Beloground interactions involved in plant neighbor detection and allelochemical responses: effects and quantification of potential signaling molecules on secale cereale L.

Abstract

The urge for new sustainable weed control systems in Europe is increasing as modern herbicides have proven their limit. Alternatives using allelopathic plants as cover crops to reduce weed growth, are perceived as a compelling approach. Rye is an allelopathic crop which has been shown to produce phytotoxic defensive secondary metabolites called allelochemicals such as benzoxazinoids (BXDs). In that view, the belowground interactions between, rye (Secale cereale L.) and pigweed (Amaranthus retroflexus L.), which is a widespread weed, have been studied in this master thesis. A focus has been made on the effect of two potential belowground signaling molecules (loliolide and jasmonic acid) inducing the production of BXDs in rye. Three different aspects have been developed. Firstly, the influence of substrate characteristics on plant growth, root architecture along with BXDs composition and concentration has been analyzed. Both rye and pigweed have been cultivated, alone or in co-culture, in two different substrates: microbeads of glass and a mixture of clay and attapulgite. It has been demonstrated that both plants had greater growth in the clay and attapulgite mixture, suspected to be caused by substrate differences in particle size, water retention and/or pore space between particles. However, fewer BXDs were detected in that substrate, presumably due to the sorption capacity of clay compared to glass microbeads. These findings further support the critical importance of the physiochemical properties of soils when investigating plant morphology and plant chemistry such as allelopathy. Secondly, the physical and chemical interactions between rye and redroot pigweed along with the effect of potential signaling molecules (loliolide and jasmonic acid) on rye root architecture and allelochemicals (e.g. BXDs) production have been studied. On the one hand, rye treated with pigweed root exudates showed greater root growth for almost all root architecture parameters and lower BXDs concentrations compared to rye grown in co-culture with pigweed. It could be assumed that the physical competition between rye and pigweed when grown in co-culture might have overcome the potential effect of chemicals from root exudates. Moreover, low concentration of pigweed root exudate might have reduced the entire chemical outcome, leading to a possible hormesis effect. On the other hand, rye treated with low dose corresponding to 0.5 nM of loliolide and jasmonic acid, which has never been pursued before, showed lower root growth for all root architecture parameters as well as higher BXDs concentrations for three compounds (DHBOA-Glc, HBOA-Glc and DIMBOA). The increase of BXDs concentration motivates the hypothesis that loliolide and jasmonic acid could act as potential belowground signaling molecules inducing the production of defensive metabolites, while the root growth reduction highlights their inhibition effect. To close this master thesis, the detection and quantification of loliolide in rye root and shoot by HPLC-UV have been carried out. The method of loliolide extraction has been optimized by using fresh plants biomass and the extraction solution made of acetonitrile, water and formic acid. Loliolide could be detected in rye roots. Those results should nonetheless be further confirmed by repeating the experiment with more replicate.

La demande de nouveaux systèmes durables de lutte contre les mauvaises herbes en Europe est de plus en plus forte, les herbicides modernes ayant montré leurs limites. Les alternatives utilisant des plantes allélopathiques comme cultures de couverture, pour réduire la croissance des mauvaises herbes, sont perçues comme une approche encourageante. Le seigle est une culture allélopathique qui produirait des métabolites secondaires défensifs phytotoxiques appelés allélochimiques, tels que les benzoxazinoïdes (BXDs). Dans cette optique, les interactions souterraines entre le seigle (Secale cereale L.) et l'amarante (Amaranthus retroflexus L.), une mauvaise herbe très répandue, ont été étudiées dans ce travail de fin d’études. Une attention particulière a été portée sur l'effet de deux potentielles molécules signales souterraines (loliolide et acide jasmonique) induisant la production de BXDs dans le seigle. Trois aspects différents ont été développés. Tout d'abord, l'influence des caractéristiques d’un substrat sur la croissance des plantes, l'architecture des racines ainsi que la composition et la concentration des BXDs a été analysée. Le seigle et l'amarante ont été cultivés, seuls ou en co-culture, dans deux substrats différents : des microbilles de verre et un mélange d'argile et d'attapulgite. Il a été démontré que les deux plantes avaient une croissance plus importante dans le mélange d'argile et d'attapulgite, ce qui pourrait être dû aux différences de taille des particules du substrat, à la rétention d'eau et/ou à l'espace poreux entre les particules. Cependant, moins de BXD ont été détectés dans ce substrat, probablement en raison de la capacité de sorption de l'argile. Ces résultats confirment l'importance cruciale des propriétés physiochimiques des sols lors de l'étude de la morphologie et de la chimie des plantes, comme l'allélopathie. Deuxièmement, les interactions physiques et chimiques entre le seigle et l'amarante ainsi que l'effet de potentielles molécules signales (loliolide et acide jasmonique) sur l'architecture des racines du seigle et sur la production de substances allélochimiques, comme les BXDs, ont été étudiés. D'une part, le seigle traité avec des exsudats racinaires d'amarante a montré une plus grande croissance des racines pour presque tous les paramètres d'architecture racinaire, et des concentrations plus faibles de BXDs par rapport au seigle cultivé en co-culture avec l'amarante. Il peut être supposé que la compétition physique entre le seigle et l'amarante, en co-culture, peut avoir surmonté l'effet chimique provenant des exsudats racinaires. En outre, la faible concentration d'exsudats racinaires d'amarante a pu réduire l'ensemble des effets chimiques, ce qui a pu entraîner un effet d'hormésis. D'autre part, le seigle traité avec une faible dose correspondant à 0,5 nM de loliolide et d'acide jasmonique, ce qui n'a jamais été étudié auparavant, a montré une croissance racinaire plus faible pour tous les paramètres d'architecture racinaire ainsi que des concentrations de BXDs plus élevées pour trois composés (DHBOA-Glc, HBOA-Glc et DIMBOA). L'augmentation de la concentration en BXDs motive l'hypothèse selon laquelle le loliolide et l'acide jasmonique pourraient agir comme des molécules signales souterraines potentielles induisant la production de métabolites défensifs, tandis que la réduction de la croissance des racines met en évidence leur effet d'inhibition. Pour conclure ce travail de fin d’études, la détection et la quantification du loliolide dans les racines et les feuilles de seigle ont été réalisées par HPLC-UV. La méthode d'extraction du loliolide a été optimisée en utilisant la biomasse de plantes fraîches et la solution d'extraction composée d'acétonitrile, d'eau et d'acide formique. Le loliolide a pu être détecté dans les racines de seigle. Ces résultats devront néanmoins être confirmés en répétant l'expérience avec plus de réplicats.