Αλληλοχημικά

Τα αλληλοχημικά είναι δευτερογενείς μεταβολίτες, οι οποίοι παράγονται από ζωντανούς οργανισμούς (π.χ. φυτά) και έχουν διεγερτική ή ανασταλτική επίδραση στην ανάπτυξη, την υγεία, τη συμπεριφορά ή την βιολογία των πληθυσμών γειτονικών οργανισμών (φυτών, εντομών, μικροβίων κ.α.). Στην αλληλοπάθεια μεταξύ των φυτών, τα πιο κοινά αποτελέσματα είναι ορατά στην επίδραση της αναπνοής, της φωτοσύνθεσης, του υδατικού ισοζυγίου και της λειτουργίας των στομάτων, την υδατική αγωγιμότητα του βλαστού, την ροή στοιχείων στο ξύλωμα, την διαπερατότητα της κυτταρικής μεμβράνης, την κυτταρική διαίρεση και ανάπτυξη, την σύνθεση πρωτεϊνών και την μεταβολική δραστηριότητα των ενζύμων.

Μεταξύ των φυτών, τα αλληλοχημικά μπορεί να εντοπιστούν σε γενικές γραμμές μεταξύ των οργάνων όπως στα σπέρματα, τα άνθη, τη γύρη, τα φύλλα, τον βλαστό και τις ρίζες, ενώ μερικές φορές μπορεί να βρεθούν σε ένα ή και σε περισσότερα μέρη του φυτού.

Οι περισσότερο γνωστοί τρόποι απελευθέρωσης των αλληλοχημικών στα φυτά είναι η εξάτμιση, η αποσύνθεση των οργανικών υπολειμμάτων, η έκπλυση ή μέσω των εκκρίσεων της ρίζας. Οι εκκρίσεις της ρίζας έχουν κατά κάποιο τρόπο αγνοηθεί κατά την ιστορία της αλληλοπαθητικής επιστήμης, ενώ έχει δοθεί περισσότερη προσοχή στο ορατό μέρος του φυτού πάνω από το έδαφος.

Τα αλληλοχημικά τα οποία εμφανίζονται στα ανώτερα φυτά καθώς επίσης και στα μικρόβια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την διαχείριση των παρασιτικών φυτών ως εναλλακτική λύση των ζιζανιοκτόνων.

Ο όρος αλληλοχημικά υπό την στενή έννοια

Υπό την στενή έννοια, ο όρος αλληλοχημικά θα έπρεπε να χρησιμοποιείται για εκείνες τις ουσίες των οποίων ο ρόλος της καταστολής μεταξύ δότη και δέκτη έχει αποδειχτεί από ποιοτικές πειραματικές αποδείξεις (ειδικά σε πραγματικές συνθήκες πεδίου) και όχι για να περιγράψει απλά μια χημική ένωση που εξήχθη από ένα φυτό και παρουσιάζει τοξικότητα προς κάποιο (πιθανόν άσχετο) άλλο φυτό κατά την διάρκεια in vitro δοκιμής.

Βιολογική δράση

Ο ρόλος των αλληλοχημικών ερμηνεύεται πλέον, από μία πιο οικολογική πλευρά, συνήθως ως αμυντικοί μηχανισμοί των φυτών έναντι άλλων φυτών, παρασιτικών φυτών ή ασθένειες.

Η πλειονότητα των επιδράσεων, όπως μείωση της φυτρωτικότητας των σπερμάτων και η ανάπτυξη των φυταρίων, η χλώρωση, και άλλες φυσιολογικές, μορφολογικές και ανατομικές ανωμαλίες που προκαλούνται από την ποικιλότητα των πιο εξειδικευμένων αλληλεπιδράσεων μεταξύ των αλληλοχημικών και των κυτταρικών και μοριακών συστημάτων. Επιπλέον άλλες συνέπειες των αλληλοχημικών είναι η υπεροξείδωση των μεμβρανών, οι αλλαγές στην παραγωγή ενέργειας και αλλαγές στην κατάσταση του νερού.

Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει μια ταξινόμηση των λειτουργιών των χημικών ουσιών με βάση την λειτουργία και την προσαρμοστική τους σχέση. Οι αλληλοχημικές ενώσεις επηρεάζουν τα άτομα ή τους πληθυσμούς ενός διαφορετικού είδους. Μια κύρια διαίρεση μεταξύ των αλληλοχημικών γίνεται ανάμεσα στις αλλομόνες και τις καϊρομόνες.

Πίνακας

I. Αλληλοχημική δράση

A. Αλλομόνες (Allomones) (+/), οι οποίες δίνουν πρόσθετο όφελος στο οργανισμό που το παράγει

1. Εντομοαπωθητικά (Repellents) (+/ ), τα οποία παρέχουν προστασία ενάντια επίθεσης ή μόλυνσης

2. Απελευθερωμένες ενώσεις (Escape substances) (+/ ) που δεν είναι εντομοαπωθητικά με την συνήθη έννοια του όρου

3. Κατασταλτικά (Suppressants) (+ - ), τα οποία αναστέλλουν τους ανταγωνιστές

4. Δηλητήρια (Venoms) (+ - ), τα οποία δηλητηριάζουν οργανισμούς θηράματα

5. Επαγωγικά (Inductants) (+/ ), τα οποία διαμορφώνουν την ανάπτυξη των δευτερευόντων οργανισμών

6. Counteractants (+/ ), τα οποία εξουδετερώνουν ως άμυνα την δράση του δηλητηρίου ή άλλων παραγόντων

7. Προσελκυστικά (Attractants) (+/ )

α. Χημικά θέλγητρα (Chemical lures) (+ - ), τα οποία προσελκύουν το θήραμα στο αρπακτικό

β. Προσελκυστικά γονιμοποίησης (Pollination attractants), τα οποία είναι χωρίς (+ 0 ) ή με ( + + ) πλεονέκτημα για τον οργανισμό που το προσέλκυσε

B. Καιρομόνες (Kairomones) ( / + ), οι οποίες δίνουν πρόσθετο όφελος στο οργανισμό που το λαμβάνει

1. Προσελκυστικά ως σήματα ύπαρξης τροφής ( / + ), τα οποία προσελκύουν τον οργανισμό στην πηγή της τροφής του, συμπεριλαμβάνονται ( - + ) αυτά προσελκύουν σε ένα οργανισμό τροφή, ( + + ) προσελκυστικά γονιμοποίησης όταν ο οργανισμός που προσελκύεται αποκτά τροφή, και ( 0 + ) εκείνες οι εκλύσεις από μη τρόφιμα διαβίωσης

2. Επαγωγικά (Inductants) ( / + ), τα οποία διεγείρουν την ανάπτυξη στον οργανισμό- λήπτη

3. Σήματα (Signals) ( / + ) τα οποία προειδοποιούν για κίνδυνο ή τοξικότητα στο λήπτη

4. Διεγερτικά Stimulants ()( / + ), όπως ορμόνες που επωφελούν τον δεύτερο οργανισμό προκαλώντας ανάπτυξη

C. Κατασταλτικά (Depressants) ( 0 - ), απόβλητα, και ούτω καθεξής, που αναστέλλουν ή δηλητηριάζουν τον λήπτη-οργανισμό χωρίς πρόσθετο όφελος για τον παραγωγό-οργανισμό από αυτή τη δράση

II. Ενδοειδική χημική δράση

A. Αυτοτοξίνες (Autotoxins) ( - / ), απωθητικά, απόβλητα, ούτω καθεξής, που είναι τοξικές ή ανασταλτικές στα άτομα του απελευθερωμένου πληθυσμού, με ή χωρίς επιλεγμένα οφέλη από την βλάβη σε κάποια άλλα είδη

B. Προσαρμοστικοί αυτοαναστολείς (Adaptive autoinhibitors) (+ / ) που οριοθετούν τον πληθυσμό που να μη καταστρέφουν τον ξενιστή ή παράγουν υπερβολικό συνωστισμό

C. Φερομόνες (Pheromones) ( + / ), χημικά μηνύματα μεταξύ των μελών του είδους, που είναι σήματα για:

1. Αναπαραγωγική συμπεριφορά

2. Κοινωνική ρύθμιση και αναγνώριση

3. Έλεγχος και διαφοροποίηση κοινωνικής τάξης

4. Συναγερμός και άμυνα

5. Επικράτεια και μονοπάτι σήμανσης

6. Τοποθεσία τροφής

Ο διαχωρισμός της χημικής δράσης των αλληλοχημικών ενώσεων εντός των οργανισμών. Το προστιθέμενο όφελος δείχνεται με +, η βλάβη με -, και η αδιαφορία με 0, από τον οργανισμό που απελευθερώνονται πρώτα και τον οργανισμό που τα λαμβάνει έπειτα. Η πάγια γραμμή (/) δείχνει ότι το όφελος ή η βλάβη δεν έχει προσδιοριστεί για μια από τις πλευρές τις σχέσεις.

Υπάρχουν αυξημένες ενδείξεις ότι τα αλληλοχημικά ή τα φυσικά χημικά προϊόντα που προέρχονται από τα ανώτερα φυτά/μικρόβια μπορεί να αποτελέσουν ιδανικά αγροχημικά.

Παρά την τόσο μεγάλη χημική ποικιλότητα, τα αλληλοχημικά μπορούν να διακριθούν σε φαινολικά και τερπενοειδή. Απελευθερώνονται μέσω της εξάτμισης, της έκπλυσης της ρίζας, τον θάνατο και την αποσύνθεση των φυτών και των υπολειμμάτων ζωντανών και αποσυντιθέμενων καταλοίπων. Μετά από την απελευθέρωση τους τα αλληλοχημικά εμπλέκονται σε μια ποικιλία μεταβολικών διεργασιών. Αρκετοί παράγοντες καθορίζουν την τοξικότητα τους, όπως η συγκέντρωση τους, ο ρυθμός ροής, η ηλικία και η μεταβολική κατάσταση του φυτού και οι κλιματικές και περιβαλλοντολογικές συνθήκες του περιβάλλοντος τους. Η ποσότητα και η παραγωγή τους ποικίλει ποιοτικά και ποσοτικά με την ηλικία, την ποικιλία, το μέρος του φυτού, και τον χρόνο του έτους.

Από τα ανώτερα φυτά οι αλληλοχημικές ενώσεις που παράγονται διακρίνονται σε:

• Τερπένια
• Benzoxazinoids
• Γλυκοζινολικές ενώσεις (ισοκυανικά) Glucosinolates (Isocyanates)
• Quassinoids
• Κυανογόνοι γλυκοζίτες (Cyanogenic Glycosides)
• Σαπωνίνες (Saponins)
• Sorgoleone
• Γιουγκλόνη (Juglone)
• Καφεΐνη (Caffeine)

Ιστορικά

Ο Θεόφραστος (372-285, π.χ), μαθητής του Αριστοτέλη, ανέφερε ένα παράδειγμα του ανασταλτικού αποτελέσματος του αμάρανθου στην μηδική. Από τον μεσαίωνα έχουν γίνει εκταμένες έρευνες για τις επιδράσεις των αλληλοχημικών σε διάφορους τομείς. Αυτοί περιέγραψαν 267 φυτά τα οποία θεωρούνται ότι έχουν παρασιτοκτόνο δραστικότητα και πολλά από αυτά εμφάνισαν επιπλέον αλληλοπαθητική δυνατότητα. Ο Lee Shi Jen (1518-1593) ένας διάσημος κινέζος φαρμακοποιός, έγραψε ένα βιβλίο για τα κινέζικα ιατρικά φυτά, στο οποίο απεικονιζόταν η τοξικότητα και τα θρεπτικά συστατικά σε οργανισμούς και ιδιαίτερα στον άνθρωπο. Ανέφερε επίσης ότι τα συστατικά των φυτών πιθανόν να επηρεάζονται από τον τύπο οικοτόπου. Το 1832 ο De Candolle, ένας Ελβετός βοτανικός υποστήριξε ότι το πρόβλημα των ασθενειών του εδάφους στη γεωργία μπορεί να οφείλεται σε εκκρίσεις των καλλιεργούμενων φυτών. Αργότερα, ο Hoy και ο Stickney (1881), ανέφεραν μια επιβλαβή επίδραση των μαύρων καρυδιών στην ανάπτυξη των φυτών που φύονται δίπλα σε αυτά. Οι Schreiner και Reed (1907,1908) Βρήκαν κάποια εδαφικά οργανικά οξέα, τα οποία είχαν αρχικά απελευθερωθεί από τις ρίζες των φυτών, και κατέστειλαν την ανάπτυξη ορισμένων καλλιεργειών. Μερικά χρόνια αργότερα ο Molisch (1937) επινόησε έναν όρο που αποτελείται από δυο ελληνικές λέξεις «αλλήλο» που σημαίνει «ο ένας τον άλλον» και «πάθεια» που σημαίνει «υποφέρω», για να περιγράψει ένα φυσικό φαινόμενο κατά το οποίο ένα φυτό απελευθερώνει μια ανασταλτική ουσία, η οποία εμποδίζει την ανάπτυξη άλλων φυτών που μοιράζονται τον ίδιο τύπο οικοτόπου.

Παραδείγματα / Εφαρμογές

Το εκχύλισμα από τη φτέρη Dicranopteris linearis βρέθηκε ότι έχει ανασταλτική δράση στα είδη Echinochloa colonum και Avena fatua, που βρέθηκαν κοντά στην αποικία του D. linearis. Η αλληλοπαθητική ιδιότητα του D. linearis είχε δοκιμαστεί και επιβεβαιωθεί σε είδη που ενδέχεται να αλληλεπιδρούν με κυρίαρχες φτέρες. Αλληλοπαθητική χημική αλληλεπίδραση ενδεχομένως να παίζει σημαντικό ρόλο για την κυριαρχία του D. linearis, και πιθανώς και σε άλλα είδη φτέρης, σε φυτοκοινωνίες. Η υψηλή περιεκτικότητα σε αλληλοχημικά στο έδαφος της περιφέρειας της αποικίας μπορεί να ευνοεί την συνεχή επέκταση των ειδών. Τα παραπάνω υποδηλώνουν ότι η αλληλοπάθεια μπορεί να έχει και οικολογικές επιπτώσεις στα τοπικά οικοσυστήματα.

Το ρύζι (Oryza sativa) έχει ευρέως μελετηθεί τα τελευταία χρόνια από πολλούς ερευνητές που ενδιαφέρονται για την επιλογή ή την αναπαραγωγή του για την ισχυρή του ικανότητα να καταστέλλει τα ζιζάνια. Η φυσική κατασταλτική ικανότητα του ρυζιού στα φυτικά παράσιτα έχει ιδιαίτερη σημασία, για διάφορους λόγους. Κατ 'αρχάς, το ρύζι είναι το πιο σημαντικό δημητριακών στον κόσμο όσον αφορά το γεωγραφικό εύρος καλλιέργειάς του αλλά και της συνολικής κατανάλωσης. Η μεγαλύτερη ποσότητα ρυζιού παράγεται στις αναπτυσσόμενες περιοχές του κόσμου που έχουν περιορισμένη πρόσβαση σε ακριβά φυτοφάρμακα, συμπεριλαμβανομένων των ζιζανιοκτόνων. Σήμερα, πολλά ζιζανιοκτόνα για τη διαχείριση των φυτικών παρασίτων είναι λιγότερο αποτελεσματικά κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου, όταν το ρύζι παράγεται σε συνθήκες υγροτόπου, όπου τα εδάφη είναι κορεσμένα. Η αφαίρεση των φυτικών παρασίτων σε αυτές τις συνθήκες με το χέρι είναι επίπονη και αντιοικονομική. Η κατασταλτική ιδιότητα του ρυζιού οδήγησε στην υπόθεση ότι ορισμένες ποικιλίες ρυζιού ήταν εξαιρετικά κατασταλτικό σε φυτικά παράσιτα πιθανόν λόγω της παραγωγής αλληλοχημικών ενώσεων που απελευθερώνονται από τις ρίζες ή τον φλοιό των ορυζώνων.