В данном исследовании сравнили влияние вторичных экзометаболитов экстрактов листьев инвазивного вида Недотроги железистой (Impatiens glandulifera) и аборигенного вида Недотроги обыкновенной (Impatiens noli-tangere) на ростовые процессы кресс-салата (Lepidium sativum) сорт Весенний. В результате эксперимента выявлено сильное ингибирующее влияние Недотроги железистой (Impatiens glandulifera) на ростовые процессы тест культуры и снизила оводненность проростков. Недотрога обыкновенная (Impatiens noli-tangere) также вызвала ингибирующее воздействие на тест-культуру, но статистически не отличалась от контрольных значений.

Ключевые слова : недотрога железистая, недотрога обыкновенная, аллелопатия, инвазивный вид, аборигенный вид.

В 1937 году австрийский исследователь Молиш ввел понятие «аллелопатия», описывающее взаимодействие растений между собой. Это явление, имеющее большое значение для физиологии растений, было определено как влияние одного растения на другое.

Аллелопатия — это взаимодействие растений посредством выделения биологически активных веществ во внешнюю среду (Гродзинский, 1965).

Аллелопатия возникает, когда один вид растений, обладающий аллелопатической активностью, выделяет различные метаболиты, создавая, таким образом, вокруг себя специфическую среду (Кондратьев и др., 2014; Rizvi et al., 1992).

Аллелохимические вещества должны непосредственно воздействовать на растение-мишень, чтобы оказывать прямой эффект. Они в основном поглощаются рецепторным растением через корни посредством активного или пассивного транспорта, а аллелохимические вещества перемещаются по ксилеме растения с массовым потоком. После поглощения аллелохимическое вещество негативно воздействует на различные физиологические процессы целевого растения (Поляк и др., 2019).

Изучение действия вторичных экзометаболитов Недотроги железистой (Impatiens glandulifera) и сравнение с действием, оказываемым аборигенным видом, может внести существенные коррективы в теорию и практику борьбы с растительными инвазиями.

Вторичные метаболиты роды недотрог известны, но малоизучены, поэтому данная область является достаточно интересной для изучения. При выделении недотрогами вторичных экзометаболитов, происходит ингибирование соседей. Известно, что аллелопатическое влияние недотрог складывается из ингибирования процесса прорастания семян растений-реципиентов, а также угнетения роста. Данное явление возникло не случайно, это делает особи недотрог более конкурентноспособными в биоценозах. Также известно, что инвазивные виды недотрог оказывают негативное воздействие на протекания процессов фотосинтеза и водного обмена, которые являются основными для растений (Гродзинский, 1992).

Больше всего вторичных экзометаболитов содержится в семенах растений. Данный фактор помогает угнетать соседние растения при прорастании семян, при этом, развиваясь самостоятельно. Также много вторичных экзометаболитов накапливается в мезофилле листьев растений, поэтому в опыте для получения экстракта мы используем листья.

Методология и методы исследования.

Объектами исследования явились инвазионный вид — недотрога железистая ( Impatiens glandulifera ) и аборигенный вид — недотрога обыкновенная ( Impatiens noli-tanger ). Предметом исследования является влияние вторичных экзометаболитов недотроги железистой ( Impatiens glandulifera ) и недотроги обыкновенной ( Impatiens noli-tanger ) на ростовые процессы тест культуры.

Приготовление экстрактов. Листья c 10 хорошо развитых растений каждого вида собрали в августе 2024 года в одном экотопе на опушке сосново-березового леса в Пушкинского района Московской области (56.0600°N 37.838459°E). Собранный материал принесли в лабораторию и промыли водопроводной водой, высушили до воздушно-сухого состояния. Далее сухие листья просеяли через сито с диаметром ячеек 2 мм, поместили в колбу на 100 мм и довели до метки дистиллированной водой. Водные экстракты с дистиллированной водой приготовили в соотношении 1:50 v\w, настаивали в темноте при комнатной температуре 24 часа. После этого отфильтровали и хранили при температуре 4℃. Для биотестирования полученный исходный экстракт концентрацией 2 % развели дистиллированной водой до 1 %. Данные концентрации экстрактов были выбраны нами не случайно. Сравнительный метод повышает уровень анализа данных биотестов, способствует обнаружению и более глубокому изучению видоспецифических модусов воздействия аллелохемиков.

Тест-культура. В качестве биоиндикатора был выбран кресс-салат ( Lepidium sativum) сорт Весенний. От других видов растений он выгодно отличается быстрым прорастанием семян, заметными морфологическими изменениями под действием стресс-факторов.

Биотесты. Биотестирование с семенами кресс-салата ( Lepidium sativum ) сорт Весенний. В стерильную чашку Петри поместили 10 семян тест-культуры по 3 аналитических повторностей в каждом варианте опыта. В каждую чашку внесли по 4 мл экстракта каждого вида. Опыт повторили дважды. Первые 3 дня прорастание семян фиксировали каждые 6 часов (72 часа), далее фиксирование прорастания осуществляли каждые 12 часов. В качестве контроля использовали аналитические повторности с дистиллированной водой.

Повторность и статистическая обработка данных . В каждом варианте опыта 3 аналитические повторности (30 семян). Опыт повторили дважды.

Полную всхожесть G _T (Germination Total) вычислили по формуле:

G _T = N _T ×100/N

Для расчета N использовали итоговое число проросших семян в контроле (N контроль) (Черняева и др., 2022).

Средневзвешенное значение периода прорастания семени Тср рассчитали по формуле А. Ф. Бухарова с соавторами (Buharov et al., 2017).

Тср = ∑ (N %n × Tn)/∑ N %, где

Tср — средневзвешенный показатель, отражающий период прорастания одного семени в часах, Tn — время в часах, начиная с момента постановки опыта, N _% n — доля проросших семян в процентах от общего числа семян в каждые отдельные часы n, Тn — число часов с момента закладки опыта, ∑ N _% — сумма ежесуточных долей проросших семян или итоговый процент проросших семян на последний день наблюдений.

Абсолютную среднюю скорость прорастания (V) в единицах семян сутки ^-1 рассчитали для временного интервала между прорастанием первого и последнего семени по формуле:

Vn = Nn /n,

где Vn — значение средней абсолютной скорости прорастания семян за период n суток, Nn _— число проросших семян за период n суток. n — число суток, за которые проросли семена (Черняева и др., 2022).

Абсолютную длину корня RL (Root Length) фиксировали в последнем наблюдении.

Статистическую обработку провели с помощью дисперсионного факторного анализа с повторными измерениями АNOVA и однофакторного анализа. Попарные сравнения выборок по одному или нескольким параметрам проводили с помощью Тьюки-теста (Tukey HSD). Данные предварительно тестировали на нормальность. Определяли среднее арифметическое и стандартную ошибку. Расчеты выполнены в программе STATISTICA 12 (StatSoft, USA).

Для определения влияния аллелохимических веществ были определены параметры, которые характеризуют рост и развитие тест-культуры: всхожесть и скорость прорастания семян, длина гипокотиля и корня проростков.

Результаты и обсуждения

Одним из легко определяемых процессов, в котором заметны нарушения является прорастание семян. При действии различных стресс факторов на растение можно увидеть ингибирование процесса прорастания.

Для определения влияния стресс факторов на нарушение процесса прорастания семян кресс-салата (Lepidium sativum ) сорт Весенний мы рассчитали полную всхожесть семян (Gт), средневзвешенное значение периода прорастания семени (Тср), абсолютную среднюю скорость прорастания (V).

Экстракты листьев Недотрог оказали сходное влияние на все показатели растения (скорость прорастания и всхожесть): в то время, как экстракт Недотроги железистой (Impatiens glandulifera) приводили к ингибированию показателей (p < 0,05 для каждого показателя, ANOVA test), воздействие экстракта Недотроги обыкновенной ( Impatiens noli-tangere ) лишь немного снижало показатели, но недостаточно для значимого отличия от контроля (p > 0,05 для каждого показателя, ANOVA test) (рис.1., рис.2.).

Рост является одним из основных параметров растений, по которому можно увидеть нарушения в физиологических показателях растения. Нарушение роста является одним из главных симптомов воздействия различных стресс-факторов, которые мы можем легко определить визуально.

Для определения влияния аллелохимических веществ были определены параметры, которые характеризуют рост кресс-салата: длины осевых органов (корня и гипокотиля) проростка.

Экстракт листьев недотроги железистой (Impatiens glandulifera) оказал достаточно сильное ингибирующее воздействие на рост и развитие корня и гипокотиля проростков (рис.3., рис.4.). Экстракт листьев недотроги обыкновенной ( Impatiens noli-tangere ) также оказал ингибирующее влияние на рост и развитие корня и гипокотиля, проявляющееся в меньшей длине органов растений, которые статистически значимы не отличались от контроля (p > 0,05).

Рассматривая полученные данные по воздействию различных концентраций аллелохимических веществ на рост и развитие кресс-салата в совокупности с литературными данными, можно сделать следующие предположения по изменению в процессах роста и развития проростков, индуцированных стресс факторами.

Корень является первым барьером на пути поступления различных веществ в растение, поэтому он больше подвержен влиянию стресс факторов (Rizvi et al., 1992; Zhu et al., 2011; Zhang et al., 2021). Исходя из полученных данных и литературных источников, можно сделать вывод о более сильном аллелопатическом воздействии интродуцента — недотроги железистой (Impatiens glandulifera), чем у аборигенного вида.

Таким образом, недотрога железистая (Impatiens glandulifera) обладает более сильной аллелопатической активностью, предположительно, выделяя большее количество вторичных экзометаболитов или выделяя большее количество веществ, угнетающих рост и развитие соседей. Данную способность недотрога железистая (Impatiens glandulifera) приобрела, вероятно, в связи с захватом новых территорий и необходимостью оказывать более сильное конкурентное воздействие.

Недотрога обыкновенная ( Impatiens noli-tangere ), являясь аборигенным видом, не обладает сильным ингибирующим влиянием на растения реципиенты, так как инвазивным видом для нашей местности не является.

Выводы

1. Экстракт листьев недотроги железистой (Impatiens glandulifera) инвазивного вида, ингибировал скорость прорастания семян на 20 %, а всхожесть теста культуры снизил на 14 %. Полученные данные статистически подтверждены.
2. Экстракт листьев недотроги обыкновенной ( Impatiens noli-tangere ), аборигенного вида, оказал меньшее аллелопатическое воздействие на тест культуру, ингибировал скорость прорастания семян на 7 %, а всхожесть теста культуры снизил на 2 %. Полученные данные статистически подтверждены.
3. Инвазивный вид -недотрога железистая (Impatiens glandulifera) оказывает более сильное ингибирующее воздействие на скорость прорастания и всхожесть теста культуры по сравнению с аборигенным видом-недотрогой обыкновенной ( Impatiens noli-tangere ). Следовательно, активность вторичных экзометаболитов недотроги железистой (Impatiens glandulifera) выше, чем у недотроги обыкновенной ( Impatiens noli-tangere ), так как инвазионному виду необходимо вторгаться в новые растительные сообщества и быть конкурентноспособным.

Литература:

1. Гродзинский А. М. Аллелопатия в жизни растений и их сообществ. Киев: Наукова думка, 1965, 200 с
2. Кондратьев М. Н., Ларикова Ю. С. Роль аллелопатии в инвазии растительных видов (обзор) // Известия ТСХА. 2018. № 2. Стр.1–10.
3. Мелехов Е. М. Принцип регуляции скорости процесса повреждения клетки и реакция защитного торможения метаболизма (РЗТМ). Журнал общей биологии. 1985. Т. 46. № 2. С. 174–189.
4. Поляк, Ю., Сухаревич, В. Аллелопатические взаимоотношения растений и микроорганизмов в почвенных экосистемах. Успехи современной биологии. 139. 2019. С. 147–160.
5. Черняева Е. В., Журавлева А. Е., Викторов В. П., Коничев В. С., Козленков Г. М. О значении хемосистематической корреляции при изучении аллелопатического потенциала аборигенных и чужеродных видов трав // Изв. Сарат. ун-та Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. № 2. 2023. С. 210–218.
6. Buharov A. F., Baleev D. N., Buharova A. R. Kinetika prorastaniya semyan. Metody issledovaniya i parametry.// Izvestiya TSKHA. 2017. Vyp.2. S. 5–19.
7. Cheng Fang, Cheng Zhihui, Research Progress on the use of Plant Allelopathy in Agriculture and the Physiological and Ecological Mechanisms of Allelopathy// Frontiers in Plant Science, 2015
8. Hiero Jose & Callaway Ragan. Allelopathy and exotic plant invasion// Plant and Soil. № 25. 2003. Pages 29–39.
9. Kalisz, S., Kivlin, S.N. & Bialic-Murphy, L. Allelopathy is pervasive in invasive plants// Biol Invasions 23. 2021. Р. 367–371.
10. Rizvi S. J., V.Rizvi Allelopathy: Basic and applied aspects, Departament of Botany and Plant physiology//Springer Science. 1992.Р. 400.
11. Schandry Niklas, Claude Becker, Allelopathic Plants: Models for Plant Allelopathy// Molecules 2010, 15, Р. 8933–8952.
12. Yeryomenko, Y. A. Allelopathic activity of invasive arboreal species. Russ J Biol Invasions 5. 2014. Р.146–150.