Ökologische Wechselwirkungen beeinflussen die Bioaktivität von Heilpflanzen

Jun 19, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12165 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ätherische Öle aus Heilpflanzen besitzen wichtige bioaktive Eigenschaften (antibakteriell, antioxidativ) von hohem Wert für die menschliche Gesellschaft. Bestäubung und Pflanzenfresser können die chemische Abwehr von Pflanzen verändern und daher die Bioaktivität ätherischer Öle beeinflussen. Die Auswirkungen ökologischer Wechselwirkungen auf die Bioaktivität von Pflanzen wurden jedoch noch nicht bewertet. Wir haben die Hypothese getestet, dass Fremdbestäubung und simulierte Pflanzenfresser die chemische Zusammensetzung ätherischer Öle verändern und so die bioaktiven Eigenschaften der Heilpflanze Lepechinia floribunda (Lamiaceae) verbessern. Durch kontrollierte Experimente haben wir gezeigt, dass ätherische Öle aus den ausgekreuzten Pflanzennachkommen eine höhere relative Häufigkeit an sauerstoffhaltigen Terpenen aufwiesen und die bakteriostatische Wirkung auf Staphylococcus aureus im Vergleich zu Inzuchtnachkommen (d. h. Nachkommen, die ohne Bestäuber produziert wurden) fast verdoppelt haben. Pflanzenfresser wirkten sich negativ bzw. positiv auf die Produktion seltener Verbindungen in Inzucht- bzw. Auskreuzungspflanzen aus, ihre Auswirkungen auf die Bioaktivität sind jedoch noch unbekannt. Wir zeigen zum ersten Mal, dass Bestäuber durch die Vermittlung von Fremdbestäubung (indirekte Ökosystemleistung) Ökosystemleistungen verbessern können, die mit der biologischen Aktivität der ätherischen Pflanzenöle verbunden sind. Wir betonen die Bedeutung der qualitativen Komponente der Bestäubung (Selbstbestäubung, Kreuzbestäubung); ein Aspekt, der bei Studien zu Bestäubungsleistungen normalerweise vernachlässigt wird.

Angiospermen sind der Kern der meisten terrestrischen wechselseitigen und antagonistischen Interaktionsnetze1. Viele Angiospermenarten gehen wechselseitige Wechselwirkungen mit Mykorrhizapilzen und Bestäubern ein, die es ihnen ermöglichen, bestimmte Bodennährstoffe zu erhalten bzw. sich geschlechtlich zu vermehren. Auf die gleiche Weise entwickeln Pflanzen auch antagonistische Wechselwirkungen mit Pflanzenfressern und schädlichen Mikroorganismen, die sich normalerweise negativ auf die Pflanzengesundheit auswirken1. Interessanterweise werden pflanzliche Interaktionen mit so unterschiedlichen Organismen wie Pilzen, Bakterien, Tieren und anderen Pflanzen durch sekundäre Metaboliten wie Terpene signalisiert, die die Hauptbestandteile der ätherischen Pflanzenöle sind1,2,3. Zu den ökologischen Funktionen von Terpenen gehören die Abwehr von Krankheitserregern und Pflanzenfressern sowie Lockstoffe und Belohnungen für nützliche Organismen wie Mykorrhizapilze und Bestäuber4,5. Da Terpene hochgradig bioaktiv sind6, werden ätherische Öle von Menschen in großem Umfang bei kulturellen Zeremonien und als medizinische, pharmazeutische, agronomische, kosmetische und Nahrungsmittelressourcen verwendet3,7,8,9. Daher stellen ätherische Öle aus Pflanzen Vorteile dar, die der Mensch von der Natur erhält (Ökosystemdienstleistungen), und ihre Bioaktivität kann durch ökologische Wechselwirkungen modelliert werden. Die Produktion und Zusammensetzung der ätherischen Pflanzenöle ist aufgrund intrinsischer und extrinsischer Faktoren sehr unterschiedlich. Pflanzen können die chemische Zusammensetzung und Häufigkeit ihrer ätherischen Öle je nach ontogenetischem und phänologischem Stadium sowie der Art des Organs (Blume, Blatt), in dem sie produziert werden, verändern10. Darüber hinaus können sowohl extrinsische abiotische Faktoren (z. B. Licht, Feuchtigkeit, Nährstoffverfügbarkeit)2,9 als auch biotische Faktoren (z. B. wechselseitige und antagonistische Wechselwirkungen) das chemische Profil der Pflanze beeinflussen2,11,12,13.

Pflanzenfresser sind eine antagonistische Interaktion, die üblicherweise als schädlich für das Ökosystem betrachtet wird, da sie den Ernteertrag verringert und die Übertragung von Krankheiten begünstigt15. Pflanzenfresser verursachen jedoch Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung von Pflanzen. Pflanzen produzieren zwei Arten chemischer Abwehrkräfte: konstitutive Abwehrkräfte sind solche, die kontinuierlich produziert werden, wohingegen induzierbare Abwehrstoffe solche sind, die nach mechanischer und/oder pflanzenfressender Schädigung entstehen6. Daher können Pflanzen nach der Pflanzenfresserei einige induzierbare Verbindungsgruppen produzieren, die ihren Schutz gegen Pflanzenfresser und von Pflanzenfressern übertragene Krankheitserreger erhöhen (induzierbare Abwehrkräfte; z. B. 16, 17). Daher kann ein gewisses Maß an Pflanzenfressern von Vorteil sein, um die biologische Aktivität ätherischer Öle gegen andere Organismen wie Insekten und Mikroben (Bioaktivität) zu erhöhen. In ähnlicher Weise kann die Bestäubungsqualität (z. B. Kreuzbestäubung vs. Selbstbestäubung) die chemischen konstitutiven und induzierbaren Abwehrkräfte der Pflanze beeinflussen, die nach Herbivorie entstehen. Die Auswirkungen der Bestäubungsqualität auf das chemische Profil von Pflanzen hängen vom Paarungssystem der Pflanze ab. Tatsächlich ist die Wahrscheinlichkeit einer Inzuchtdepression (geringere Fitness) nach der Selbstbestäubung bei vor allem auskreuzenden und gemischt paarenden Pflanzenarten höher als bei sich selbst befruchtenden Pflanzen. Es hat sich gezeigt, dass Inzuchtpflanzen (die durch Selbstbestäubung entstanden sind) eine stärkere Pflanzenfresserei und ein erhöhtes Auftreten von Krankheiten aufweisen als ausgekreuzte Pflanzen (die durch Fremdbestäubung entstanden sind)18,19. Frühere chemische Studien stützen diese Idee, da durch Selbstbefruchtung erzeugte Pflanzen eine geringere Expression konstitutiver Abwehrkräfte und eine geringere Fähigkeit zur Hochregulierung chemischer Abwehrkräfte nach einer Schädigung aufwiesen als durch Auskreuzung erzeugte Pflanzen13,20. Bemerkenswert ist, dass bei tierisch bestäubten Pflanzen die Fremdbestäubung hauptsächlich von Bestäubern durchgeführt wird, während die Selbstbestäubung sowohl durch Bestäuber (durch Bestäuber vermittelte Selbstbefruchtung) als auch ohne (autonome Selbstbefruchtung) möglich sein kann. Daher kann eine durch Bestäuber vermittelte Kreuzbestäubung die Bioaktivität ätherischer Öle verbessern. Darüber hinaus können beide Interaktionen, Bestäubung und Pflanzenfresser, synergistische Effekte auf die Pflanzenbioaktivität haben.

Aufgrund der enormen Kluft zwischen chemischen Studien zur Bioaktivität von Pflanzen und ökologischen Forschungsbereichen ist es derzeit schwierig zu wissen, wie ökologische Wechselwirkungen die bioaktiven Eigenschaften von Pflanzen beeinflussen können. Chemische Studien, die die Bioaktivität von Pflanzen testen, berücksichtigen keine ökologischen Wechselwirkungen7,8,9, während Studien, die ökologische Wechselwirkungen testen, die chemische Zusammensetzung von Pflanzen analysieren, jedoch nicht die Bioaktivität21,22. Diese Wissenslücke ist wahrscheinlich eine Folge einer ursprünglich zu stark vereinfachten Sichtweise von Ökosystemdienstleistungen (siehe aber23,24). Hier haben wir die Hypothese getestet, dass ökologische Wechselwirkungen die bioaktiven Eigenschaften der ätherischen Öle von Lepechinia floribunda (Lamiaceae), einem Heilstrauch, verbessern (Abb. 1). Wir haben die Auswirkung der Bestäubungsqualität (Selbst- und Kreuzbestäubung) und simulierter Pflanzenfresser auf die chemische Zusammensetzung, Produktion und Bioaktivität der ätherischen Öle gegen Bakterienarten getestet. Ätherische Öle von L. floribunda bestehen unter anderem aus Terpenen mit antioxidativer, antiviraler und antibakterieller Wirkung25,26,27,28. L. floribunda ist selbstkompatibel und in der Lage, sich in Abwesenheit von Bestäubern autonom selbst zu bestäuben29, sein Paarungssystem basiert jedoch größtenteils auf Auskreuzungen30. Daher ist es wahrscheinlich, dass L. floribunda bei Selbstbestäubung eine Inzuchtdepression erleidet. Daher gehen wir davon aus, dass Inzuchtnachkommen (im Folgenden „Inzuchtpflanzen“) über konstitutive chemische Abwehrkräfte mit geringerer Bioaktivität verfügen als die ausgekreuzten Nachkommen (im Folgenden „ausgekreuzte Pflanzen“). Wir erwarten auch einen synergistischen Effekt zwischen der Bestäubungsqualität und der simulierten Herbivorie, bei der Inzuchtpflanzen über induzierbare chemische Abwehrkräfte mit geringerer Bioaktivität verfügen als die ausgekreuzten Pflanzen.

Grafische Hypothese: Fremdbestäubung und Pflanzenfresser verbessern die bioaktiven Eigenschaften von Pflanzen gegenüber Mikroorganismen. Es wird erwartet, dass ausgekreuzte Pflanzennachkommen (linke Seite) höhere bioaktive ätherische Öle aufweisen als Inzuchtpflanzennachkommen (keine Bestäuber, rechte Seite). Es wird auch erwartet, dass Pflanzenfresser die Bioaktivität bei ausgekreuzten Pflanzennachkommen erhöhen, allerdings in größerem Ausmaß. Die in dieser Abbildung verwendeten Symbole stammen vom Noun Project (https://thenounproject.com).

Insgesamt wurden im ätherischen Öl von L. floribunda 25 verschiedene Terpenverbindungen gefunden (Abb. 2). Die wichtigsten Terpengruppen waren Monoterpene (mit Sauerstoff und Kohlenwasserstoff) und Sesquiterpene (mit Sauerstoff und Kohlenwasserstoff). Um die Bestäubungsqualität und die Auswirkungen simulierter Pflanzenfresser auf das Profil der Chemiepflanze zu testen, führten wir ein vollständiges zweifaktorielles Experiment mit zwei Ebenen pro Faktor durch: Bestäubungsqualität (selbst und gekreuzt) und simulierte Pflanzenfresser (mit und ohne; im Folgenden Behandlungen). Um Veränderungen zwischen den Behandlungen in der relativen Häufigkeit von Monoterpenen im Vergleich zu Sesquiterpenen zu testen, haben wir einen T-Index (ln (Häufigkeit von Monoterpenen/Häufigkeit von Sesquiterpenen)) berechnet. Der T-Index war bei allen Behandlungen negativ, was bedeutet, dass das ätherische Öl in Inzucht- und Auskreuzungspflanzen sowie mit und ohne simulierte Pflanzenfresserpflanzen eine höhere Häufigkeit von Sesquiterpenen als Monoterpenen aufwies (Abb. 3a). Um Veränderungen in der relativen Häufigkeit von Kohlenwasserstoff-Monoterpenen im Vergleich zu sauerstoffhaltigen Monoterpenen zu testen, haben wir den M-Index (ln (Häufigkeit von Kohlenwasserstoff-Monoterpenen/Häufigkeit von sauerstoffhaltigen Monoterpenen)) berechnet. Der M-Index war bei allen Behandlungen negativ, was bedeutet, dass sauerstoffhaltige Monoterpene häufiger vorkamen als Kohlenwasserstoff-Monoterpene (Abb. 3b). Um Änderungen in der relativen Häufigkeit von Kohlenwasserstoff-Sesquiterpenen im Vergleich zu sauerstoffhaltigen Sesquiterpenen zu testen, haben wir in ähnlicher Weise einen S-Index berechnet (ln (relative Häufigkeit von Kohlenwasserstoff-Sesquiterpenen/relative Häufigkeit von sauerstoffhaltigen Sesquiterpenen)). Die S-Indexwerte waren sowohl positiv als auch negativ (Abb. 3c), was darauf hinweist, dass die Häufigkeit von sauerstoffhaltigen Sesquiterpenen und Kohlenwasserstoff-Sesquiterpenen zwischen den Behandlungen unterschiedlich war (siehe detaillierte Ergebnisse unten).

Heatmap, die die relative Häufigkeit der 25 chemischen Verbindungen des ätherischen Öls von Lepechinia floribunda zeigt. Bestäubungs- und simulierte Pflanzenfresserbehandlungen, IwH: Inzuchtpflanzen ohne simulierten Pflanzenfresser, IH: Inzuchtpflanzen mit simuliertem Pflanzenfresser, OwH: ausgekreuzte Pflanzen ohne simulierten Pflanzenfresser, OH: ausgekreuzte Pflanzen mit simuliertem Pflanzenfresser. Die Verbindungen werden nach ihrer Häufigkeit des Vorkommens in den getesteten Pflanzen geordnet: Priorität (in 100 % der Pflanzen vorhanden), nicht prioritär (in weniger als 100 % und mehr als 30 % der Pflanzen vorhanden) und seltene Verbindungen (in weniger als 100 % der Pflanzen vorhanden). 30 % der Pflanzen). Die in der aufrechten Skala dargestellten Farben stellen die relative Häufigkeit von Verbindungen dar (d. h. den Prozentsatz der x-Verbindung im ätherischen Öl einer Pflanze) von mehr als null bis 60 %, und weiße Zellen zeigen das Fehlen von Verbindungen an. Jede Zeile stellt eine einzelne Pflanze dar und jede Spalte stellt eine chemische Verbindung dar (mit Buchstaben gekennzeichnet): a: Borneol, b: β-Caryophyllen, c: Aromadendren, d: α-Humulen, e: Ledol plus nicht identifizierte sauerstoffhaltige Sesquiterpenverbindung, wahrscheinlich ein Vorläufer von Ledol, f: α-Terpineol, g: Bornylacetat, h: α-Gurjunen, i: 1,8-Cineol, j: Alloaromadendren, k: α-Amorphen, l: Leden, m: α-Fernesen, n: β-Selinen, o: Nerolidol , p: Palustrol, q: Tau-Cadinol, r: α-Bulnesen, s: α-Pinen, t: Camphen, u: β-Pinen, v: β-Gurjunen, w: α-Guaien, x: γ-Cadinen, y: α-Eudesmol. Zur Erstellung dieser Heatmap wurde die R-Software (Funktion pheatmap der Bibliothek „pheatmap“, Version 4.1.2) verwendet.

Mittlere (± SD) relative Häufigkeit der vier im ätherischen Öl von Lepechinia floribunda vorhandenen Terpengruppen (Kohlenwasserstoff-Monoterpene, sauerstoffhaltige Monoterpene, Kohlenwasserstoff-Sesquiterpene und sauerstoffhaltige Sesquiterpene), ausgedrückt als Indizes. (a): T-Index = ln (relative Häufigkeit von Monoterpenen/relative Häufigkeit von Sesquiterpenen). (b): M-Index = ln (relative Häufigkeit von Kohlenwasserstoff-Monoterpenen/relative Häufigkeit von sauerstoffhaltigen Monoterpenen) und c: S-Index = ln (relative Häufigkeit von Kohlenwasserstoff-Sesquiterpenen/relative Häufigkeit von sauerstoffhaltigen Sesquiterpenen). Abkürzungen: OP-Auskreuzungspflanzen, IP-Inzuchtpflanzen. Simulierter Pflanzenfresser (rot), ohne simulierter Pflanzenfresser (blau).

Bestäubung, simulierte Pflanzenfresser und die Wechselwirkung zwischen diesen Faktoren hatten keinen signifikanten Einfluss auf das Verhältnis zwischen Monoterpenen und Sesquiterpenen, T-Index (Abb. 3a, Tabelle 1). Die Bestäubung wirkte sich erheblich auf die Häufigkeit innerhalb der Monoterpengruppe aus: Ausgekreuzte Pflanzen wiesen eine höhere relative Häufigkeit sauerstoffhaltiger Monoterpene auf als Inzuchtpflanzen, was durch den höheren negativen Wert des M-Index belegt wird (Abb. 3b, Tabelle 1). Die Bestäubung beeinflusste auch die Häufigkeit innerhalb der Sesquiterpengruppe erheblich, wobei ausgekreuzte Pflanzen eine höhere relative Häufigkeit an sauerstoffhaltigen Sesquiterpenen als an Kohlenwasserstoff-Sesquiterpenen aufwiesen (S-Index negativ). Im Gegensatz dazu wiesen Inzuchtpflanzen eine ähnliche relative Häufigkeit beider Arten von Sesquiterpenen auf (S-Index nahe Null; Abb. 3c, Tabelle 1). Diese interessanten Ergebnisse zeigen, dass ausgekreuzte Pflanzen im Vergleich zu Inzuchtpflanzen insgesamt eine größere Menge an sauerstoffhaltigen als Kohlenwasserstoffverbindungen produzierten. Simulierte Pflanzenfresser und simulierte Pflanzenfresser*Bestäubungsinteraktionen hatten keinen signifikanten Einfluss auf die relative Häufigkeit von sauerstoffhaltigen und Kohlenwasserstoff-Monoterpenen (Abb. 3b) und auch nicht auf die relative Häufigkeit von sauerstoffhaltigen und Kohlenwasserstoff-Sesquiterpenen (Abb. 3c; Tabelle 1). Bestäubung, simulierte Pflanzenfresser und ihre Interaktion hatten keinen signifikanten Einfluss auf den Ertrag an ätherischen Ölen (durchschnittlicher Ölertrag ± SD: 0,17 ± 0,09 ml ätherisches Öl pro 100 g frische Biomasse; Tabelle 1).

Im Allgemeinen waren 1,8-Cineol und Borneol die am häufigsten vorkommenden Monoterpene, gefolgt von α-Terpineol und Bornylacetat. Unter den Sesquiterpenen waren β-Caryophyllen und SL (Ledol + ein nicht identifiziertes sauerstoffhaltiges Sesquiterpen, wahrscheinlich ein Isomer von Ledol) am häufigsten. Die relative Häufigkeit jeder Verbindung im ätherischen Öl pro Pflanze, dh der Prozentsatz von z-Verbindung im ätherischen Öl einer Pflanze, ist in Abb. 2 dargestellt. Darüber hinaus zeigt die Liste die mittlere (± SD) relative Häufigkeit der Verbindungen Pro Behandlung ist die Identität der Verbindungen (sauerstoffhaltig und Kohlenwasserstoffe) und ob es sich um vorrangige, nicht vorrangige und seltene Verbindungen handelt, in der Ergänzungstabelle S1 aufgeführt. In Abb. 2 und Tabelle S1 ist deutlich zu erkennen, dass sich die qualitative Zusammensetzung (Anwesenheit, Abwesenheit von Verbindungen) des ätherischen Öls zwischen den Bestäubungsbehandlungen nicht unterschied, d. h. Inzucht- und Auskreuzungspflanzen teilten 100 % der chemischen Verbindungen. Nach simulierter Pflanzenfresserproduktion produzierten ausgekreuzte Pflanzen jedoch kein α-Amorphen (nicht prioritäre Verbindung) und Inzuchtpflanzen produzierten kein α-Eudesmol (seltene Verbindung, Abb. 2; Ergänzungstabelle S1).

Von den 25 Verbindungen, die im ätherischen Öl von L. floribunda gefunden wurden, waren fünf vorrangige Verbindungen, die in allen analysierten Pflanzen vorhanden waren: Borneol, β-Caryophyllen, Aromadendren, α-Humulen und SL. Dreizehn davon waren nicht prioritäre Verbindungen (in 30 % bis <100 % der Pflanzen vorhanden) und sieben waren seltene Verbindungen (in <30 % der Pflanzen vorhanden, Abb. 2; Ergänzungstabelle S1). Um die relative Häufigkeit jeder Prioritätsverbindung unter den Behandlungen zu testen, haben wir zunächst das folgende Verhältnis pro Pflanze ermittelt: ln (relative Häufigkeit der z-Prioritätsverbindung/mittlere relative Häufigkeit aller Prioritätsverbindungen in der Pflanze). Um die relative Häufigkeit jeder nicht-prioritären Verbindung pro Pflanze zu testen, haben wir in ähnlicher Weise das folgende Verhältnis erhalten: ln (relative Häufigkeit von × nicht-prioritärer Verbindung/mittlere relative Häufigkeit aller nicht-prioritären Verbindungen in der Pflanze). Die relative Häufigkeit der fünf vorrangigen Verbindungen unterschied sich nicht zwischen Bestäubung und simulierten Pflanzenfresserbehandlungen (Tabelle 2), die relative Häufigkeit einiger nicht prioritärer Verbindungen jedoch schon. Tatsächlich wiesen Inzuchtpflanzen eine höhere Häufigkeit von α-Gurjunen, β-Selinen und Palustrol auf als ausgekreuzte Pflanzen; Unterdessen gab es in den ausgekreuzten Pflanzen eine höhere Häufigkeit von α-Farnesen, Nerodinol und α-Bulnesen (siehe Ergänzungstabelle S2 für statistische Ergebnisse nicht prioritärer Verbindungen). Nach simulierter Pflanzenfresserproduktion produzierten ausgekreuzte Pflanzen kein α-Amorphen; Das heißt, die Interaktion zwischen Bestäubung* und simuliertem Pflanzenfresser war für diese Verbindung signifikant. Simulierte Pflanzenfresser hatten keinen Einfluss auf die relative Häufigkeit nicht prioritärer Verbindungen (Ergänzungstabelle S2). In Bezug auf seltene Verbindungen stellten wir fest, dass 66 % der Inzuchtpflanzen und 73 % der ausgekreuzten Pflanzen (ohne simulierte Pflanzenfresser) eine oder mehrere seltene Verbindungen produzierten. Nach simulierter Pflanzenfresser verringerte sich der Prozentsatz der Inzuchtpflanzen, die seltene Verbindungen produzierten (40 %), während der Prozentsatz der ausgekreuzten Pflanzen, die seltene Verbindungen produzierten, zunahm (80 %; Abb. 2).

Das ätherische Öl von L. floribunda hatte eine bakteriostatische Wirkung gegen Staphylococcus aureus und Escherichia coli. Das aus den ausgekreuzten Pflanzen gewonnene ätherische Öl war deutlich bioaktiver und hatte fast die doppelte bakteriostatische Wirkung als das aus den Inzuchtpflanzen gewonnene ätherische Öl gegen S. aureus (t = 3,13; p = 0,020). Gegen E. coli wurden keine Unterschiede zwischen Inzucht- und Auskreuzungspflanzen beobachtet. Eine bakterizide Wirkung wurde auch gegen S. aureus und E. coli beobachtet, wobei sowohl Inzucht- als auch Auskreuzungspflanzen eine ähnliche Bioaktivität zeigten. Die bakterizide Wirkung gegen S. aureus wurde bei 1 μl/ml ätherischem Öl in allen Replikaten erreicht, unabhängig von der Bestäubungsbehandlung (Tabelle 3). Schließlich konnten wir keine bakteriostatische oder bakterizide Wirkung des ätherischen Öls von L. floribunda gegen Pseudomonas syringae feststellen.

In dieser Studie haben wir erstmals den Einfluss ökologischer Wechselwirkungen auf die Bioaktivität ätherischer Öle einer Heilpflanze getestet. Wir zeigen, wie Bestäubungsqualität und Pflanzenfresser als indirekte Ökosystemleistungen wirken können, die mit der Bioaktivität einer Heilpflanze verknüpft sind (endgültige Ökosystemleistung). Wir haben speziell die Auswirkung der qualitativen Komponente der Bestäubung getestet, ein vernachlässigter Aspekt in Studien zu Bestäubungsleistungen, bei denen der Schwerpunkt normalerweise auf der quantitativen Komponente der Bestäubung (d. h. Bestäuberhäufigkeit und Blütenbesuch) auf den Ernteertrag liegt (z. B. 31). Leider konnten wir die Auswirkungen simulierter Pflanzenfresser auf die Bioaktivität von Pflanzen nicht testen. Daher ist die Hypothese, dass Pflanzenfresser sich als Ökosystemdienstleistung verhalten könnten, wenn das Interesse an der Pflanzenbioaktivität liegt, immer noch unbewiesen.

Die Fremdbestäubung beeinflusste sowohl die allgemeine als auch die quantitative Zusammensetzung der ätherischen Öle von Lepechinia floribunda, während simulierte Pflanzenfresser die qualitative Zusammensetzung beeinflussten. Aus gekreuzten Pflanzen gewonnene ätherische Öle hatten die gleiche qualitative Zusammensetzung (Identität der chemischen Verbindungen) wie Inzuchtpflanzen, erstere wiesen jedoch eine höhere relative Häufigkeit sauerstoffhaltiger Terpene auf. Darüber hinaus hatte das ätherische Öl aus den ausgekreuzten Pflanzen eine fast doppelt so hohe bakteriostatische Wirkung gegen Staphylococus aureus wie das ätherische Öl aus Inzuchtpflanzen. Eine solche erhöhte Bioaktivität der ätherischen Öle aus der Auskreuzungsbehandlung könnte durch die Dominanz sauerstoffhaltiger Terpene erklärt werden. Tatsächlich haben frühere Studien eine höhere Bioaktivität ätherischer Öle gezeigt, wenn die relative Häufigkeit sauerstoffhaltiger Terpene größer ist als die von Kohlenwasserstoffen (z. B. 9,32,33). Somit verbesserte die Fremdbestäubung die Bioaktivität ätherischer Öle, indem sie die relative Häufigkeit der Verbindungen veränderte, jedoch ohne nachweisbare Veränderungen in der qualitativen Zusammensetzung.

Die Häufigkeit der fünf vorrangigen Verbindungen unterschied sich nicht zwischen Bestäubungs- und simulierten Pflanzenfresser-Behandlungen, aber die Häufigkeit einiger nicht prioritärer Verbindungen unterschied sich zwischen Bestäubungsbehandlungen. Darüber hinaus produzierte ein etwas höherer Prozentsatz ausgekreuzter Pflanzen seltene Verbindungen als Inzuchtpflanzen. Es ist bekannt, dass die Bestandteile der ätherischen Öle additiv, synergistisch oder antagonistisch wirken können, und mehrere Studien haben gezeigt, dass ganze ätherische Öle eine größere antibakterielle Wirkung haben als die vorrangigen Verbindungen gemischt7. Obwohl wir nicht getestet haben, wie diese Verbindungen untereinander interagieren, zeigen unsere Ergebnisse, dass Unterschiede in der Bioaktivität ätherischer Öle zwischen ausgekreuzten und Inzuchtpflanzen nicht auf prioritäre Verbindungen zurückzuführen sind, sondern auf nicht prioritäre und/oder seltene Verbindungen. Tatsächlich haben mehrere Studien gezeigt, dass Nebenverbindungen normalerweise eine entscheidende Rolle gegen die bakterielle Aktivität spielen (z. B. 7, 14, 34).

Als Folge der Selbstbefruchtung können Pflanzen eine Inzuchtdepression ausbilden, die eine Folge genetischer und epigenetischer Prozesse ist. In dieser Hinsicht können Veränderungen, die in der relativen Häufigkeit sauerstoffhaltiger Terpene von Kreuz- zu Selbstbestäubungsbehandlungen beobachtet wurden, die Folge der Expression schädlicher rezessiver Allele im Homozygotiezustand oder der Stummschaltung einiger Gene durch DNA-Methylierung in Inzuchtpflanzen sein35. Wir kennen die spezifischen Mechanismen der Inzuchtdepression bei unserer Studienpflanze nicht, aber unsere Ergebnisse legen nahe, dass der Stoffwechselweg sauerstoffhaltiger Terpene durch Inzucht stärker beeinträchtigt wird als der Stoffwechselweg von Kohlenwasserstoff-Terpenen. Da wir jedoch relative Mengen an Kohlenwasserstoff-/sauerstoffhaltigen Terpenen verwendeten, ist auch das Gegenteil wahrscheinlich; Das heißt, der Stoffwechselweg von Kohlenwasserstoff-Terpenen kann in Inzuchtpflanzen hochreguliert sein. Zukünftige genetische Studien zur Untersuchung der Genexpression werden nützlich sein, um die Auf-/Abregulierung spezifischer Stoffwechselwege als Folge der Inzucht zu verstehen, siehe36.

Simulierte Pflanzenfresser wirkten sich unterschiedlich auf die Produktion seltener Verbindungen aus. Nach simulierter Herbivorie stieg der Anteil der ausgekreuzten Pflanzen, die seltene Verbindungen produzierten, während der Anteil der Inzuchtpflanzen abnahm. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Inzucht die Genexpression und/oder die Biosynthese induzierbarer Abwehrkräfte beeinflusst. Als allgemeine Reaktion beobachteten wir eine Hochregulierung der Verbindungen bei ausgekreuzten Pflanzen und eine Herunterregulierung bei Inzuchtpflanzen. Ähnliche Auswirkungen der Inzucht auf die induzierbare Abwehr gegen Pflanzenfresser wurden in früheren Studien mit Solanum carolinense gefunden13,20,36. Wir konnten die Wirkung der simulierten Pflanzenfresser- und Bestäubungsinteraktion * simulierter Pflanzenfresser auf die Bioaktivität ätherischer Öle nicht testen. Wenn jedoch die Bioaktivität der ätherischen Öle von L. floribunda mit der relativen Häufigkeit von sauerstoffhaltigen/Kohlenwasserstoff-Terpenen zusammenhängt und simulierte Pflanzenfresser und Bestäubungspflanzen*simulierte Pflanzenfresser dieses Merkmal nicht beeinflussen, dann würden wir nicht erwarten, dass simulierte Pflanzenfresser einen Effekt haben auf Bioaktivität auch nicht. Simulierte Pflanzenfresser veränderten jedoch die Produktion seltener Verbindungen, und wie bereits erläutert, können geringfügige Verbindungen auch die Bioaktivität beeinflussen. Daher bleibt die Frage, ob simulierte Pflanzenfresser die Bioaktivität von L. floribunda beeinflussen, immer noch unbeantwortet.

In dieser Studie führten wir künstliche mechanische Pflanzenfresser durch, um die verschiedenen Faktoren, die die chemische Reaktion der Pflanze beeinflussen, zu kontrollieren und zu standardisieren, siehe37,38. Durch simulierte Pflanzenfresser konnten wir das Ausmaß der Schäden an beiden Pflanzenarten konstant halten. Dies ist ein wichtiger Punkt, um die relativen Auswirkungen sowohl wechselseitiger als auch antagonistischer Wechselwirkungen zu isolieren, da Inzuchtpflanzen unter natürlichen Bedingungen normalerweise stärker durch Pflanzenfresser geschädigt werden als ausgekreuzte Pflanzen18,19. Ein weiterer wichtiger Punkt war die Kontrolle der zeitlichen und räumlichen Präzision bei der Anwendung des Schadens, da dadurch Störeffekte ausgeschlossen werden können, die durch die Einführung von Bakterien, Pilzen und/oder chemischen Substanzen in den Mundsekreten von Pflanzenfressern entstehen37,38. Daher ist es wichtig hervorzuheben, dass die chemischen Reaktionen der Pflanzen, die wir in dieser Studie gefunden haben, sich von den Reaktionen unterscheiden können, die durch natürliche Pflanzenfresser ausgelöst werden. Wir glauben, dass manipulative Experimente zur Kontrolle von Pflanzenfressern und dem Inhalt ihrer Mundsekrete dazu beitragen können, die isolierte Wirkung mechanischer Schäden und der Einführung von Mikroorganismen auf die chemische Zusammensetzung und Bioaktivität von Pflanzen zu verstehen16,37.

Unter den drei in dieser Studie verwendeten Bakterienstämmen hatten ätherische Öle von L. floribunda eine stärkere bakteriostatische und bakterizide Wirkung auf Staphylococcus aureus (Gram +) als auf Escherichia coli und Pseudomonas syringae (beide Gram −). Die Bestandteile ätherischer Öle können die interbakterielle Kommunikation stören und die Funktionalität der bakteriellen Zellmembran durch verschiedene Mechanismen verändern, wie z. B. erhöhte Membranpermeabilität und -fließfähigkeit, Veränderung von Ionentransportprozessen, Hemmung der Atmung, was letztendlich zur Zelllyse führt. Die hier festgestellten unterschiedlichen antibakteriellen Wirkungen stimmen mit früheren Erkenntnissen überein, bei denen ätherische Öle etwas weniger wirksam gegen Gram-Bakterien als gegen Gram+-Bakterien wären7,9. Ein solcher unterschiedlicher Effekt wäre auf Unterschiede in der Struktur der Zellwand zurückzuführen. Gram-Bakterien haben eine zusätzliche äußere Membran, die die Zellwand umgibt, Gram+-Bakterien dagegen nicht. Diese zusätzliche Membran bildet eine hydrophile Barriere, die Schutz vor den Auswirkungen stark hydrophober Moleküle wie Terpene bietet. Solche morphologischen Unterschiede würden die unterschiedliche Empfindlichkeit beider Bakterienarten gegenüber den toxischen Wirkungen ätherischer Öle erklären.

Hier haben wir zum ersten Mal gezeigt, dass Bestäuber durch die Vermittlung von Kreuzbestäubung die mit der Pflanzenbioaktivität verbundenen Ökosystemleistungen verbessern können. Wir glauben, dass dieser Rahmen auf andere ökologische Interaktionen und Pflanzenarten verallgemeinert werden kann. Unsere Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, unsere Sicht auf die Beiträge zu erweitern, die die Gesellschaft von der Natur erhält, und mit der Quantifizierung der vielen anderen Vorteile zu beginnen, die Bestäuber bieten, die über die Pflanzenproduktion hinausgehen. Als Beispiel für ein solches Unterfangen könnten wir damit beginnen zu testen, wie viel Bestäuber zur sexuellen Fortpflanzung von Pflanzen beitragen, die aus Wildpopulationen bewirtschaftet oder geerntet werden39,40,41. Darüber hinaus wäre es wichtig, die Rolle der Pflanzenfresser als Ökosystemdienstleistung oder -schädigung zu entwirren, abhängig vom endgültigen Zielnutzen der Pflanzen (siehe 23 für eine umfassendere Diskussion). Unsere Ergebnisse haben auch einen direkten anwendbaren Wert für Produktionssysteme, die sich auf die Bioaktivität von Pflanzen konzentrieren, wie z. B. den Anbau von Heilpflanzen und den Anbau von Pflanzen, die als Bioinput in der Agrarökologie verwendet werden. Entgegen der allgemeinen Annahme kann die Förderung eines gewissen Maßes an Pflanzenfressern die bioaktiven Eigenschaften dieser Nutzpflanzen erhöhen und so ihre Wirkung verbessern. Abschließend unterstreichen wir die Notwendigkeit, die Integration dieser Ansätze besser zu verstehen, um sie in Produktionssysteme zu integrieren.

Lepechinia floribunda ist ein mehrjähriger Heilstrauch, der zwischen 500 und 3500 m ü.M. von Bolivien bis Zentralost-Argentinien verbreitet ist. Es hat weiße röhrenförmige zwittrige Blüten, die von Bienen, Fliegen und Kolibris besucht werden. Darüber hinaus verfügt es in Abwesenheit von Bestäubern über ein gewisses Maß an autonomer Samenproduktion29,30. Außerdem weist es ein gewisses Maß an Pflanzenfresser durch Blattläuse (Aphis gossypii und Eucarazzia elegans) und Larven von Heliothis virescens, Heliotis sp. und einigen Arten von Geometridae und Pteropholidae (Lepidoptera) auf42. In den ätherischen Ölen von L. floribunda dominieren Terpene. Obwohl die relative Häufigkeit und Identität chemischer Verbindungen zwischen den Populationen von Bolivien bis Zentralargentinien schwankt, sind die wichtigsten chemischen Verbindungen zwischen den Populationen gleich: α-Pinen, Borneol, Canfen, 1,8-Cineol und β-Caryophyllen11,25,26, 28.

Im November 2013 haben wir 21 Mutterpflanzen von Lepechinia floribunda ausgewählt, die mindestens fünf Meter voneinander entfernt waren (um die Wahrscheinlichkeit der Auswahl von Samen verwandter Pflanzen zu verringern) in einer Population in einem Naturschutzgebiet des subtropischen Trockenwaldes Chaco serrano: „Reserva Hídrica Natural Municipal“. Los Manantiales“ (31° 10′ 21,3′′ S, 64° 20′ 47,5′′ O; Río Ceballos, Córdoba, Argentinien). Von jeder der ausgewählten Pflanzen wurden fünfzig Samen gesammelt und acht Monate lang in Papiertüten bei Raumtemperatur gelagert. Anschließend wurden alle Samen mit Schwefelsäure behandelt und in Petrischalen unter kontrollierten Bedingungen zum Keimen gebracht43. Dreißig Sämlinge jeder Mutterpflanze wurden in Töpfe gesät und in einem Gewächshaus unter kontrollierter Photoperiode (14 Stunden Licht/10 Stunden Dunkelheit) mit manueller Bewässerung zweimal pro Woche gezüchtet. Nach 6 Monaten, als die Pflanzen zu blühen begannen, führten wir manuelle Kreuzbestäubungen durch, um eine Anfangspopulation ohne Inzucht zu erzeugen; dh Null-Inzuchtkoeffizient (f = 0). Aus dieser Nachkommenschaft wählten wir zufällig 10 Individuen pro Mutterpflanze aus, um 16 Mutterfamilien zu bilden (jede Mutterfamilie hatte 10 Pflanzen) und reservierten die restlichen 50 Individuen (von weiteren 5 Mutterpflanzen) als Pollenspender. Wir führten einseitige Kreuz- und Selbstbestäubungen durch, um die ausgekreuzten Nachkommen zu erhalten bzw. die erste Generation (F1) der Inzuchtnachkommen zu produzieren. Um mögliche Unterschiede zwischen Auskreuzungs- und Inzuchtlinien zu erhöhen, führten wir in der folgenden Generation (F2) eine zusätzliche Reihe von Kreuz- und Selbstbestäubungen durch. In allen Fällen wurden Selbst- und Fremdbestäubung in derselben Pflanze durchgeführt. Für die Fremdbestäubung verwendete Blüten wurden während der männlichen Phase, als die Narbe geschlossen wurde, entmannt29. Am Ende dieses Prozesses konnten wir fünf Mutterfamilien gewinnen, da nicht alle Pflanzen im Gewächshaus das Fortpflanzungsstadium erreichten. Im September 2016 führten wir ein Gewächshausexperiment durch, um die Auswirkungen von Inzucht und simuliertem Pflanzenfresser auf die Produktion, Zusammensetzung und Bioaktivität ätherischer Öle zu messen. Wir haben insgesamt 60 Pflanzen gezüchtet, sechs ausgekreuzte Pflanzen und sechs Inzuchtpflanzen für jede der fünf Mutterfamilien. Nach drei Monaten wurde eine Behandlung mit künstlichen mechanischen Pflanzenfressern auf die Hälfte der ausgekreuzten und ingezüchteten Nachkommen pro Mutterfamilie angewendet. Wir haben Pflanzenfresser (H) mit einem Standard-Papierlocher simuliert und dabei ein Loch pro Blatt in alle entwickelten Blätter einer Pflanze gemacht. Die übrigen Nachkommen blieben intakt (ohne simuliertes Pflanzenfresser-WH). Pflanzen mit und ohne simulierten Pflanzenfresser wurden auf verschiedenen Tischen im Gewächshaus platziert, um die Kommunikation durch flüchtige Stoffe zwischen ihnen zu minimieren, die bei Pflanzen ohne simulierten Pflanzenfresser die Induktion von Abwehrkräften auslösen können. Nach 48 Stunden der simulierten Pflanzenfresserbehandlung wurde der oberirdische Teil aller Pflanzen geerntet und in hermetischen Plastiktüten bei –18 °C bis zur Extraktion der ätherischen Öle aufbewahrt. Der für alle Tests verwendete Boden wurde aus der natürlichen Schwerpunktpopulation von L. floribunda gesammelt.

Pflanzenmaterial wurde bei Raumtemperatur (20–25 °C) aufgetaut und in einer Präzisionswaage (Toledo PB153, Präzision 2 mg, Nachweisgrenze 1 mg, Ohaus Corporation, Pine Brook, NJ, USA) gewogen. Ätherische Öle wurden durch 60-minütige Hydrodestillation des oberirdischen Teils der Pflanze (Blätter und Stängel) in einem Clevenger-ähnlichen Gerät gewonnen44. Das Volumen der ätherischen Öle wurde mit einer am Destilliergerät angebrachten Messbürette quantifiziert und die Ausbeute an ätherischen Ölen wie folgt geschätzt: Ausbeute = (Volumen ätherischer Öle/Frischgewicht) * 100. Ätherische Öle wurden bis dahin in Eppendorf bei –18 °C gelagert sie wurden benutzt. Die Identifizierung und Quantifizierung ätherischer Ölverbindungen erfolgte durch gaschromatographische Massen- und Spektrometrieanalyse unter Verwendung eines PerkinElmer Clarus 600, ausgestattet mit einer DB-5-Kapillarsäule (60 m × 0,25 mm Innendurchmesser und 0,25 μm Beschichtungsdicke). Die Analysebedingungen waren: Ofentemperatur programmiert von 60 bis 240 °C bei 2 °C/min. Helium war der Träger mit einem konstanten Fluss von 0,9 ml/min und die Ionisierung erfolgte durch eine 70 eV-Ionenquelle. Der Injektor wurde im Split-Modus bei 250 °C betrieben, was der Detektortemperatur entsprach. Ätherische Ölverbindungen wurden durch Vergleich ihrer Retentionsindizes (RI) und Massenspektren mit Verbindungen in Wiley- und NIST 98-MS-Bibliotheken identifiziert. Darüber hinaus wurden einige ätherische Ölverbindungen durch gleichzeitige Injektion mit Standards (Sigma, USA) bestätigt. Es war uns nicht möglich, eines der charakteristischen sauerstoffhaltigen Sesquiterpene im chromatographischen Profil von L. floribunda richtig aufzulösen und zu identifizieren. Diese Verbindung erschien in einigen chromatographischen Profilen und ihr Peak überlappte mit dem Peak von Ledol, was darauf hindeutet, dass es sich um ein Isomer von Ledol handelt. Daher haben wir für die statistische Analyse die relative Häufigkeit beider, des nicht identifizierten sauerstoffhaltigen Sesquiterpens + Ledol, hinzugefügt und es SL-Verbindung genannt. Die relative Häufigkeit einer bestimmten Verbindung in einer Pflanze wurde als Fläche unter der Kurve dieser Verbindung im Chromatogramm/Σ Fläche unter der Kurve aller Verbindungen im ätherischen Öl der Pflanze ermittelt.

Die chemische Vielfalt und Zusammensetzung der ätherischen Öle wurden für jede Pflanze ermittelt und mit Bestäubungs- und simulierten Pflanzenfresserbehandlungen anhand von zwei verschiedenen Maßen verglichen: (1) allgemeine Zusammensetzung (durch drei Indizes) und (2) quantitative Zusammensetzung.

Allgemeine Zusammensetzung: Die relativen Häufigkeiten der Hauptterpengruppen wurden als Indizes ausgedrückt: T-Index = ln (relative Häufigkeit von Monoterpenen/relative Häufigkeit von Sesquiterpenen), M-Index = ln (relative Häufigkeit von Kohlenwasserstoff-Monoterpenen/relative Häufigkeit von sauerstoffhaltigen Monoterpenen), und S-Index = ln (relative Häufigkeit von Kohlenwasserstoff-Sesquiterpenen/relative Häufigkeit von sauerstoffhaltigen Sesquiterpenen). T = 0 zeigt eine ähnliche relative Häufigkeit von Monoterpenen und Sesquiterpenen an, positive und negative Werte weisen auf eine höhere Häufigkeit von Monoterpenen (Zähler in der Formel) bzw. Sesquiterpenen (Nenner) hin. Die gleiche logische Interpretation gilt für M- und S-Indizes. Für jede Pflanze (n = 60) wurden die Werte T, M und S ermittelt. Quantitative Zusammensetzung: Die relative Häufigkeit jeder vorrangigen und nicht vorrangigen Verbindung wurde unter den Behandlungen getestet.

Wir haben die Bioaktivität des ätherischen Öls aus Inzucht- und Auskreuzungspflanzen von L. floribunda anhand von drei pathogenen Bakterienstämmen getestet: Escherichia coli ATCC 25922 und Staphylococcus aureus ATCC 25923 mit klinischer Bedeutung sowie Pseudomonas syringae Q KJ569372 mit agronomischer Bedeutung. Die bakteriostatische Wirkung des ätherischen Öls wurde durch die minimale Hemmkonzentration (MIC) bestimmt, die die niedrigste Konzentration des ätherischen Öls darstellt, die das sichtbare Bakterienwachstum hemmen kann. Die bakterizide Wirkung wurde als minimale bakterizide Konzentration (MBC) bestimmt. Dies ist die niedrigste Konzentration des ätherischen Öls, bei der 99,9 % oder mehr des ursprünglichen Inokulums abgetötet wurden. Die MHK des ätherischen Öls wurde mit der Bouillon-Mikroverdünnungsmethode unter Verwendung von Resazurin als Indikator bestimmt32. Zunächst wurden die Bakterien über Nacht bei 37 °C in Röhrchen mit Mueller-Hinton-Brühe für E. coli und S. aureus und bei 30 °C in King's B-Brühe für P. syringae inkubiert. Anschließend wurden zehnfache Reihenverdünnungen jedes Bakterienstamms in 0,15 % Mueller-Hinton-Agar oder 0,15 % King's-B-Brühe hergestellt. Später wurden 170 μl aus jeder Verdünnung zusätzlich zu 20 μl Dimethylsulfoxid (DMSO) und 10 μl Resazurin (0,01 % p/v) in Mikrotiterplatten mit 96 Vertiefungen gegeben. Die Mikroplatten wurden für E. coli und S. aureus 2 Stunden lang bei 37 °C und für P. syringae 2 Stunden lang bei 30 °C (optimale Temperaturen) inkubiert. Die höchste Verdünnung, die Resazurin nicht reduzieren konnte, wurde als geeignete Bakterienverdünnung für die Arbeit angesehen. Anschließend wurden vier 96-Well-Mikrotiterplatten (zwei Mikrotiterplatten mit E. coli und S. aureus und zwei Mikrotiterplatten mit P. syringae) mit der entsprechenden Verdünnung jedes Bakteriums wie folgt vorbereitet: 170 µL Bakterieninokulum mit 20 µL ätherischer Ölverdünnung um Konzentrationen von 32.000 ppm, 16.000 ppm, 8000 ppm, 4000 ppm, 3000 ppm, 2000 ppm, 1000 ppm, 500 ppm, 250 ppm, 125 ppm zu erhalten; 170 µL steriles Medium mit 20 µL Ölverdünnungsmittel (DMSO) (Negativkontrolle); und 170 µL bakterielles Inokulum mit 20 µL DMSO (Positivkontrolle). Die Mikroplatten wurden 24 Stunden lang bei optimalen Temperaturen inkubiert. Nach der Inkubation wurden 10 µL Resazurin-Lösung in alle Vertiefungen gegeben und die Mikrotiterplatten wurden erneut 2 Stunden lang inkubiert. Resazurin ist ein Redoxindikator, es ist blau, wenn es oxidiert ist, und rosa, wenn es reduziert ist. Eine Farbänderung von Blau zu Rosa tritt auf, wenn das umgebende Medium aufgrund der Erschöpfung des gelösten Sauerstoffs und der Säureproduktion infolge des Bakterienwachstums reduziert wird. Die MHK-Werte wurden visuell als höchste Verdünnung ohne Farbänderung bestimmt (blieben blau45). Der blau gebliebene Inhalt der Vertiefungen und die Kontrollen wurden dann auf Mueller-Hinton-Agarplatten ausgebreitet und 48 Stunden lang bei optimalen Temperaturen inkubiert, um MBC zu testen. Die Tests zum Testen der MIC-Effekte bestanden aus zwei Mikrotiterplatten (zwei Replikaten) pro Bakterienart und Bestäubungsbehandlung. Darüber hinaus haben wir die Tests an zwei Tagen (zwei verschiedenen Wochen) wiederholt, sodass die Gesamtzahl der Wiederholungen pro Bakterienart und Bestäubungsbehandlung N = 4 betrug (zwei Mikrotiterplatten * 2 Tage). Die gleiche Anzahl an Wiederholungen wurde für MBC verwendet (zwei Agarplatten * 2 Tage). Leider konnten wir die Wirkung von simuliertem Pflanzenfresser auf die Bioaktivität des Öls aufgrund der geringen Menge an ätherischem Öl nicht testen.

Die Genehmigung zum Sammeln von Samen von Lepechinia floribunda wurde von La Secretaria de Ambiente de la Provincia de Córdoba (https://ambiente.cba.gov.ar/) eingeholt. Die Belegexemplare wurden im Museo Botánico de Córdoba (https://museobotanico.unc.edu.ar/protocolo-de-colecciones) hinterlegt, Belegexemplare CORD 19852-54 (Ashworth). Die Experimente wurden unter Einhaltung relevanter nationaler und internationaler Richtlinien und Gesetze durchgeführt.

Lineare gemischte Modelle (LMM) wurden verwendet, um die gleichzeitigen Auswirkungen von Bestäubung und simuliertem Pflanzenfresser auf den Ertrag an ätherischen Ölen, die T-, M- und S-Indizes und die relative Häufigkeit von vorrangigen und nicht vorrangigen Verbindungen zu testen. Bestäubung und simulierte Pflanzenfresser waren feste Faktoren mit jeweils zwei Ebenen (Kreuz- und Selbstbestäubung mit bzw. ohne simulierte Pflanzenfresser) und der mütterlichen Familie (N = 5) als Zufallsfaktor (lmer-Funktion des lme4-Pakets46). Die statistische Signifikanz fester Faktoren und ihrer Wechselwirkung wurde durch X2-Tests bewertet, bei denen Modelle mit und ohne die interessierenden Faktoren und Wechselwirkungen verglichen wurden. Der Zufallsfaktor drückt den Prozentsatz der Modellvarianz aus, der auf die Variabilität zwischen den mütterlichen Familien zurückzuführen ist. Da die relative Häufigkeit einer bestimmten Verbindung (oder Gruppe von Verbindungen) nicht unabhängig von der relativen Häufigkeit einer anderen Verbindung (oder Gruppe) ist, haben wir die Aitchison-Transformation (ln (x/y))47 verwendet. Um beispielsweise die Variabilität zwischen Behandlungen in der relativen Häufigkeit von Monoterpenen im Vergleich zu Sesquiterpenen zu testen, verwendeten wir: T-Index = ln (relative Häufigkeit von Monoterpenen/relative Häufigkeit von Sesquiterpenen) und um die relative Häufigkeit einer prioritären Verbindung zu testen (z. B. Borneol) verwendeten wir: ln (relative Häufigkeit von Borneol/mittlere relative Häufigkeit aller vorrangigen Verbindungen). In vielen Pflanzen fehlten seltene Verbindungen, sodass wir keine statistischen Tests durchführen konnten. Ein t-Test wurde verwendet, um die minimale Hemmkonzentration (MIC, bakteriostatische Wirkung) von ätherischen Ölen zu vergleichen, die aus Auskreuzung und Selbstbestäubung gegen Staphylococcus aureus gewonnen wurden. Der in allen statistischen Tests verwendete Alpha-Wert (Typ-I-Fehler) betrug 0,05, daher wurden die Nullhypothesen abgelehnt, wenn die p-Werte ≤ 0,05 waren. Alle statistischen Analysen wurden mit der kostenlosen R-Software, Version 4.1.248, durchgeführt.

Alle im Rahmen der aktuellen Studie generierten Daten sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Referenzen herunterladen

Wir danken den Behörden des Naturschutzgebiets Los Manantiales für die Erlaubnis, dort zu arbeiten, und Dr. Marcela Palacios für technische Unterstützung bei GC. Diese Arbeit wurde von der National Agency for the Promotion of Science and Technology (PICT 2019-1897) finanziert. JC, VU und VM sind Stipendiaten des National Council for Scientific and Technical Research (CONICET). Argentinien, SD, CM, JZ und LA sind Forscher derselben Institution.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: José S. Dambolena und Lorena Ashworth.

Multidisziplinäres Institut für Pflanzenbiologie (IMBIV), Nationaler Rat für wissenschaftliche und technische Forschung (CONICET), Nationale Universität Córdoba (UNC), Córdoba, Argentinien

Julia L. Camina, Virginia Usseglio, Victoria Marquez, Carolina Merlo, José S. Dambolena, Julio A. Zygadlo und Lorena Ashworth

Lehrstuhl für Organische Chemie, Fakultät für Exakte, Physikalische und Naturwissenschaften (FCEFyN), Nationale Universität Córdoba (UNC), Córdoba, Argentinien

Virginia Usseglio, Joseph S. Dambolena und Julius A. Zygadlo

Lehrstuhl für Allgemeine Chemie, Fakultät für Exakte, Physikalische und Naturwissenschaften (FCEFyN), Nationale Universität Córdoba (UNC), Córdoba, Argentinien

Virginia Usseglio

Fakultät für Agrarwissenschaften (FCA), Nationale Universität Córdoba (UNC), Córdoba, Argentinien

Carolina Merlo

Nationales Labor für ökologische Analyse und Synthese (LANASE), Nationale Autonome Universität von Mexiko, Morelia, Mexiko

Lorena Ashworth

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LA hat die Studie mit Input von JSD und JZJC ausgearbeitet und entworfen und LA hat Feld- und Gewächshausprobennahmen durchgeführt. JC, JSD, VU, CM und JZ führten chemische Analysen und Bioaktivitätstests durch. JC hat die Daten gesammelt. JC, VM und LA leiteten die Datenanalyse und -interpretation. JC und LA schreiben das Manuskript mit Beiträgen aller Autoren. LA, JSD und JZ erhielten Fördermittel. LA, JC und JSD haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen und alle Autoren haben die eingereichte Version genehmigt.

Korrespondenz mit Lorena Ashworth.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Camina, JL, Usseglio, V., Marquez, V. et al. Ökologische Wechselwirkungen beeinflussen die Bioaktivität von Heilpflanzen. Sci Rep 13, 12165 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39358-1

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Eingegangen: 07. Februar 2023

Angenommen: 24. Juli 2023

Veröffentlicht: 27. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39358-1

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