lata charakter i nasilenie wpływu ich obecności zmieniały się w poszczególnych sezonach wegetacyjnych od 19% inhibicji do 11% stymulacji. Akumulacja inhibitorów nastąpiła w czwartym roku uprawy, inhibicja wzrosła do 44% - 48% i nie zależała od rodzaju podłoża. Nagromadzenie w podłożach alleloinhibitorów prowadzi do spadku plonu i znacznego pogorszenia jego jakości.

Podłoża stanowiły bardzo korzystne warunki środowiskowe do rozwoju mikroflory. Zawierały o wiele większą biomasę grzybów i bakterii niż gleby uprawne.

Z upływem czasu rozwój mikroflory ograniczał się stopniowo, a przy stosunkowo niskim poziomie aktywności rozwojowej następowało nasilenie akumulacji alleloinhiibitorów.

Uwalniane związki allelopatyczne pochodziły rozkładających się tkanek, ale mogły też pochodzić z eksudatów korzeniowych. Szczególnie toksyczne związki wydzielane są w fazie rozwoju generatywnego, o wiele mniejszą toksycznością charakteryzują się związki z fazy wegetatywnej. Są zróżnicowane pod względem składu chemicznego. Zawierają związki fenolowe na które ogórek jest szczególnie wrażliwy. W związku z tym można sądzić, że wysoki poziom fitotoksyczności w podłożach był powodowany również obecnością fenoli. Wskutek analizy substancji toksycznych wykazano, że ujemny wpływ allelopatyczny odpowiadają kwasy hydroksyfenolowe. Wykryto takie kwasy jak: ferulowy, p-kumarowy,

p-hydroksybenoesowy, protokatechusowy, salicylowy, salicylowy, syringinowy i wanilinowy.

Wprowadzenie do podłoża kwasów fenolowych może spowodować zwiększenie liczebności bakterii i grzybów. Kora sosnowa w podłożu była szczególnie bogata w związki fenolowe. Prawdopodobnie to jest powodem korzystnych warunków rozwoju drobnoustrojów. Wzrastającej zawartości inhibitorów pochodzących z resztek posprzętnych towarzyszyło osłabienie rozwoju mikroflory. Wynikało to zapewne z przekroczenia poziomu toksyczności tolerowanego przez drobnoustroje i ograniczało biologiczną detoksykację podłoża.

Próbowano znaleźć sposób regeneracji podłoży. Stwierdzono, że coroczne uzupełnianie podłoży o 25% masy wyjściowej hamuje akumulację inhibitorów w podłożu. Wyrównuje coroczne ubytki powstające wskutek mineralizacji podłoża i stanowi rozcieńczenie alleloinhibitorów.

Innym sposobem detoksykacji może być uprawa w następstwie papryki słodkiej.

Spowodowała całkowitą detoksykację w podłożach po uprawie ogórka, o wysokim poziomie toksyczności. Jej działanie było bardzo szybkie i radykalne. Mechanizm detoksykacji polegał na pobieraniu przez paprykę związków fenolowych i wiązanie ich z cukrami, które w formie glikozydowej ulegają akumulacji. W przypadku ogórka wraz ze wzrostem stężenia egzogennych związków fenolowych maleje aktywność fenol-β-glikozyltransferazy enzymu odpowiedzialnego za syntezę glikozydowych połączeń [1, 4].

7. 2. 1. Powstawanie związków allelopatycznych z resztek posprzętnych (pożniwnych)

W polowych uprawach zbóż głównym źródłem allelochemikaliów są rozkładające się resztki posprzętne. Rośliny zbożowe mogą być uprawiane w systemie monokulturowym jak i płodozmiennym. Uprawa w systemach monokulturowych prowadzi do zachwaszczenia, zmęczenia gleby, co prowadzi do obniżenia plonów. Przy współczesnych metodach uprawy takich jak mulczowanie i wykorzystywaniu sprzętu, na przykład kombajnu do zbioru, część masy roślinnej pozostaje na polu, a następnie ulega biodegradacji. W związku z tym istotne jest poznanie potencjału allelopatycznego tych resztek roślinnych. Mając to na celu prowadzono badania nad rozkładem resztek takich gatunków zbożowych jak pszenica, żyto i kukurydza [1, 4].

Czynnikiem, który wpływa na potencjał allelopatyczny jest wiek rośliny, jest wyższy w przypadku młodych roślin, a maleje z czasem dojrzewania. W przypadku faz rozwojowych żyta: fazy krzewienia, dojrzałości mlecznej i żniwnej, najbardziej długotrwałą i najsilniejszą toksyczność wykazywały produkty rozkładu rośliny w pierwszej fazie, w drugiej fazie powstało mniej alleloinhibitorów, a w trzeciej fazie najmniej. Alleloinhibitory nie były natomiast obecne w świeżo zebranych roślinach, powstawały dopiero w procesach mikrobiologicznej degradacji. W produktach rozkładu żyta w fazie krzewienia w porównaniu z pozostałymi fazami uwalniane było najwięcej związków fenolowych.

W przypadku kukurydzy resztki posprzętne w dawkach 2,5%, 5% i 10% poddawano degradacji w typach gleb różniących się od siebie właściwościami fizyko-chemicznymi. Przy małej ilości resztek (2,5%) nie zaobserwowano działania inhibicyjnego. Było ono wyraźne dopiero przy większych dawkach i zależało też od rodzaju gleby.

W lekkiej pylastej glinie podczas inkubacji przez pierwsze dziesięć dni potencjał allelopatyczny wynosił od 40% i 54% inhibicji. Uległ obniżeniu odpowiednio do 5% i 11% dopiero w czasie między 60 a 90 dniem.

W lekkim gliniasty piasku w ciągu pierwszych 60 dni działanie inhibicyjne było większe niż w glebie poprzedniej, wynosił 50% i 70%. Gleba ta przez kilkanaście lat znajdowała się pod uprawą monokulturową kukurydzy, co sprzyjało nasileniu efektów inhibicyjnych.

W luźnym piasku ujemne działanie allelopatyczne było najniższe. Odnotowano średnio 30% i 46% inhibicji utrzymującej się do 28 dnia rozkładu. W późniejszym czasie działanie inhibicyjne zanikało, a wzrastało działanie stymulacyjne. Przy mniejszej dawce nastąpiło to już w 60 dniu [1].

Przy większych dawkach resztek biomasa grzybów wzrosła 5-6 krotnie, a bakterii do kilkudziesięciu procent. Wzbogacenie gleby w większą masę materiału roślinnego naruszało ilościowe współzależności w rozwoju bakterii i grzybów na korzyść grzybów. Dużej przewadze grzybów w badanych glebach towarzyszył wzrost ujemnego działania allelopatycznego.

W warunkach naturalnych, efekt allelopatyczny może być widoczny w sytuacji, gdy system korzeniowy znajduje się w bliskim sąsiedztwie resztek posprzętnych. Może spowodować to silne ograniczenie wzrostu korzeni i uszkodzenia tkanek.

Ujemne efekty allelopatyczne ujawniały się dopiero od momentu rozkładu obumarłych tkanek kukurydzy.

Z miarą upływu czasu rozkładu resztek roślinnych w glebie, poziom toksyczności zmieniał się aż do jej zaniku i wykazywania działania stymulacyjnego. Tempo tych przemian zależało nie tylko od wielkości dawki resztek roślinnych, ale też od rodzaju gleby. Z badań wynika, że toksyczność zanikała szybciej w glebach lżejszych, niż cięższych. Jest to związane z lepszymi warunkami tlenowymi i słabszym potencjałem sorpcyjnym w glebach o lekkiej strukturze. Ponadto słabsze natlenienie działa stymulująco na produkcję allelochemikaliów przez drobnoustroje, a przy jego wzroście następuje degradacja tych związków. W wyniku spadku poziomu alleloinhibitorów powstałych podczas rozkładu resztek, również kwasów fenolowych, charakter ich oddziaływania zmienia się z ujemnego na dodatni - stymulujący.

Przeprowadzano również badania mające na celu porównanie potencjałów allelopatycznych gatunków roślin uprawnych. Badanymi roślinami były młode siewki pszenicy i żyta w pierwszej fazie wzrostowej. Podczas ich rozkładu poza glebą uwalniane były duże ilości związków allelopatycznych, powodujących niemalże 100% efekt inhibicyjny w bioteście. Większa ilość inhibitorów była wydzielana podczas degradacji na powierzchni.

Zaobserwowano niewielkie zróżnicowanie ilości wyzwalanych alleloinhibitorów. Podczas degradacji pszenicy wytworzyło się ich nieco mniej niż podczas degradacji żyta. Wyraźne zróżnicowanie stwierdzono podczas badania zawartości uwalnianych związków fenolowych. Około 50% więcej powstawało z resztek żyta niż z pszenicy.

Ponadto rozwój mikroflory był znacznie silniejszy przy degradacji resztek żyta niż resztek pszenicy.

Podczas rozkładu resztek roślinnych w glebie następowało silne ograniczenie potencjału allelopatycznego i osłabienie produkcji związków fenolowych. Szczególnie widoczne było to przypadku resztek żyta. Potencjał allelopatyczny był kilkakrotnie mniejszy, akumulacja związków fenolowych kilkadziesiąt razy mniejsza i wykazująca tendencję spadkową. Poza tym związki fenolowe i alleloinhibitory gromadziły się w znacznie większym stopniu w glebie z dodatkiem pszenicy. Gleba do której wprowadzano resztki roślin pochodziła z miejsc ich uprawy.

Zarówno żyto jak i pszenica zawierały podobną ilość oznaczanych we frakcji wodnej. Różniły się między sobą zawartością fenolokwasów, a także ich składem jakościowym. W przypadku pszenicy wykryto takie kwasy jak: galusowy, wanilinowy, salicylowy, ferulowy, protokatechusowy i p-hydroksybenzoesowy, a w życie: wanilinowy, galusowy,

p-hydroksybenzoesowy i bardzo małe ilości protokatechusowego.

Ilość fenoli w degradowanym materiale wzrasta do pewnego momentu po którym zaczynają zanikać. Fenole pochodzące z rozkładu pszenicy zanikały szybciej aniżeli fenole pochodzące z rozkładu żyta. Rozkład zachodzi najprawdopodobniej z udziałem drobnoustrojów.

W prowadzonych badaniach brano pod uwagę potencjał allelopatyczny takich kwasów jak: benzoesowy, salicylowy, p-hydroksybenzoesowy, p-kumarowy, galusowy, protokatechusowy, wanilinowy, syrynginowy, cynamonowy, ferulowy i mieszaniny kwasów.

Wszystkie kwasy hamowały wzrost korzeni obydwu gatunków już w niskich stężeniach. Żyto jak i pszenica wykazywały zbliżoną wrażliwość na działanie kwasów. Aktywności kwasów były raczej zbliżone. Stwierdzono, że najbardziej toksyczny już w niskich stężeniach był kwas cynamonowy, natomiast najsłabsze działanie wykazywały kwasy: galusowy, ferulowy i p-kumarowy.

Najsilniejsze działanie w porównaniu do efektów pojedynczych kwasów wykazała ich mieszanina, na którą szczególnie wrażliwa okazała się pszenica. Efekt ten dowodzi o synergicznym działaniu fenolokwasów.

Sugerowano także, że wrażliwość na alleloinhibitory działające pojedynczo lub w mieszaninie może zależeć od rodzaju związku, jego stężenia, pH roztworu, a także krzyżówek odmianowych gatunku tej samej rośliny. Od wielu lat prowadzone są badania mające na celu zidentyfikowanie substancji odpowiedzialnych za oddziaływania allelopatyczne roślin zbożowych. Podczas pierwszej takiej próby wykryto osiem kwasów fenolowych: ferulowy, ferulooctowy, 4-fenylomasłowy, p-kumarowy, o-kumarowy, wanilinowy, salicylowy i aldehyd salicylowy. Później wykryto dwa kwasy tłuszczowe w wyciągach wodnych z tkanek żyta, były to hydroksymasłowy (β-HBA) i fenylomlekowy (β-PLA). Barnes i współ. wykryli w siewkach żyta dwa kwasy hydroksamowe: DIBOA i produkt jego degradacji BOA.

Podsumowując, resztki roślinne mogą być źródłem wielu allelozwiązków powstających podczas ich rozkładu w glebie. Tempo powstawania i zanikania związków allelopatycznych zależy od ilości materiału roślinnego, typu gleby. Dynamika zmian aktywności allelopatycznej i nasilanie się działania inhibicyjne są związane z rozwojem drobnoustrojów i wzrostem biomasy grzybów. Ujemny efekt allelopatyczny wywoływany przez związki powstałe po degradacji zależy od gatunku i fazy rozwojowej rośliny [1].

8. Allelopatia w środowisku naturalnym

8.1. Rośliny pustynne.

Trudne warunki środowiskowe są powodem wykształcania u roślin mechanizmów konkurencji, w tym także allelopatii mających na celu pomoc w przetrwaniu. Dowodem na występowanie allelopatii są zjawiska powstawania stref wokół roślin, w których nie rosną rośliny jednoroczne np. Encelia farinosa rosnąca na pustyni Mohave ograniczająca wokół siebie wzrost roślin jednorocznych, przez co zapewnia sobie dostępność wilgoci w promieniu jednego metra [2, 5].

Negatywne oddziaływanie Encelia na rośliny jednoroczne np. Malacothrix, jest powodowane przez związki zawarte w wydzielinach z korzeni, lub toksyczny związek (3-acetylo-6-metoksybenzaldehyd) występujący w liściach rośliny wpływający ujemnie na inne rośliny. Ten allelozwiązek jest wytwarzany w liściach, a następnie uwalniany podczas ich rozkładu do gleby. W innych semikrzewach wykryto acetofenony o podobnej strukturze do 3-acetylo-6-metoksybenzaldehydu, co może oznaczać, że tego typu mechanizm może występować u wielu gatunków roślin. Znaleziono także dwa inne krzewy Franseria Dumasa i Thamnosma Montana o zdolnościach do syntezy rozpuszczalnych w wodzie toksyn, nie wywierających żadnego wpływu allelopatycznego na sąsiadujące rośliny jednorodne. Jednakże przy wykorzystaniu biotestów zostało wykazane, iż związki te są toksyczne w stosunku do siewek pomidora z o wiele większą siłą, niż związki Encelia. Rola tych alelozwiązków w regulacji wzrostu roślin jednorocznych na pustynnych obszarach jest złożona i także takie zjawisko jak nagromadzenie organicznych odpadów w glebie otaczającej roślinę (krzewy) mogą mieć wpływ na jego postępowanie.

Istotnym czynnikiem może być także zróżnicowana zdolność do mikroflory do detoksykacji allelozwiązków, np. aldehyd z Encelia może być odporny na rozkład w przeciwieństwie do związków pochodzących z innych krzewów.

Rośliną wydzielającą związki aktywne jest również Thamnosma. Związki te to furanokumaryny, bardzo szybko przekształcane przez mikroorganizmy.

Z kolei meksykański krzew gumodajny Parthenium argentatum jest przykładem roślinny, której wzrost jest hamowany wydzielinami pochodzącymi z korzeni, a nie z liści. Substancja wydzielana przez korzenie wywołuje autotoksyczność i jak dotąd nie zauważono, aby wywierała ujemny wpływ na inne gatunki. Zauważono, że rośliny występujące na obrzeżu pola rosły lepiej niż te w środku pomiędzy innymi. Ponadto korzenie sąsiednich roślin nie przerastały się wzajemnie tylko rosły oddzielone. Autotoksyczność Parthenium dodatkowo potwierdza fakt, że młode siewki nigdy nie rosły pod większymi ze swojego gatunku, a dobrze rosły pod koronami innych krzewów. W badaniach wykazano, że za te oddziaływania odpowiada prosty związek aromatyczny o nazwie kwas (E)-cynamonowy, który jest toksyczny dla Parthenium już w stężeniu 0,0001%, podczas gdy na rośliny pomidora wpływa dopiero w dawce 100 razy większej.

Kwas po dodaniu do gleby w doświadczeniach wazonowych skutecznie hamuje wzrost roślin. Działa on jednak krótkotrwale i aby taki efekt się utrzymał musi być wydzielany ciągle przez korzenie. Nie wiadomo, czy to zjawisko występuje również w naturalnych siedliskach Parthenium argentatum. Przypuszcza się jednak, że wzajemna inhibicja wzrostu może nie być zauważalna z tego powodu, że rośliny rosną w pewnej odległości od siebie.

8. 2. Roślinność makii kalifornijskiej.

Makia kalifornijska jest obszarem rozciągającym się wzdłuż wybrzeża południowej Kalifornii, przylegającym do obszarów naturalnych, na których nie są uprawiane użytki zielone. Charakterystyczne dla tej formacji roślinnej jest strefowe występowanie roślin zielnych wokół gęstwiny krzewów tam dominujących [2, 24, 32]. Jej odpowiednikiem jest chaparral występujący na zboczach górskich [11].

8. 2. 1.Terpenoidy

Najważniejsze krzewy należące do makii to Salvia leucophylla i Artemisia californica. Krzewy te lub ich grupy otoczone są strefą o średnicy 1-2 metry wolną od wegetacji. Za strefą występują trawy, głównie gatunki Festuca, Bromus i Avena. Zachowanie takie jest spowodowane obecnością substancji toksycznych o strukturze terpenów wydzielanych przez krzewy. Na podstawie badań stwierdzono, że za te oddziaływania nie były odpowiedzialne czynniki biologiczne.

Udział tych związków był wielokrotnie dyskutowany. Udział terpenów, głównie monoterpenów popierał fakt, że były one obecne we wszystkich fazach oddziaływania.

1. Obecne w dużych ilościach w liściach.

2. Wydzielane w sposób ciągły, wskutek czego tworzą chmurę nad krzewami.

3. Obecne w glebie wokół rośliny.

4. Pozostają w suchej glebie do momentu, gdy deszcz uaktywni mikroorganizmy odpowiedzialne za ich przekształcenia.

5. Mogą przedostawać się do komórek roślinnych przez woskowate okrywy nasion i korzeni.

6. Wywierają istotny wpływ na kiełkowanie nasion rośli jednorocznych występujących na tym obszarze.

Na podstawie poznanych terpenów wydzielanych przez krzewy stwierdzono, że są obecne one również obecne w glebie. Wykazano ich hamujące działanie na kiełkowanie i wzrost roślin. Związki wydzielane przez bylicę Salvia leucophylla o największym działaniu toksycznym to 1,8-cyneol i kamfora, a także α-pinen, β-pinen i kamfen. Podobne związki wydziela także Artemisia californica. Zawiera 1,8-cyneol i kamforę, czyli dwa najbardziej aktywne terpeny. Wydziela ona także inne lotne związki: artemizjoketon i izotujon.

Naturalnym zjawiskiem towarzyszącym tej formacji roślinnej, są pożary występujące średnio co 25 lat i niszczące całą roślinność makii. Początkowo przez pierwsze dwa lata zaczynają kiełkować nasiona ziół i traw jednorocznych. Następnie, po kolejnych 3-4 latach po pożarze zaczynają rosnąć krzewy. W czasie 6-7 lat po pożarze w wyniku działania allelopatii pojawiają się strefy nie zajmowane przez rośliny zielne. Średnio po 25 latach wybucha pożar i cały cykl powtarza się. Terpeny jako węglowodory w czasie pożaru szybko odparowują i zapalają się, wypalając przy tym także glebę. Gleba po pożarze jest pozbawiona terpenów i dzięki temu przez kilka lat mogą na niej rosnąć roślin jednoroczne. Może to trwać do czasu, aż krzewy zaczną produkować terpeny w ilościach uniemożliwiających wzrost roślin.

Lotne mono- i seskwiterpeny mogą występować w dużych stężeniach w wielu roślinach okrytonasiennych, głównie w roślinach z gatunków Rutaceae, Myrtaceae i Labiatae, a także w nagonasiennych. Prawdopodobnie mogą brać udział w oddziaływaniach allelopatycznych pomiędzy innymi roślinami, ale ich wpływ nie musi być aż tak odczuwalny. Na podstawie wielu testów wykonywanych z roślinami makii stwierdzono, że oprócz dwóch głównych gatunków inne również mogą wywierać negatywny wpływ na rośliny jednoroczne. Do roślin tych należą: Eucalyptus camaldulensis, E. globulus, Artemisia absinthium i Sassafras albidum.

Monoterpeny uczestnicza również w oddziaływaniach allelopatycznych występujących na terenie makii na Florydzie. Obserwuje się tam wpływ krzewów należących do wargowych , np. Conradina canescens, Calamintha ashei na trawy wydmowe. W liściach Calamintha canescens występują takie monoterpeny jak: 1,8-cyneol, borneol, kamfora i α-terpineol, a także duża ilość triterpenoidowego kwasu ursolowego. Monoterpeny pomimo struktury węglowodorowej dobrze rozpuszczaja się w wodzie i w przeprowadzanych testach in vitro pod wpływem wodnych roztworów nasyconych następowało całkowite zahamowanie testowych gatunków. Kwas ursolowy w oddziaływaniach allelopatycznych ułatwiał przenikanie monoterpenów do nasion.

8. 2. 2. Allelozwiązki rozpuszczalne w wodzie

Inne dwa gatunki dominujące w makii kalifornijskiej to Arctostaphylos glandulosa i Adenostoma fasciculatum. Są powszechnie występujące i wywierają wpływ allelopatyczny jak bylica. Adenostoma rośnie na zboczach wystawionych na działanie słońca. Nawet, gdy gleba jest całkowicie wystawiona na działanie słońca, a opady są wystarczające żadna roślina nie rośnie poniżej krzewów. Równocześnie na poboczach dróg rosną bujne rośliny jednoroczne. Zakładając, że jest to skutkiem oddziaływań allelopatycznych, to w tym przypadku związkami allelopatycznymi nie mogą być terpenoidy, ponieważ rośliny te nie zawierają dużych ich ilości. Związki te odpowiedzialne w tym przypadku za allelopatię rozpuszczają się w wodzie. Jedną z typowych cech klimatu panującego na tym obszarze są nadmorskie mgły i chociaż suma opadów jest niewielka to łącznie dzięki tym zjawiskom ma miejsce ciągłe osiadanie wody na liściach Adenostoma i Arctostaphylos, a następnie skapywanie na glebę. W ten sposób allelozwiązki mogą się przedostawać do gleby w wystarczających ilościach, aby zahamować kiełkowanie nasion roślin jednorocznych znajdujących się w pobliżu. Stwierdzono także, że związkami odpowiedzialnymi za inhibicje są fenole, ponieważ występują w liściach krzewów i są rozpuszczalne w wodzie. W prowadzonych badaniach zauważono różnicę pomiędzy składem fenoli wymywanych z liści, a ekstraktem z gleby. Mogło to wynikać z tego, że niektóre związki związały się na stałe z cząstkami gleby lub były metabolizowane przez mikroorganizmy i usunięte z ekosystemu.

Najsilniejszymi inhibitorami kiełkowania nasion traw i innych roślin zielnych spośród badanych związków okazały się kwasy hydroksybenzoesowy i hydroksycynamonowy, występujące w wyciekach z liści jak i w ekstraktach glebowych. Dodatkowo, kwasy w mieszaninie mogą oddziaływać synergicznie na wzrost. Przykładowo kwas p-hydroksy- benzoesowy i wanilinowy wykazują silniejsze działanie jako inhibitory kiełkowania nasion rzodkiewki i sorgo.

Na podstawie badań innych obszarów można stwierdzić, że tego typu zjawisko może występować w różnych klimatach, jeżeli tylko poziom wilgotności jest wystarczający do wymywania z liści związków organicznych. W lasach południowej Karoliny zauważono, że pod drzewami Liquidambar styraciflua i Quercus falcata zrzucającymi liście nastąpiło zahamowanie wzrostu roślin. W wyciekach Quercus falcata zidentyfikowano kwas salicylowy. Z kolei w lasach tropikalnych można zaobserwować zjawisko ograniczania rozmiarów stanowisk Grevillea robusta, z powodu autotoksycznego działania wydzielin korzeniowych.

Na zdjęciach poniżej widoczne są różne rodzaje chaparralu i jednocześnie różne etapy rozwoju roślinności oraz obszar po pożarze chaparralu [cyt. za poz. 27, 36, 37].

Fot. 1. Chaparral w Kaliforni [wg poz. 36] Fot. 2. Chaparral w Kaliforni [wg poz. 37]

Fot. 3. Chaparral w Kaliforni [wg poz. 37]

Fot.4. Obszar chaparralu w Kaliforni po pożarze [wg poz. 37]

Fot. 5. Chaparral górski [wg poz. 27]

8. 3. Rośliny inwazyjne

Człowiek kierując się korzyścią rozprzestrzeniał różne gatunki na kuli ziemskiej. Wprowadził do środowiska rośliny innych gatunków niż występujące naturalnie na danym terenie. Ponad 70% żywności na świecie jest wytwarzane z dziewięciu roślin, między innymi pszenicy, ryżu, ziemniaka, trzciny cukrowej i owsa. Niewiele gatunków z obcych na danym obszarze staje się gatunkami inwazyjnymi. Liczbę tę określa tzw. reguła dziesiątek. Według tej reguły „średnio jeden na dziesięć gatunków introdukowanych (świadomie lub przypadkowo) wymyka się spod kontroli, tylko jeden z dziesięciu takich gatunków staje się gatunkiem podlegającym naturalizacji. Z kolei, tylko jeden z dziesięciu naturalizowanych gatunków roślin może przekształcić się w gatunek inwazyjny.”[cyt. wg pozycji 15].

Istnieją jednak odstępstwa od tej reguły dotyczące roślin wprowadzanych do uprawy. Panuje opinia, że zmiany zachodzące w otoczeniu sprzyjają inwazji. Lepiej wykorzystywane są przez nie czynniki takie jak światło i dostęp do związków mineralnych aniżeli przez rośliny rodzime. Innym czynnikiem sprzyjającym inwazji jest ingerencja człowieka.

„Definicja obcego gatunku inwazyjnego, podana w 2003 r. przez Global Invasive Species Programme (GISP) mówi o tym, że jest to organizm wywołujący lub mogący wywołać szkodliwy efekt na środowisko, ekonomię i człowieka oraz którego introdukcja i/lub rozprzestrzenianie się zagraża różnorodności biologicznej.” W polskiej literaturze definiowane są podobnie, jako „nie-rodzime organizmy wywołujące lub charakteryzujące się potencjalnymi możliwościami wywołania szkód w środowisku, strat ekonomicznych lub stwarzające zagrożenie dla życia ludzkiego.” [cyt. wg pozycji 15].

Przykładem oddziaływań allelopatycznych jest występowanie roślin inwazyjnych wypierających roślinność rodzimą z danego terenu. Rośliny obcego pochodzenia zaczęły tworzyć jednogatunkowe fitocenozy na terenach, na których dotychczas nie występowały. Nasunęło to przypuszczenie, nie wynika to jedynie ze zjawiska konkurencji o zasoby środowiskowe. Najlepiej poznane rośliny uznawane za inwazyjne, uczestniczące w oddziaływaniach allelopatycznych to: Cyperus rotundus, Eltrygia repens i kilka odmian gatunku Centaurea [15, 29, 31].

W 2004 roku powstała hipoteza „nowej broni chemicznej”. Według tej hipotezy rośliny inwazyjne wytwarzają allelozwiązki o dużej toksyczności względem innych roślin i mikroorganizmów glebowych. Wiele gatunków spośród roślin inwazyjnych stanowią chwasty. W zastraszającym tempie powiększają się zajmowane przez nie obszary. W 1985 roku zajmowały już około 6,25 mln hektarów, w 1995 roku były to już 22,5 mln hektarów, a w 2002 roku 47, 5 mln hektarów.

Zjawisko rozprzestrzeniania się roślin inwazyjnych staje się obecnie poważnym problemem. Kilkanaście gatunków chwastów znajduje się na liście 100 najgroźniejszych gatunków inwazyjnych. Wśród tych gatunków znajdują się również chwasty występujące na terenie Polski między innymi takie jak wilczomlecz (Euphorbia esula) i krwawnica (Lythrum salicaria). Lista ta obejmuję także mikroorganizmy i zwierzęta.

Roślinami inwazyjnymi występujące na terenie Ameryki Północnej są rośliny z gatunku Centaurea: Centaurea diffusa i Centaurea maculosa z Eurazji. Zajęły one obszary amerykańskiej prerii, wypychając tym samym gatunki naturalnie tam występujące. Zaobserwowano negatywne oddziaływanie Centaurea diffusa na trawy północno-amerykańskie. Związkiem produkowanym przez C. diffusa, odpowiedzialnym za oddziaływania allelopatyczne jest 8-hydroksyquinolina, także o działaniu antybakteryjnym i grzybobójczym. Stężenie związku na terenach prerii trzykrotnie przewyższało jego stężenie w glebie Eurazji. Sterylizacja gleby prerii obniżała wzrost C. diffusa o wiele bardziej. Obniżała prawie dwukrotnie zawartość związków allelopatycznych w glebie Eurazji, a na terenie prerii tylko o 40%. Sugeruje to, że na terenie Eurazji allelozwiązek 8-hydroksyquinolinamoże być wykorzystywany przez mikroorganizmy jako źródło węglapowodując tym obniżenie jego stężenia i ograniczenie wpływu allelopatii na inne rośliny sąsiadujące.

Drugą rośliną inwazyjną z terenu Ameryki jest Centaurea maculosa. Przedmiotem badań prowadzonych przez niektórych naukowców było jej oddziaływanie na gatunki rodzimej trawy, która jest jednym z dominujących gatunków na terenie północno-zachodniej części Stanów Zjednoczonych. Od momentu wprowadzenia C. maculosa liczba miejsc jej występowania ciągle maleje. Udowodniono, że potencjał inwazyjny roślin jest związany z produkcją substancji o silnych właściwościach allelopatycznych, (-)-katechiny i (+)-katechiny o właściwościach antymikrobiologicznych. Zaobserwowano, że obecność niektórych roślin powodowała hamowanie wzrostu i kiełkowania innych [2, 14].

„(-)-Katechina obecna w eksudatach korzeniowych hamowała wzrost różnych testowanych roślin, zarówno chwastów (Linaria dalmatica, Verbascum thapsus, Kochia scoparia, C. diffusa), jak też roślin uprawnych (Triticum aestivum, Lycopersicon esculentum)” [cyt. wg pozycji 15].

W celu udowodnienia wpływu allelopatycznego C. maculosa na gatunki rodzime amerykańskich traw przeprowadzono badania dotyczące ekologicznego, fizjologicznego, komórkowego, biochemicznego i molekularnego poziomu organizacji biologicznej.

Odkryto, że stężenie (-)-katechiny z C.° maculosa w glebie amerykańskiej było dwa razy większe niż w glebie europejskiej, skąd pochodzi roślina.

Na podstawie badań prowadzonych nad wpływem (-)-katechiny na kiełkowanie i wzrost rodzimych amerykańskich gatunków Festuca idahoensis i Koelaria micrantha w o wiele mniejszym stopniu ulegały one wpływowi (-)-katechiny w porównaniu z gatunkami z Ameryki.

Do badań na poziomie molekularnym i biochemicznym wykorzystano A. thaliana i C. diffusa, która jest tego samego gatunku co C.° maculosa, ale odróżniające się wrażliwością na (-)-katechinę.

U roślin wrażliwych na (-)-katechinę następowała śmierć komórek wierzchołka wzrostu korzenia, wyrzut RFT i następujący i następujący po wyrzucie, ale przed śmiercią komórek wzrost poziomu jonów Ca²⁺ w cytoplazmie.

Kolejnym przykładem rośliny inwazyjnej na wschodnich terenach Ameryki jest Artemisia o wysokim potencjale allelopatycznym. W jej tkankach syntetyzowane jest wiele allelozwiązków z grupy terpenów: kamfen, kamora, α-pinen, β-pinen, cyneol. Wpływ Artemisii sięgać może także mikrobiologicznej części gleby. Za zjawisko allelopatii uznaje się również rozprzestrzenianie się w północno-wschodniej części Ameryki Północnej Lythrum salicaria. Na podstawie badań przy użyciu modelu symulacyjnego ECOTONE służącego do oceny oddziaływań allelopatycznych i warunków glebowych na rozprzestrzenianie się rośliny o nazwie Acroptilon regens, stwierdzili, że czynnikiem konkurencji w oddziaływaniach z gatunkami traw naturalnie występującymi jest jej potencjał allelopatyczny.

Przeprowadzono badania dotyczące wpływu rośliny introdukowanej o nazwie Alliaria petiolata na teren Ameryki z Europy w połowie XIX wieku. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat zaobserwowano wypieranie przez nią gatunków rodzimych.

Porównywano wpływ allelozwiązków na rośliny występujące w Europie w naturalnych ekosystemach i na rośliny dla których jest roślina inwazyjną.

W ostatnich latach na terenie Polski obserwowano rozprzestrzenianie się rośliny znanej pod nazwą parzącego barszczu Sosnowskiego (Heracleum Sosnowski), pochodzącej z Kaukazu, która w Polsce osiąga dwukrotnie większą wysokość niż w naturalnym dla niej środowisku.

Istnieje prawdopodobieństwo, że rozwój rośliny jest wynikiem konkurencji, ale nie wykluczone są jednak oddziaływania allelopatyczne, gdyż wytwarza ona kumaryny.

Została utworzona baza danych zawierająca nazwy obcych roślin, zwierząt i grzybów pod nazwą - „Gatunki introdukowane w Polsce”.

Na podstawie wyników badań dotyczących wpływu allelozwiązków na zwiększanie inwazyjności niektórych roślin, wskazuje na istotną rolę i wpływ allelopatii. „Słaby efekt allelopatyczny wywierany przez roślinę inwazyjną na jej naturalnych sąsiadów, w porównaniu z silnym wpływem tych samych związków allelopatycznych na rośliny rodzime występujące na nowo zajętych terenach, sugerują, że roślina w toku ewolucji może nabyć tolerancję na niektóre ze związków chemicznych produkowanych przez jej sąsiadów. Blisko spokrewnione gatunki mogą różnic się wrażliwością na tę sama allelopatię, jeśli pochodzą z innych kontynentów, zaś gatunki słabo spokrewnione mogą się charakteryzować podobną wrażliwością, jeśli pochodzą z tego samego regionu globu.” [cyt. wg pozycji 15].

Istnieją przypuszczenia, że adaptacje tego typu są stosunkowo krótkotrwałe i można oczekiwać szybkiej ewolucji roślinnych populacji będących pod wpływem roślin inwazyjnych. Jednak prawdopodobnie ewolucja roślin inwazyjnych nie dążyła do wzrostu konkurencyjności poprzez zwiększenie syntezy związków allelopatycznych.

Sugeruje się, że rośliny różnych gatunków zasiedlające od wieków wspólne ekosystemy, nauczyły się tolerować wydzielane przez sąsiada związki, podlegają ewolucji.

Oznaczałoby to, w wyniku koewolucji roślina inwazyjna podlegałaby negatywnym wpływom oddziaływań allelopatycznych, a allelopatia mogłaby prowadzić do stabilizacji gatunkowej.

Jednak, gdyby gatunki rodzime były wrażliwe na związki o silnym działaniu allelopatycznym, mogłoby to doprowadzić do zakłócenia porządku w ekosystemie i zwycięskiej inwazji.

W literaturze jest niewiele przykładów potwierdzających wiodącą rolę allelopatii jako decydującej o powodzeniu inwazji i nie zaprzecza również takiego jej znaczenia.

Sukces gatunków inwazyjnych wynika ze zdolności do syntezy i wydzielania związków biochemicznych na które wrażliwe są inne rośliny. ”Hipoteza „nowej broni” potwierdza koewolucję roślin pochodzących z różnych obszarów globu” [cyt. wg pozycji 2].

Callaway i Ridenour [39] wysunęli nową hipotezę na podstawie badań nad znaczeniem allelozwiązków w zasiedlaniu ekosystemów przez rośliny inwazyjne, wyjaśniającą zjawisko inwazji. „Najnowszy raport na temat najgroźniejszych gatunków inwazyjnych na Ziemi ostrzega, że gatunki inwazyjne występujące poza swoim naturalnym zasięgiem są drugim po niszczeniu naturalnych środowisk zagrożeniem dla światowej bioróżnorodności.” [cyt. wg pozycji 15].

8. 4. Sukcesja wtórna

Wpływ oddziaływań allelopatycznych na przebieg sukcesji był szczegółowo badany na nie uprawianym polu. Pierwsze stadium sukcesji obserwowanej na terenie Stanów Zjednoczonych stanowiły chwasty takie jak Sorghum halepense, palusznik krwawy, wilczomlecz Euphorbia supina, dziko rosnący słonecznik zwyczajny Helinthus annus, Ambrosia psilostachya komosa biała Chenopodium album, stokłosa japońska Bromus japonicus, przymiotno kanadyjskie Erigeron canadensis. Okres trwania pierwszego stadium wynosi około 2-3 lata. Następuje po nim stadium drugie trwające około 9-13 lat, a niekiedy ponad do 30 lat. Jest to stadium traw jednorocznych z przewagą Aristida oligantha [Fot. 6].

W trzecim stadium (subklimaks) trwającym 30-40 lat pojawiają się wieloletnie trawy darniowe z przewagą Andropogo scoparius [Fot. 7].

Fot. 6. Aristida oligantha [wg poz. 40] Fot. 7. Andropogon scoparius [wg poz. 41]

Po przeprowadzeniu badań stwierdzono, że szybkie ustępowanie roślin pierwszego stadium było spowodowane oddziaływaniami allelopatycznymi chwastów pomiędzy sobą oraz z Aristida oligantha. Wykazano, że były za to odpowiedzialne związki zawarte w wydzielinach pochodzących z korzeni słonecznika zwyczajnego i Sorghum halepense, a także wydzielane podczas gnicia ich nadziemnych organów i kłączy, hamowały kiełkowanie i wzrost innych chwastów. Związki zawarte w wydzielinach z korzeni palusznika krwawego również wykazują właściwości inhibicyjne. Wydzieliny z korzeni traw z rodzaju Ambrosia wykazywały silne działanie inhibicyjne w stosunku do pięciu z sześciu gatunków występujących z pierwszym stadium sukcesji. Przypuszcza się, że ich oddziaływania są powodem zanikania gatunków z pierwszego stadium sukcesji takich jak szarłat szorstki (Amaranthus retroflexus), przymiotno kanadyjskie, stokłosa japońska i Haplopappus ciliatus. Z kolei wydzieliny korzeniowe z wilczomlecza działałaby inhibicyjnie na wzrost moczarki kanadyjskiej (Elodea canadensis), a jego wodne wyciągi na rozwój większości z badanych roślin hodowlanych oraz stokłosy japońskiej. Jedynie palusznik krwawy hamował wzrost kiełków Aristida oligantha, co jest powodem jej nieobecności w tym stadium. Palusznik jest z kolei wypierany wskutek oddziaływania innych gatunków chwastów, co prowadzi do wkroczenia Aristida oligantha na teren wzajemnie zwalczających się roślin.

Wśród związków wydzielanych przez wilczomlecz, słonecznik, palusznik i Sorghum halepense zidentyfikowano związki fenolowe. Dzięki przeprowadzeniu badań stwierdzono, że są to kwasy takie jak: chlorogenowy, izochlorogenowy, galusowy, garbnikowe (tanina) oraz p-hydroksybenzoaldehyb. Były one odpowiedzialne za hamowanie wzrostu gatunków badanych: stokłosy japońskiej i szarłatu szorstkiego. Ze wszystkich tych związków, tylko kwas chlorogenowy wywierał wpływ na Aristida oligantha.

Stwierdzono również, że wodne wyciągi z tkanek roślin wielu gatunków występujących w pierwszych dwóch etapach sukcesji wtórnej np. Ambrosia psilostachya, Aristida oligantha, Helianthus annus, Digitaria sanguinalis, Bromus japonicus, Euphorbia supine, wykazują silne działanie inhibicyjne w stosunku do bakterii wiążących azot m.in. Rhizobium i Azotobakter. Oddziaływanie to ma znaczenie dla kształtującej się formacji roślinnej. Rośliny te mogą rosnąć na glebach ubogich w azot, więc hamując wiązanie azotu zapobiegają konkurencji roślin, dla których azot do niezbędny do rozwoju. W ten oto sposób opóźniają nadejście trzeciego stadium sukcesji wtórnej. Potwierdza to także zjawisko inhibicji wzrostu sinic, które podobnie jak wymienione wyżej bakterie maja zdolność wiązania azotu.

Andropogon scoparius charakterystyczny dla zbiorowisk klimaksowych i subklimaksowych może występować także na ubogich glebach. Dominuje w trzecim stadium sukcesji, ale można ja spotkać już w pierwszym etapie, gdy nie występują rośliny o większym zapotrzebowaniu na azot. Wyciągi z jego korzeni i pędów hamują kiełków Aristida oligantha i wielu innych chwastów [4].

9. Podsumowanie

Oddziaływania allelopatyczne pomiędzy roślinami wyższymi odgrywają istotne znaczenie zarówno w ekosystemach naturalnych, jak i w tych kształtowanych przez człowieka [1].

Oddziaływania można podzielić na wewnątrzgatunkowe cechujące się autotoksycznością

i zewnątrzgatunkowe, gdy oddziaływanie odbywa się pomiędzy gatunkami. [14].

Wpływ, jaki rośliny wywierają wzajemnie na siebie odbywa się za pośrednictwem związków allelopatycznych przez nie wydzielanych. Związkami allelopatycznymi są metabolity wtórne będące produktami pośrednimi metabolizmu roślin. Powstają na drodze przemian metabolizmu wtórnego w organizmie roślinnym, pochodzą m.in. z takich szlaków metabolicznych jak szlak kwasu szikimowego, octowego, i innych [1, 9].

Nie wszystkie metabolity wykazują potencjał allelopatyczny, również nie wszystkie wykazujące go metabolity są aktywne już od samego początku w roślinie. Często potencjał allelopatyczny objawia się dopiero po przekształceniu tych związków przez drobnoustroje[14].

Obecność związków allelopatycznych jest uzależniona głównie od fazy wzrostu, gatunku, organów roślinnych z których są wydzielane, a także warunków środowiskowych. Młode rośliny zawierają więcej allelozwiązków aniżeli roślina w późnej fazie wzrostowej. Również stres środowiskowy np. oksydacyjny, temperaturowy obniżają oporność rośliny na działanie allelozwiązków [1].

Dodatkowo stres allelopatyczny w połączeniu ze stresem środowiskowym mogą działać synergicznie. Niższe stężenie związku allelopatycznego w obecności czynnika stresowego jest wystarczające do wywołania takie samego efektu, jak w warunkach bez czynnika [1, 14].

Odziaływania allelopatyczne mogą wpływać w organizmie roślin wyższych na elongację komórek, hormony kontrolujące wzrost, przepuszczalność błon cytoplazmatycznych, enzymy roślinne i ich metabolizm, gospodarkę wodną, procesy oddychania i fotosyntezy. Tego typu

oddziaływania mogą być przyczyną nawet śmierci rośliny.

Zjawisko allelopatii można obserwować w przypadku makii kalifornijskiej lub sukcesji wtórnej przebiegającej na ugorze i w tych przypadkach nie jest już niczym zadziwiający. Coraz większy problem natomiast, zaczynają stanowić rośliny inwazyjne rozprzestrzeniające się na coraz większą skalę i zagrażające gatunkom rodzimym na danych terenach. Problem jest na tyle poważny, że gatunki inwazyjne są drugim w kolejności, po niszczeniu środowiska naturalnego zagrożeniem dla światowej bioróżnorodności [15].

Nie ustają ciągle badania nad oddziaływaniami allelopatycznymi w celu rozwiązania tego problemu, a także innych, takich jak problemy zachwaszczenia [3, 14].

10. Literatura

1. Wójcik-Wojtkowiak D., Politycka B., Weyman-Kaczmarkowa W. „Allelopatia” Wyd. AR im. A. Cieszkowskiego w Poznaniu 1998

2. Harborne J. B. „Ekologia biochemiczna”, Wyd. PWN 1997, s.275-291

3. Pod red. Oleszek W., „Biochemiczne oddziaływana środowiskowe”, s. 23-43, 151-177,199-225

4. Ostroumow S. A. „Wprowadzenie do ekologii biochemicznej” Wyd. PWN 1992, s.45-53

5. Solomon E. P., Berg L. R., Martin D. W., Ville C. A., “Biologia” MULTICO Oficyna Wydawnicza 2000, s. 1128, 1141

6.Szweykowska A., Szweykowski J., „Botanika. Systematyka” tom 2, Wyd. PWN 2005, 162 - 462

7. Pod red. Strzałko J., Mosso-Pietraszewska, „Kompendium wiedzy o ekologii” Wyd. PWN 1999

8. Falińska K. „Ekologia roślin”, Wyd. PWN 2004, s. 123-128

9. Kączkowski J., „Biochemia roślin” t. 1-2, Wyd. PWN 1987, s. 299-429

10. Pod red. Koncewicz J., Lewak S., „Fizjologia roślin” Wyd. PWN 2005, s.189-191

11. Pod red. Strzałko J. „Słownik terminów biologicznych” Wyd. UAM 2006

12. King J., „Sekretne życie roślin”, Wyd. Prószyński i S-ka 2003, s. 200-211

13. Jasicka-Misiak I., Lipok J., „Allelochemia marchwi”, Biotechnologia 3 50 (2000)

14. Gniazdowska A., Oracz K., Bogatek R., „Allelopatia - nowe interpretacje oddziaływań pomiędzy roślinami”, Kosmos 2 (263) s. 207-217. http://kosmos.icm.edu.pl/PDF/2004/207.pdf

15. Gniazdowska A., „Oddziaływania allelopatyczne - „nowa broń” roślin inwazyjnych”, Kosmos 2-3 (267-268). http://kosmos.icm.edu.pl/PDF/2005/221.pdf

16. Kołodziejak-Nieckuła E. „Allelopatia”, Wiedza i Życie 10/1994

17. Hoffman A., Zastawny J., „Allelopatia a różnorodność florystyczna użytków zielonych”, Aura 4/2004

18. Materiały wykładowe z przedmiotu „Ekologia biochemiczna” Prof. T. Trzmiel

19. Wikipedia: Allelopatia. http://pl.wikipedia.org/wiki/Allelopatia

20. Wikibooks: Ekoogrodnictwo/Płodozmian/Uprawawspółrzędna/ Zgodni sąsiedzi. http://pl.wikibooks.org/wiki/Ekoogrodnictwo/Płodozmian/Uprawawspółrzędna

21. Macias F.A., Martin D., Bastidas A.O., Varela R.S., Simonet A.M., Jpn.Soc.Biol.Sci.Space 17,18-23,2003: “Allelopathy as a new sustanainable ecosystem development”. http://www.jstage.jst.go.jp/article/bss/17/1/18/_pdf

22. Atlas roślin naczyniowych Polski, wersja 2007.01.17w. http://www.atlas-roslin.pl/skorowidz.htm

23. Allelopatia http://filo.pl/sciaga/read.php?ID_ART=773&SID=d0096c65cfa67c43f7fd642d7081b432

25. University of Hamburg, Departament of Biology, The shikimate pathway. http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/e19/26.htm

26. Maciej Panczykowski, Niezależne Forum Akademickie, Monoterpeny. http://mpancz.webpark.pl/biochterpeny.php

27. Biotic Communities of Collorado Plateau http://www.cpluhna.nau.edu/Biota/montane_scrub.htm

28. I.S.Fomsgaard, S.Mathiassen, P.Kudsk, L.M.Hansen, Danish Institute of Agricultural Sciences, 32. Presentation of the project FATEALLCHEM in English. “Exploitation of allelopathic properties of for weed control in grain production-is that an environmentally sound strategy?” Presentation of the project FATEALLCHEM in English. http://www.fateallchem.dk/default.asp?/Extern/dokumenter.asp

29. Hierro J. L., Callaway R. M., “Allelopathy and exotic plant invasion”, Plant and soil 256: 29-39, 2003 http://plantecology.dbs.umt.edu/Full%20text%20papers%20and%20abstracts/2003%20papers/PlantandSoil200329to39.pdf

30. Miss Tehmina Anjum Lecturer Departmant of Mycology & Plant Pathology University of The Punjab, “Spying Molecules. The science of allelopathy” http://www.khwarzimic.org/activities/allelopathy.pdf

31. Callaway R. M., Ridenour W. M., Laboski T., Weir T., VivancoJ. M., “Natural selection for resistance to the allelopathic effect of invasive plants”, Journal of Ecology 93, 576-583, 2005 http://plantecology.dbs.umt.edu/Full%20text%20papers%20and%20abstracts/2005%20papers/JourEcologynaturalselection2005.pdf

32. Internetowa baza danych dotycząca nomenklatury enzymów, Expasy nomenclature database http://www.expasy.org/enzyme/

33. Hermann K. M. “The shikimate pathway as an entry to aromatic secondary metabolism”, Plant Physiology (1995) 107: 7-12 http://www.plantphysiol.org/cgi/reprint/107/1/7.pdf

34. Formy komunikacji. Komunikowanie się za poocą sygnałów chemicznych. http://hal.psych.uw.edu.pl

35. Wikipedia: Synergizm http://pl.wikipedia.org/wiki/Synergizm

36. Wikipedia: Mchy http://pl.wikipedia.org/wiki/Mchy

37. Chaparral of California http://www.laspilitas.com/comhabit/California_Chaparral.html

38. Chaparral, Arizona - Sonora Desert Museum.

http://www.desertmuseum.org/desert/habitats/chap/chapgallery.html

39. Callaway R. M., Ridenour W. M., 2004, “Novel weapons: invasive success and the evolution of increased competitive ability.” http://www.msu.edu/course/plb/802/frontiers/pdfs/callaway_2004.pdf

40. Prairie Threeawn. http://www.biosurvey.ou.edu/okwild/pra3awn.html

41. Grasses & Grasslike Plants.

http://www.nps.gov/plants/pubs/chesapeake/plant/1323.htm

33

---