FATEALLCHEM

DIAS

Udnyttelse af allelopatiske egenskaber til bekæmpelse af

ukrudt i kornproduktion -

er det en miljømæssig fornuftig strategi?

Inge S. Fomsgaard, Solvejg Mathiassen, Per Kudsk, Lars M. Hansen

FATEALLCHEM

DIAS

Allelopatiens historie

• 300 før Kristi fødsel, Theofrast:– berettede om de hæmmende virkninger af kvinoa

på lucerne

• 81 før Kristi fødsel, Plinius d. Yngre : – beskrev allelopatiske virkninger fra valnøddetræer

• 1832, De Candolle:– foreslog, at ekssudater fra planter kunne være

årsag til jordtræthed

FATEALLCHEM

DIAS

Allelopatiens historie

• 1881, Hoy og Stickney:– berettede om valnøds skadelige virkninger på

planter i nærheden

• 1907, Screiner og Reed:– isolerede organiske syrer frigjort af

planterødder, som undertrykte væksten af andre afgrøder

FATEALLCHEM

DIAS

Allelopatiens historie

• 1937, Molisch: – dannede ordet ”allelopati” fra græsk ”allelo”

og ”pati”, der betyder ”indbyrdes” og ”lidelse”

• 1966, Muller:– definerede forholdet plante-plante interaktion

som ”interferens”, der involverer både konkurrence og allelopati

FATEALLCHEM

DIAS

Allelopati - definition

• 1996, Torres et al:– Allelopati blev defineret som:

En hvilken som helst proces der involverer sekundære metabolitter (allelokemikalier), der er produceret af planter, mikroorganismer, vira, alger og svampe, som påvirker væksten og udviklingen af landbrugsbiologiske systemer

FATEALLCHEM

DIAS

Allelokemikalier

• sekundære plantemetabolitter– alkaloider– fenoler– flavonoider– terpenoider– glucosinolater– benzoxazinoner– cyanogeniske forbindelser

FATEALLCHEM

DIAS

Allelokemikalier

Reigosa et al, 1999

FATEALLCHEM

DIAS

Brug af pesticider i landbruget

Udnyttelse af allelopatiske virkninger

Isolerede naturlige stoffer

Syntetisk omdannelse af naturlige stoffer

Rent syntetiske produkter

FATEALLCHEM

DIAS

Økologisk sædskifte til kornproduktion – et eksempel

Rotation 1 Rotation 2 Rotation 3 Rotation 4

S. barleyGrass-cloverS. oatsPea/barley

S. barleyGrass-cloverW. cerealsLupin

S. barleyGrass-cloverW. wheatSugar beet

W. wheatOatsS. barleyLupin

http://www.agrsci.dk/pvj/plant/croprot/indexuk.shtml

FATEALLCHEM

DIAS

Allelokemikalier i udvalgte kornsorter• Hvede, rug og majs indeholder 4-

hydroxy-1,4-benzoxazin-3-oner (hydroxamiske syrer) som glucosider

Hvede: DIMBOA, DIBOA

Rug: DIBOA

Majs: DIMBOA. DIM2BOA

FATEALLCHEM

DIAS

Koncentrationer af DIMBOA i hvede

• Fra 1,4 til 10,9 mmol DIMBOA/kg frisk vægt i 52 chilenske sorter (unge frøplanter)

• Global monitering af 37 sorter: fra 0,99 til 8,07 mmol DIMBOA/kg frisk vægt

• Triticum speltoides: 16 mmol DIMBOA /kg frisk vægt (10 dage gamle frøplanter)

FATEALLCHEM

DIAS

Biologisk aktivitet i 4-hydroxy-1,4-benzoxazin-3-oner

• Øger resistens i kornsorter mod insekter, svampe og bakterier

• påvirker reproduktionen hos græsædende pattedyr

• påvirker ukrudtsvæksten

• er involveret i afgiftningen af pesticider

• er mutagene stoffer

FATEALLCHEM

DIAS

Biologisk aktivitet i 4-hydroxy-1,4-benzoxazin-3-oner, eksempler

• Øger resistensen i majs mod den europæiske kornborende insektlarve

• øger resistensen i kornsorter mod bladlus

• hæmmer væksten af rod og kimbladsskede i flyvehavre

FATEALLCHEM

DIAS

Molekylestruktur i 4-hydroxy-1,4-benzoxazin-3-oner

FATEALLCHEM

DIAS

Mekanisme til nedbrydning af 4-hydroxy-1,4-benzoxazin-3-oner til benzoxazolinoner,

ex. DIBOA nedbrudt til BOA

DIBOA

BOA

FATEALLCHEM

DIAS

Videre nedbrydning af benzoxazolinoner i jord

Kumar et al, 1993:

BOA 2-amino-3H-phenoxazin-3-on

Nair et al, 1990:

BOA 2,2´-oxo-1,1´-azobenzen (AZOB)

FATEALLCHEM

DIAS

Videre nedbrydning af benzoxazolinoner i jord

R = H

DIBOA-glu

BOA

AZOB

FATEALLCHEM

DIAS

Brug af rug som dækafgrøde eller grønt jorddækningsmateriale

•Barnes & Putnam, 1986

•Barnes & Putnam, 1987

•Mwaja et al, 1995

•Chase et al, 1991

•nylige forsøg i økologisk sædskifte:

•rug sås med en tæthed på 3 gange det normale, unge frøplanter pløjes ned og vintersæd sås efterfølgende

FATEALLCHEM

DIAS

Koncentrationer af DIMBOA i hvede

• Fra 1,4 til 10,9 mmol DIMBOA/kg frisk vægt i 52 chilenske sorter (unge frøplanter)

• Global monitering af 37 sorter: fra 0,99 til 8,07 mmol DIMBOA/kg frisk vægt

• Triticum speltoides: 16 mmol DIMBOA /kg frisk vægt (10 dage gamle frøplanter)

FATEALLCHEM

DIAS

Teoretiske koncentrationer af DIMBOA i jord

• 0,99-16 mmol/kg i unge frøplanter

• 400 planter pr m2

• vægt af hver frøplanter 0,25 g

• 190-3078 g DIMBOA pr hektar

• 105-1701 g AZOB pr hektar

FATEALLCHEM

DIAS

Literatursøgning

DIMBOA or DIBOA or hydroxa* or benzoxaz* or (allelo* and (wheat or rye or maize)) •2159 poster siden 1972•195 poster siden 1999

FATEALLCHEM

DIAS

FATEALLCHEM

Allelokemiske stoffers skæbne og giftighed i forhold til miljø og

forbruger

FATEALLCHEM

DIAS

Isolering og identifikation af allelokemiske stoffer fra planter Isolering og identifikation af jord metabolitter

fra allelokemiiske stoffer

• Dyrkning af hvede i 2 lande• Økonomisk evaluering

• Kvantificering af allelokemikíske stoffer i planter+jord•Interlaboratorie evauering af analyseresultater

Udvikling af analysemetode for allelokemiiske stoffer i planter og jordInterlaboratorie evaluering af analyseresultater

Herbicideffekt af jordblandet hvedeplantemateriale Insekticideffekt af hele

hvedeplanter

Herbicidvirkninger af isolerede allelokemiske stoffer

Insekticidvirkning af isolerede allelokemiske stoffer

Spiringsstudier med allelokemiske forbindelser

Nedbrydnings-studier af allelokemiske stoffer i jord

Sorptionsstudier af allelokemiske stoffer i jord

QSAR modellering af allelokemiske stoffers skæbne

Allelokemiske stoffers miljøtoksikologi for jord organismer

Allelokemiske stoffers miljøtoksikologi for vandorganismer

QSAR modellering af allelokemiske stoffers miljøtoksikologi

QSAR modellering af allelokemiske stoffers human toksikologi

WP2

WP1

WP3

WP5

WP6

WP4

FATEALLCHEM

DIAS

Forventede resultater I:

HVIS

Hvedesorter med velbeskrevne og effektive allelopatiske egenskaber mod en eller flere af de vigtigste ukrudtsarter og/eller skadedyr bliver identificeret

og

De allelokemiske stoffer har lav miljøgiftighed

FATEALLCHEM

DIAS

Expected achievements I:

SÅ er kommerciel udnyttelse af isolerede allelokemiske mulig

og/eller planteavleres udnyttelse af de identificerede hvedesorter til produktion af nye sorter til brug i både konventionelt og økologisk landbrug er mulig

og/eller udnyttelse af den opnåede viden i genteknologi er mulig

og/eller landmænds udnyttelse er mulig ved brug af kendte sorter med høje koncentrationer (afhængig af produktionsomkostninger og/eller opnåelige udbytter)

FATEALLCHEM

DIAS

Forventede resultater II:

HVIS

vurderingen af miljømæssige og menneskelige risici viser, at de allelokemiske stoffer har en risiko, der er lig med eller højere end syntetiske pesticider

Danish Institute of Agricultural Sciences, Sept 7-8, 2001

FATEALLCHEM

DIAS

Forventede resultater II:

SÅ må der anlægges nye betragtninger vedr. udnyttelsen af allelokemiske afgrøder

og/eller

planteavlere må se sig om efter sorter med lave koncentrationer

og/eller

offentlige myndigheder, der lovgiver vedr. miljø- og helbredsstandarder, må fokusere på allelokemiske stoffer

og/eller

definitioner af ”økologisk landbrug” må diskuteres

FATEALLCHEM

DIAS

Forventede resultater III:

HVIS

ingen af de afprøvede sorter har velbeskrevne og effektive allelopatiske egenskaber men nogen allelopatisk effekt, der er mindre end de syntetiske pesticiders effekt

og

risikoen over for miljø og mennesker er lav

FATEALLCHEM

DIAS

Forventede resultater III:

SÅ

kan dyrkning af sorter med de ”højeste” allelopatiske egenskaber stadig være nyttig for økologiske landmænd

og

udvikling gennem avl af nye sorter til brug i økologisk landbrug er stadig nyttig (afhængig af økonomi)

FATEALLCHEM

DIAS

Konklusion

Cheng, 1992

Toxicity?

Exposure of non-target plants and other living organisms?

Transport to ground water?

FATEALLCHEM

DIAS

Fremtidige studier

Den holistiske fremgangsmåde!