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May 05, 2023

Phytochemisches Screening und allelopathisches Potenzial von Phytoextrakten von drei invasiven Grasarten

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8080 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Zweifellos ist es wichtig, wachsam zu bleiben und invasive Gräser zu bekämpfen, um ihre Ausbreitung zu verhindern und ihre negativen Auswirkungen auf die Umwelt abzumildern. Allerdings können diese aggressiven Pflanzen in bestimmten Zusammenhängen auch eine vorteilhafte Rolle spielen. Beispielsweise bieten mehrere invasive Gräser wertvolles Futter für Nutztiere und haben Potenzial zur Krankheitsbekämpfung. Daher wurde ein Forschungsexperiment durchgeführt, um die Vor- und Nachteile dieses Ansatzes zu untersuchen, nicht nur für die umgebende Vegetation, sondern auch für die Krankheitsbekämpfung bei Mensch und Tier. Die Studie konzentriert sich hauptsächlich auf die Entwicklung von Viehfutter, pflanzlichen Herbiziden und einem Verständnis der phytotoxischen Wirkung invasiver Arten. Alle Pflanzenteile von Cenchrus ciliaris L., Polypogon monspeliansis L. und Dicanthium annulatum (Forssk.) Stapf wurden auf ihr phytochemisches Screening, ihre Proximate- und Toxizitätsanalyse getestet, die durch den methanolischen Extrakt dieser Grasarten verursacht wurde. Qualitative phytochemische Screening-Tests wurden für die Analyse der unmittelbaren Zusammensetzung und für Aufsätze zur Toxizitätsbewertung durchgeführt. Die phytochemische Analyse ergab positive Ergebnisse für Alkaloide, Flavonoide, Cumarine, Phenole, Saponine und Glykoside, während sie für Tannine negativ waren. Der Vergleich der unmittelbaren Analyse deutete auf maximale Feuchtigkeit (10,8 %) und Rohfett (4,1 %) bei P. monspeliensis hin, wohingegen maximale Trockenmasse (84,1 %), Rohprotein (13,95 %), Rohfaser (11 %) und Asche (7,2) erreicht wurden % in D. annulatum. Fünf (10, 100, 500, 100, 10.000 ppm) und drei (10, 1000, 10.000 ppm) unterschiedliche Konzentrationen von methanolischem Extrakt, hergestellt aus C. ciliaris, P. monspeliansis und D. annulatum, wurden jeweils zur Wurzelhemmung und zum Saatgut verwendet Keimungsaufsatz. Darüber hinaus wurden drei verschiedene Konzentrationen (10, 30, 50 mg) feines Pflanzenpulver für den Sandwich-Methodentest verwendet. Es gab einen signifikanten Rückgang der Wachstumsrate experimenteller Modell-Rettichsamen (P > 0,005), und die Ergebnisse von Tests mit der Sandwich-Methode zeigten ein unterdrücktes Wachstum von Wurzelhaaren, was die Verankerung des Rettichsamens hemmte. Im Vergleich dazu zeigen die Ergebnisse Folgendes: P. monspeliansis zeigte einen Anstieg der Hemmung (66,58 % bei 10.000 ppm), D. annulatum zeigte eine schnelle Keimung (75,86 % unter kontrollierten Bedingungen) und C. ciliaris zeigte aufgrund des Sandwich-Methodentests einen dramatischen Anstieg der Hemmung (14,02 % bei 50). mg). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Gräser zwar giftig sind, es jedoch wichtig ist, das Konto des Begünstigten zu berücksichtigen.

Aufgrund der ständig wachsenden Weltbevölkerung1 hat das Streben nach Maximierung des landwirtschaftlichen Ertrags den Einsatz landwirtschaftlicher Betriebsmittel verstärkt, um die Einschränkungen (Nährstoffmangel und Krankheitserreger) in der Pflanzenproduktion zu minimieren2. Allerdings könnte der verstärkte Einsatz von synthetischen Düngemitteln, Insektiziden3 und Unkrautvertilgungsmitteln das Agrarökosystem verschlechtern, was letztendlich gesundheitliche Bedenken für Mensch und Tier mit sich bringt4,5. Aus dieser Perspektive könnten allelopathische Extrakte aus Pflanzen als umweltfreundliche Alternativen für eine nachhaltige landwirtschaftliche Produktion dienen6. Beispielsweise wurden die Phytoextrakte von allelopathischen Pflanzen als natürliche Reservoire für Pflanzenwachstumsförderer erkannt7. Darüber hinaus wurde in früheren Studien auch über das Potenzial mehrerer Phytoextrakte als Biopestizide berichtet8. Daher hat der Nutzen von Allelochemikalien gegen Schädlinge das Interesse von Forschern geweckt und die meisten Biopestizide wurden mit dem Ziel hergestellt, den Insektenbefall zu kontrollieren8,9. Allerdings sind die Biopestizide zur Unkrautbekämpfung noch sehr begrenzt.

Invasive Nutzpflanzenarten stellen eine komplexe und anhaltende Herausforderung für jedes Anbausystem dar, da sie aggressiv in die Primärkulturen in ihrer Umgebung eindringen und deren Wachstum stören10. Die mit dem umfangreichen Einsatz synthetischer Herbizide verbundenen ökologischen und gesundheitlichen Risiken sowie der Mangel an pflanzlichen Alternativen sind zu einem drängenden Problem in der modernen Landwirtschaft geworden11. Um den Anforderungen der Nachhaltigkeit in der heutigen Landwirtschaft gerecht zu werden, ist es daher unerlässlich, die Möglichkeit zu prüfen, pflanzliche Materialien anstelle herkömmlicher Herbizide zur Unkrautbekämpfung einzusetzen12,13. Zuvor zeigten allelopathische Extrakte aus Sorghumhirse und traditionellen Heilsträuchern ein phytotoxisches Potenzial gegen Unkräuter im Feldfruchtanbau14. In ähnlicher Weise hemmt Persicaria lapathifolia das Unkraut Echinochloa colona12, und der Wasserextrakt von Artemisia argyi hemmt Unkräuter wie Brassica pekinensis, Lactuca sativa, Portulaca oleracea, Oxalis corniculata und Setaria viridis15. Ferula assafoetida L. und Ricinus communis L. begrenzen in Konzentrationen von 0,75 % bzw. 1 % die Keimung von Amaranthus retroflexus L.-Unkrautsamen um etwa 70 %16. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in bestimmten Pflanzen vorkommenden Allelochemikalien weiter untersucht werden könnten, um ihre natürlichen allelotoxischen Wirkungen zu bewerten. Zuvor wurde der Biotest an Salatpflanzen mit der Sandwich-Methode durchgeführt und Phytoextrakte aus verschiedenen invasiven Kräutern und Sträuchern aus verschiedenen Standorten Pakistans und Japans zeigten eine Wachstumshemmung von Salat14. P. monspeliensis hat das Potenzial, als Ziergras, als Nahrungsquelle und als bedeutendes Weidegras genutzt zu werden17. Ebenso könnte die phytochemische Bewertung natürlich vorkommender und leicht verfügbarer Grasarten sehr nützlich sein, um ihr herbizides Potenzial auszuschöpfen, da sie im Agrarökosystem beständig und dominant vorkommen.

Ein konsistentes Ergebnis früherer Studien zu invasiven Gräsern ist, dass sie eine offensichtliche Bedrohung für die Umwelt darstellen18. Im Gegensatz dazu wurden auch einheimische Pflanzen und die Viehzucht als Nutznießer identifiziert19. Basierend auf einer Analyse der unmittelbaren Zusammensetzung könnte die gezielte Beweidung invasiver Gräser bahnbrechende Ergebnisse bringen, nicht nur für einheimische Pflanzen, sondern auch für das Klima20 und die Bemühungen zum Schutz der Tierwelt21. Gezielte Beweidung kann sich als besonders wirksam erweisen, um die Ausbreitung von Büffelgras, einem aggressiven Eindringling mit erheblicher Brandgefahr, zu kontrollieren22. Darüber hinaus wurden qualitative phytochemische Tests zur Identifizierung aller chemischen Bestandteile, einschließlich des Vorhandenseins von Proteinen, Kohlenhydraten, Phenolen, Flavonoiden, Saponinen und Alkaloiden, in Extrakten verschiedener Teile des Testgrases bestätigt23. Pflanzenextrakte zeigten eine wertvolle Wirkung gegen pathogene Mikroben24, alle Extrakte hemmten Bakterien, was zur Entwicklung einer Hemmzone führte25. Anschließend kann abgeschätzt werden, welchen Beitrag Gras zu verschiedenen Aktivitäten leistet, darunter Viehfutter, entzündungshemmende, antimikrobielle, antioxidative und antibakterielle Eigenschaften, Krankheitsmanagement, Arzneimittelentwicklung usw.26. Auf Basis dieses phytochemischen Screenings ist es auch möglich, wirksame Medikamente für Mensch und Tier herzustellen.27,28.

Dhaman-Gras (Cenchrus ciliaris) ist eines der wichtigsten Gräser in Pakistan mit hohem ethnobotanischem Nutzen und alle Teile dieses Grases werden in Form von Aufgüssen für verschiedene Zwecke verwendet29,30,31. Es ist bemerkenswert widerstandsfähig und in der Lage, in rauen und ständig schwankenden Umgebungen zu gedeihen, einschließlich hoher Temperaturen, Salzgehalt32, Schwermetallen33, intensiver Sonneneinstrahlung und minimaler Feuchtigkeit34,35. Dieses Gras stört die lokale Vegetation und Fauna, was aufgrund der Störung der invasiven Pflanze zu Veränderungen in der verfügbaren Thermallandschaft führt36. Darüber hinaus sind die ausgewählten Grasarten äußerst kompetent für die CO2-Bildung, verbrauchen Stickstoff (N) aus der Atmosphäre und spielen eine wichtige Rolle bei der Wiederverwertung von N aus dem Land37,38. Es wurde in großem Umfang für medizinische Zwecke genutzt und diente als wichtiges Futter für Weidetiere39,40. Frühere Studien betrachteten es als ein wirksames Gras, das Verbindungen mit hohem therapeutischen Wert liefert und von Arzneimittelentwicklungsunternehmen verwendet wird41. Die aus C. ciliaris gewonnenen Verbindungen haben fungizide Natur und waren auch wirksam gegen Bakterien31,41, Cyclooxygenase (COX) I- und II-Aktivität42, Nierenschmerzen, Tumore und Wunden, was darauf hindeutet, dass seine Phytoextrakte toxisch sind28,43,44. P. monspeliensis-Samen keimen schnell und könnten bei Programmen zur Wiederherstellung salzhaltiger Wüstenböden wirksam sein45. Es entwickelt sich normalerweise im salzigen Ökosystem wie Sabkhas und kommt von der feuchten bioklimatischen Zone bis zur Sahara vor. Es erhält die Produktivität auch bei übermäßigem Salzgehalt und Trockenheit aufrecht17. P. monspeliensis (Kaninchenfußgras) spielt eine wesentliche Rolle bei der Nahrungs-, Futter-, Zier- und Sanierung von trockenen und salzhaltigen Böden, da es die Verwendung von Pflanzenarten ermöglicht, die auch unter widrigen Bedingungen gut keimen und sich etablieren. P. monspeliensis spielt eine wichtige Rolle bei der Phytoremediation, insbesondere aufgrund seiner Fähigkeit, Ni46 aufzunehmen. Obwohl Polpogan-Arten für ihre Nützlichkeit als Futter- und Unkrautpflanzen bekannt sind, wurde ihr Potenzial als Herbizide nicht umfassend untersucht40,47. Eine andere Grasart, allgemein Forrsk- oder Marvel-Gras (Dichanthium annulatum) genannt, ist ein mehrjähriges und dicht büscheliges Gras mit rhizombildenden Hauptstämmen. Es wird zur Behandlung von Ruhr und Menorrhagie eingesetzt28. Es ist im Nahen Osten, im tropischen Asien und in Teilen Afrikas beheimatet. An einigen Orten eingebürgert, beispielsweise in Australien47,48. D. annulatum besteht aus Na, Mg, K, Al, Ca, Fe, Si, Sr, Ti, Ba, H, Li, O, N, Ar und Cs, was seinen Ernährungsstatus verdeutlicht. In Pakistan wurde es nur aus Punjab, Sargodha, Sheikhupura und Ladhar aufgezeichnet. Insgesamt wurden diese Grasarten als Tierfutter und Heilpflanzen genutzt.

Unter Berücksichtigung der Feldbeherrschung, der leichten Verfügbarkeit dieser Gräser und ihrer Nützlichkeit im Viehfutter haben wir diese Studie mit dem Ziel konzipiert, das Vorhandensein verschiedener wertvoller sekundärer Pflanzenstoffe herauszufiltern, die ungefähre Zusammensetzung zu analysieren und die Dosis zu bewerten. abhängige Toxizität der Phytoextrakte aus diesen Gräsern von der Keimung und Wachstumsrate der Indikatorarten (Rhaphanus sativus). Die Ergebnisse dieser Studie könnten eine vielversprechende Richtung für die Entwicklung des Potenzials für Viehfutter und pflanzliche Herbizide sowie der Vor- und Nachteile bieten, die den phytotoxischen Auswirkungen invasiver Arten zugrunde liegen.

C. ciliaris, P. monspeliensis und D. annulatum wurden aus verschiedenen Gebieten des Punjab gesammelt. Alle Reagenzien und Chemikalien, die in diesem Experiment verwendet wurden und unten aufgeführt sind, wurden von der „Universität Lahore“ bezogen.

Die Pflanzenproben der Testgräser wurden im April 2018 in den Regionen Sargodha und Faisalabad in Pakistan gesammelt. Die Sammlung und Extraktion der Proben erfolgte nach der von Arora et al.41 beschriebenen Methodik. Die Pflanzen wurden gründlich gewaschen, im Labor bei Raumtemperatur getrocknet und dann zu einem feinen Pflanzenpulver gemahlen. Die Herstellung des Methanolextrakts umfasste das Mischen von 250 g Pflanzenmaterial mit 750 ml Methanol, das dann 36 Stunden lang einem Soxhlet-Rotationsgerät ausgesetzt wurde. Es wurde darauf geachtet, dass die Temperatur den Siedepunkt des entsprechenden Lösungsmittels nicht überstieg. Das Filtrat wurde mit Whatman-Filterpapier Nr. 1 abgetrennt und der resultierende Extrakt in Bechergläser gegeben und eine Woche lang bei Raumtemperatur belassen. Anschließend wurden die Extrakte mit einem Labor-Vakuumrotationsverdampfer bei 40 °C konzentriert, gewogen, etikettiert und zur weiteren Analyse in sterilisierten Flaschen bei 4 °C gelagert.

Die phytotoxische Aktivität von C. ciliaris, P. monspeliensis und D. annulatum wurde untersucht. Methanolextrakt dieser Pflanzen wurde in fünf verschiedenen Konzentrationen (10, 100, 500, 1000 und 10.000 ppm) hergestellt und auf ihre Fähigkeit, die Wurzellänge zu hemmen, getestet. Darüber hinaus wurden drei Konzentrationen (100, 1000 und 10.000 ppm) des Extrakts verwendet, um deren Wirkung auf die Keimung von Rettichsamen zu bewerten. Es wurde auch eine Sandwich-Methode mit feinem Pulver aller drei Grasarten (10, 30 und 50 mg) angewendet. Der Keimungstest für Rettichsamen und die Wurzelhemmung wurden gemäß dem Protokoll von Turker und Usta 200849 durchgeführt, während die Sandwich-Methode gemäß Fuji et al.50 durchgeführt wurde.

Alle Samen wurden zehn Minuten lang mit Natriumhypochlorit sterilisiert und anschließend mit destilliertem Wasser gewaschen51. Jede mit zwei Filterpapieren (Whatman Nr. 1) ausgelegte Petrischale (90 mm Durchmesser) wurde in jede Petrischale gestellt und dann wurden 5 ml fünf verschiedener Extraktkonzentrationen (10, 100, 500, 1000 und 10.000 ppm) hineingegeben Mit Hilfe einer Pipette in jede Platte geben. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels wurden jeder Petrischale 5 ml destilliertes Wasser zugesetzt. In jede Petrischale wurden zehn Samen gegeben, die dann fest verschlossen und bei 23 °C inkubiert wurden. Die Wurzellänge aller Samen wurde nach 1, 3 und 5 Tagen gemessen. Der Prozentsatz der Wachstumshemmung wurde anhand der angegebenen Formel gemessen.

PT für die Länge der Wurzeln von Samen, bei denen Extrakte angewendet wurden (Behandlungsgruppe), und PC für die Länge der Wurzeln, bei denen keine Extrakte verwendet wurden (Kontrollgruppe).

Dieses Experiment wurde durchgeführt, um das toxische Potenzial von methanolischem Extrakt aus drei verschiedenen Testgräsern zu überprüfen. Petrischalen mit Filterpapier wurden auf die gleiche Weise wie beim Wurzelhemmungsexperiment hergestellt. Die Hauptunterschiede waren jedoch die Konzentration der Extrakte und die Anzahl der verwendeten Samen. In diesem Experiment wurden hundert Rettichsamen mit drei verschiedenen Extraktkonzentrationen (100, 1000 und 10.000 ppm) verwendet. Der Keimungsprozess wurde täglich beobachtet und die Keimrate wurde fünf Tage lang aufgezeichnet. Der Keimungsindex wurde anhand einer speziellen Formel berechnet.

wobei N1, N2, N3

Als Standard diente die Kontrollgruppe ohne Behandlung. Die Petrischalen wurden bei Raumtemperatur aufbewahrt und die Keimrate wurde fünf Tage lang täglich aufgezeichnet.

Bei der Sandwich-Methode wurde eine Agarlösung (0,5 % w/v) hergestellt und 15 Minuten lang bei 121 °C autoklaviert. Unterschiedliche Mengen Pflanzenmaterial (10, 30, 50 mg) wurden in Petrischalen eingelegt. Mit Hilfe einer Pipette wurden 5 ml Agar als erste Schicht auf das Pflanzenmaterial aufgetragen, feines Pulver von C. ciliaris, P. monspeliensis und D. annulatum nach oben bewegt, und dann wurde das Pulver gelatineartig, wiederum wurde Pflanzenmaterial darauf platziert gelatineartiges Pulver, und dann wurde Agar als zweite Schicht aufgetragen. In jede Petrischale wurden fünf Rettichsamen auf die oberste Agarschicht gelegt. Petrischalen wurden mit Aluminiumfolie abgedeckt und bei Raumtemperatur in einen Inkubator gestellt. Das Wachstum der Samen wurde durch Messung der Länge des unteren Pflanzenteils (Wurzel) und des oberen Teils (Hypokotyl) nach 72 Stunden für jeden wachsenden Samen beobachtet. Die Wirkung des Extrakts auf die Wurzel wurde anhand der folgenden Gleichung bewertet

PT zeigt eine Wurzelhemmung durch Behandlungsgruppen an und PC zeigte die Kontrolle oder Behandlung von 0 Konzentrationen.

Qualitative phytochemische Tests wurden gemäß dem Protokoll von52 durchgeführt.

Mayer-Reagenz und Dragendorff-Reagenz wurden hergestellt, um das Vorhandensein oder Fehlen von Alkaloiden zu überprüfen. Zur Herstellung des Mayer-Reagenz wurden zwei Lösungen hergestellt. In einer Lösung wurde Quecksilberchlorid (0,356 g) mit 60 ml Wasser gemischt, und für eine andere Lösung wurde Kaliumiodid (5 g) mit 20 ml Wasser gemischt. Zur Herstellung des Dragendorff-Reagenzes wurden zwei Lösungen hergestellt, für eine Lösung wurden 80 ml destilliertes Wasser mit 1,7 g basischem Wismutnitrat und Weinsäure (20 g) gemischt, für eine andere Lösung wurden 40 ml destilliertes Wasser gemischt 16 g Kaliumiodid. Beide vorbereiteten Lösungen wurden im Verhältnis 1:1 gut gemischt. Die Mischung aus 0,5 g Pflanzenextrakt und 8 ml 1 %iger HCl wurde hergestellt, erwärmt und filtriert. Das erhaltene Filtrat wurde zur Unterscheidung mit beiden vorbereiteten Reagenzien behandelt. Trübung oder Niederschlag sind ein Hinweis auf positive Testergebnisse, die das Vorhandensein von Alkaloiden in C. ciliaris belegen.

Zur Entfernung von Fettstoffen wurden 0,5 g frisch zubereitete Extrakte mit Petrolether vermischt. Diese Mischung wurde mit 80 %igem Ethanol (20 ml) versetzt und dann filtriert. Das erhaltene Filtrat wurde zur Herstellung einer Mischung aus diesem Filtrat und 1 % KOH (4 ml) verwendet. Das dunkelgelb gefärbte Filtrat ist ein Hinweis auf positive Ergebnisse für Flavonoide.

0,5 g Extrakt wurden in ein Reagenzglas gegeben, das Filterpapier wurde mit 1 M NaOH angefeuchtet und anschließend wurde das Reagenzglas mit diesem Filterpapier abgedeckt. In einem Becherglas wurde Wasser zum Kochen gebracht. Wenn das Wasser den Siedepunkt erreicht, wird das Reagenzglas für einige Minuten darin positioniert, dann aus dem Wasser genommen und das Papier aus dem Reagenzglas entfernt. Es wurde im UV-Licht beobachtet und die gelbe Fluoreszenz weist auf das Vorhandensein von Cumarinen hin.

Zur Identifizierung der Phenole wurde eine FeCl3-Lösung hergestellt. 3–4 Tropfen dieser Lösung wurden mit Pflanzenextrakt behandelt, um die Phenole zu identifizieren. Eine bläulich-schwarze Farbe weist auf das Vorhandensein von Phenolen hin.

0,5 g Extrakt wurden in kochendes Wasser in ein Reagenzglas gegeben, dann wurde das Reagenzglas auf Raumtemperatur abgekühlt. Schaumbildung weist auf das Vorhandensein von Saponinen hin.

Zur Identifizierung von Tanninen wurden 0,5 g Extrakt mit destilliertem Wasser (20 ml) im Reagenzglas vermischt, aufgekocht und diese Mischung filtriert. Das erhaltene Filtrat wurde mit 0,1 % frisch hergestellter FeCl3-Lösung vermischt. Eine bräunlich-grüne oder bläulich-schwarze Farbe ist ein Hinweis auf das Vorhandensein von Tanninen.

Frühere Untersuchungen zeigen einen Zusammenhang zwischen natürlichen Nährstoffen und Rohextrakten, die in konventionellen Medikamenten verwendet werden53. Eine Näherungsanalyse wurde durchgeführt, um den Prozentsatz an Feuchtigkeitsgehalt, Trockenmasse, Protein, Fett und Rohfaser zu ermitteln, indem die Methode54 befolgt wurde. Der Feuchtigkeitsgehalt wurde nach der Methode von Nancy Trautmann und dem gleichen Verfahren von Ashraf et al.30 gemessen. Zur Bestimmung des Rohproteinanteils wurde die berühmteste Kjeldahl-Methode verwendet, und die Fettextraktion erfolgte mit einem Soxhlet-Gerät. Zur Schätzung des Rohfaseranteils wurden Säure-Base-Behandlungen eingesetzt.

Der Feuchtigkeitsgehalt des Grases wurde nach dem Protokoll von Nancy Trautmann und Tom Richard berechnet. Zuerst wurde ein kleiner Behälter gewogen und dann 1 g Pflanzenmaterial für 24 Stunden in den Ofen bei 105–110 °C gegeben, um jegliche Feuchtigkeit zu entfernen. Danach wurde die Probe erneut gewogen und das Gewicht des Behälters abgezogen. Der Feuchtigkeitsgehalt wurde anhand der folgenden Formel berechnet.

Mn steht für den Feuchtigkeitsgehalt (%) des Materials, n und WW für das Nassgewicht der Probe, und Wd ist das Gewicht der Probe nach dem Trocknen.

Gemäß den von Poitevin et al.55 beschriebenen AOAC-Methoden wurde die Trockenmasse mithilfe der Formel bestimmt

Der Gesamtstickstoffgehalt der Proben wurde mit der Mikro-Kjeldahl-Methode bestimmt. Fein gemahlenes Material (1 g) wurde mit 3 g Aufschlussgemisch (Quecksilbersulfat (HgSO4) und Kaliumsulfat (K2SO4) im Verhältnis 1:9 und 20 ml konzentrierter H2SO4 in einen Aufschlusskolben gegeben. Die Proben wurden in einem gekocht Das aufgeschlossene Material wurde auf 250 ml verdünnt. Zehn ml wurden in die Mikro-Kjeldahl-Destillationsapparatur überführt und in Gegenwart von 50 mg Zn-Staub und 10 ml NaOH (40 %) destilliert. Das Destillat wurde in einer Vorlage gesammelt, die 5 ml Borsäure (2 %) und Methylrot als Indikatorlösung enthielt. Der Inhalt der Vorlage wurde gegen Schwefelsäure bis zu einem hellrosa Farbendpunkt titriert. Aus dem Volumen der Säure wurde der Prozentsatz ermittelt Stickstoff wurde geschätzt und Protein wurde anhand der Formel bestimmt:

Eine getrocknete Probe wurde mit Petrolether (400 °C–600 °C) in einem Soxhlet-Gerät extrahiert, um den Lipidgehalt abzuschätzen und die etherlösliche Komponente zu entfernen. Das extrahierte Material wurde in einem Ofen bei 700 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Der Lipidgehalt wurde nach folgender Formel berechnet:

Die Pflanzprobe wurde in Gegenwart von 1,25 % NaOH gekocht, gefolgt von 1,25 % H2SO4, um alkali- und säurelösliche Bestandteile aufzulösen. Der Rohfaser enthaltende Rückstand wurde bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Zur Berechnung der Rohfaser wurde der Gewichtsverlust beim Glühen im Muffelofen bei 500 °C herangezogen.

Eine getrocknete Probe (1 g) wurde in einer oxidierenden Flamme karbonisiert, bis keine Dämpfe mehr austraten. Anschließend wurde es bei 600 °C in einem Muffelofen gezündet, um alle organischen Stoffe zu verbrennen.

Die Daten wurden mit der Software Microsoft Excel 2010 sortiert, die statistische Analyse wurde mit Statistix 8.1 (Analytical Software, Tallahassee, FL, USA) durchgeführt. Eine einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA) wurde durchgeführt, um Unterschiede zwischen den Behandlungen festzustellen. Der LSD-Test (Least Significant Difference) wurde durchgeführt, um signifikante Unterschiede zwischen den Mittelwerten festzustellen. Ein Wert von p < 0,01 bedeutet statistische Signifikanz.

C. ciliaris, P. monspeliensis und D. annulatum wurden an der Universität Lahore, Lahore, Pakistan, gesammelt. Alle Experimente wurden in Übereinstimmung mit den einschlägigen Richtlinien und Vorschriften durchgeführt.“

Rettichsamen (Rhaphanus sativus) wurden verwendet, um die Toxizitätswerte der Extrakte aus drei Gräsern zu bewerten. Die Auswahl der Rettichsamen basierte auf deren einfacher Keimung, Erschwinglichkeit, schneller Wachstumsrate und ganzjähriger Verfügbarkeit. Das Experiment wurde unter kontrollierten Bedingungen mit Methanolextrakt in einer Konzentration von 10 ppm durchgeführt und die maximale Wurzellänge wurde vom ersten bis zum fünften Tag der Keimung beobachtet, während die Wurzelhemmung am geringsten war. Die Hemmung der Wurzellänge wurde durch Erhöhung der Konzentration der Methanolextrakte verstärkt, wobei die maximale Hemmung bei 10.000 ppm beobachtet wurde. Darüber hinaus zeigte P. monspeliensis bei einer Methanolextraktkonzentration von 10.000 ppm die höchste Wurzelhemmung (83,58 %), gefolgt von C. ciliaris (73,39 %) und D. annulatum (67,42 %), wie in Abb. 1 gezeigt.

Wurzelhemmung von Rettichsämlingen bei verschiedenen methanolischen Konzentrationen des methanolischen Extrakts von C. ciliaris, P. monspeliensis und D. annulatum.

Daten zur Keimungsrate von Rettichsamen durch methanolische Extrakte von P. monspeliensis, C. ciliaris und D. annulatum sind in Abb. 2 dargestellt. Die maximale Keimungsrate wurde unter kontrollierten Bedingungen (kein Methanolextrakt) vom ersten bis zum fünften Tag beobachtet der Keimung. Die Keimungsrate der Samen wurde durch steigende Konzentrationen des zubereiteten Methanolextrakts linear verringert. Die minimale Keimungsrate betrug 21,12 %, 31,6 % und 36,07 % durch Methanolextrakt von 10.000 ppm P. monspeliensis, C. ciliaris und D. annulatum, wie in Abb. 3 dargestellt.

Keimungsrate von Rettichsämlingen bei unterschiedlichen Konzentrationen des methanolischen Extrakts von C. ciliaris, P. monspeliensis und D. annulatum.

Hemmungsrate sowohl der Wurzel als auch des Hypokotyls von Rettichsämlingen bei unterschiedlichen Mengen an C. ciliaris-, P. monspeliensis- und D. annulatum-Pflanzenpulver.

Petrischalen wurden sterilisiert und für drei Wiederholungen jeder ausgewählten Menge (10, 30, 50 mg) Pflanzenmaterial verwendet. Zwei Schichten Agar-Gel wurden verwendet, um das Pflanzenmaterial einzuschichten. und die Samen wurden auf der oberen Agarschicht positioniert. Die Petrischalen wurden dann mit Aluminiumfolie abgedeckt und 72 Stunden lang im Dunkeln aufbewahrt, um etwaige Hemmungen der Wurzellänge und des Hypokotyls zu beobachten. Die Zugabe von Pflanzenpulver führte zu einer Erhöhung der Hemmrate. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass im Vergleich zur Kontrollgruppe die maximalen Hemmungsraten für die methanolischen Extrakte von P. monspeliensis, C. ciliaris und D. annulatum 14,02 %, 9,80 % bzw. 6,23 % betrugen, wie in Abb . 3.

Durch die Bewertung ihrer chemischen Inhaltsstoffe können verschiedene biologische Aktivitäten von Pflanzen bestimmt werden. In der vorliegenden Untersuchung wurde eine qualitative phytochemische Analyse des Methanolextrakts aller drei Grasarten durchgeführt. Das phytochemische Screening zeigte, dass Alkaloide, Flavonoide, Phenole, Cumarine und Saponine in C. ciliaris, P. monspeliensis und D. annulatum vorhanden waren, während Tannine in allen ausgewählten Grasarten fehlten, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Bei der Betrachtung der Bedeutung der Flora und der Bestimmung des Gesundheitsgehalts von Pflanzen ist es wichtig, ihre chemische Zusammensetzung zu bewerten. Neben der Bereitstellung von Informationen zur Futterqualität kann die Nahanalyse auch die TDN und den Energieverbrauch von Tieren verschiedener Arten und Klassen abschätzen. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Beurteilung der Eignung von Pflanzenarten für die Bedürfnisse verschiedener Wiederkäuer. Rohprotein und verdauliche Nährstoffe sind zwei Faktoren, die mit dem Futterwert zusammenhängen. Die Produktion von Milch, Fleisch und die Fortpflanzung von Tieren sind alle auf Rohprotein angewiesen. C. ciliaris, P. monspeliensis und D. annulatum wurden für die Analyse der ungefähren Zusammensetzung von Feuchtigkeit, Rohprotein, Rohfett, Rohfaser, Trockenmasse und Asche analysiert. Die Werte sind in Tabelle 2 dargestellt.

Phytochemikalien sind pflanzliche Verbindungen; Zu dieser Gruppe gehören auch sekundäre Stoffwechselchemikalien56,57. Phytochemikalien sind in erster Linie für die therapeutische Wirkung von Pflanzen verantwortlich28. Diese Verbindungen erhöhen die Nährstoffaufnahme und -verwertung bei Tieren, stärken ihr Immunsystem und verbessern ihre allgemeine Gesundheit und Produktivität58. Unsere Forschung konzentrierte sich auf drei invasive Grasarten und ermittelte den Grad der Toxizität, die phytochemische Analyse und die ungefähre Zusammensetzung. Laut phytochemischen Untersuchungen, die an ausgewählten invasiven Gräsern durchgeführt wurden, wurden in C. ciliaris, P. monspeliensis und D. annulatum Alkaloide, Flavonoide, Phenole, Cumarine und Saponine nachgewiesen, während Tannine nicht nachgewiesen wurden. Alkaloide wirken als natürliche Insektizide und können die Tiere vor durch Insekten übertragenen Krankheiten schützen59. Flavonoide und Phenole haben antioxidative Eigenschaften und können schädliche freie Radikale abfangen und so oxidativen Stress und Entzündungen reduzieren60,61,62. Alkaloide und Saponine in der Pflanze machen die Pflanzenextrakte zu potenziellen Antimykotika63. Saponine verbessern die Verdauung und Aufnahme von Nährstoffen, indem sie die Durchlässigkeit der Darmwand erhöhen und dadurch die Futtereffizienz verbessern64. Das Vorhandensein dieser sekundären Pflanzenstoffe im Testgras lässt daher darauf schließen, dass sie die Gesundheit und Leistung von Nutztieren verbessern können. Darüber hinaus ist das Fehlen von Tanninen im Testgras ein Vorteil für Nutztiere, da Tannine die Nährstoffaufnahme beeinträchtigen und die Schmackhaftigkeit der Nahrung verringern. Tannine binden Proteine ​​und Kohlenhydrate und machen das Futter für die Verdauung unzugänglich. Tannine können Adstringenz und Bitterkeit hervorrufen, die die Futterakzeptanz bei Tieren beeinträchtigen65. Insgesamt deutet das Fehlen ernährungshemmender Faktoren in den Testgräsern darauf hin, dass es sich um eine gute Futteroption für alle Nutztiere handeln kann.

Die phytotoxischen Ergebnisse der Samenkeimung, der Wurzelhemmung und der Experimente mit der Sandwich-Methode lassen darauf schließen, dass die getesteten Gräser ein gewisses Maß an Toxizität aufweisen, das als natürliches Herbizid genutzt werden kann. Die getesteten Gräser zeigten Phytotoxizität aufgrund des Vorhandenseins bestimmter sekundärer Pflanzenstoffe, die als natürliche Herbizide verwendet werden können. Dies bietet eine vielversprechende und umweltfreundliche Lösung für Landwirte, die Alternativen zu synthetischen Herbiziden suchen, die der Umwelt und der menschlichen Gesundheit schaden können. Die Gräser können das Unkrautwachstum hemmen, indem sie ihre Stoffwechselprozesse stören oder ihre Zellmembranen zerstören. Dieses natürliche Herbizid kann kostengünstig und nachhaltig sein und einen wertvollen Beitrag zur nachhaltigen Landwirtschaft leisten.

Polypogon monspenliens kann mehr Phytosiderophore und organische Säuren produzieren, darunter Zitronen-, Essig-, Oxal- und Apfelsäure. Es ist für Weidegras geeignet; Es verhindert Eisenchlorose in kalkhaltigen Böden und Zwischenfruchtsystemen mit Obstbäumen17. Zu den bioaktiven Verbindungen in D. annulatum gehören Flavonoide, Terpenoide, Alkohole, Phenole und Fettsäuren. Es wurde festgestellt, dass Hexadecansäure (20–38 %) häufiger vorkommt als andere Verbindungen, die zur Krankheitsprävention beitragen28. Die Ergebnisse zeigten, dass methanolische Extrakte von invasiven Testgräsern die Entwicklung von Radieschensamenproben beeinflussten. Im Vergleich zur Wurzellänge wurde der Keimungsprozess weniger unterdrückt. Wurzeln sind Quellen für die Absorption und Sammlung von Mineralien, daher haben Pflanzenextrakte einen erheblichen Einfluss auf die Wurzeln66,67. Turk et al.68 erklärten, dass sich entwickelnde Phänomene anfälliger für phytotoxische Allelochemikalien seien als die Keimung. Integumentsamen standen nicht in direktem Kontakt mit giftigem Pflanzenextrakt; Wurzeln wurden stärker gestört als Samen, da ein verkümmertes Wurzelwachstum beobachtet wurde. Samen waren weniger betroffen; es könnte daran liegen, dass ihre Hüllen sie schützten. Dandelot et al.69 stellten fest, dass Probensamen weniger empfindlich auf Phytotoxine reagierten als Sämlinge. Die Toxizität von Phytoextrakten hemmt die Wurzel- und Luftentwicklung der Pflanzen, selbst wenn die Samen keimen70. Diese Ergebnisse zeigten, dass die höchsten Konzentrationen von Methanolextrakten die Pflanzenentwicklung behindern und möglicherweise weiter untersucht werden, um pflanzliche Herbizide zu entwickeln. P. monspeliensis weist eine hohe Biomasseproduktionsrate auf. Bei einem Salzgehalt von 100 mm NaCl wurde gezeigt, dass die Samenkeimung drastisch reduziert war (Keimungsrate 8 %) (P < 0,0001, F = 43,133), aber die Samenkeimung setzte sich auch bei 300 mm NaCl fort. Maximales Wachstum ist bei leichtem Salzgehalt (50 mm) möglich45.

Der Ansatz der Sandwich-Methode war hilfreich, um die toxische Natur der Pflanze herauszufinden. Anjum und Kollegen verwendeten den Sandwich-Ansatz, um die erhebliche hemmende Wirkung von Albizia lebbeck und Broussonetia papyrifera zu untersuchen, während sie den hemmenden Einfluss von 14 Heilpflanzen untersuchten71. Eine weitere Studie nutzte die Sandwich-Technik, um die hemmende Wirkung von Ziziphus spina-christi, Desf., Juglans regia, Lavandula stoechas, Artemi-siaherba-alba Asso., Rosmarinus officinalis und Cenchrus ciliaris auf Chicorée (Cichorium pumilum) und Berseem (Trifolium) zu bewerten Alexandrinum). Sieben verschiedene Mengen (0, 2,5, 3,75, 5,6, 6,5, 7,5 und 12,5 %) Pflanzenpulver wurden verwendet und führten bei der maximalen Menge an Pflanzenpulver zu einer erheblichen (51 %) hemmenden Wirkung von C. ciliaris auf Berseem-Samen72.

Im Vergleich zu den anderen chemischen Inhaltsstoffen wurde in unserer Probe eine relativ geringe Menge Asche gefunden. Zu den Faktoren, die den Aschegehalt beeinflussen, gehören: Wetter, Dürre, Luftfeuchtigkeit, Reifestadium und die zu einer bestimmten Jahreszeit entnommene Probe15. Pflanzen benötigen für ihre vegetative Entwicklung verschiedene stickstoffhaltige Nahrungsmittel. Die drei Grundbausteine ​​des Lebens sind Eiweiß, Kohlenhydrate und Fett. In Samen enthaltene Proteine ​​sind für die Pflanzenernährung von entscheidender Bedeutung73,74. Die Pflanze speichert Proteine ​​in den frühen Entwicklungsstadien gut; Es wird dann während der Blüte und Fruchtbildung sowie während der Ruhephase verwendet, wenn sich ihr Ernährungszustand verschlechtert75. Der Rohproteinverbrauch der Wiederkäuer in der Nahrung variiert je nach Art, Geschlecht und physiologischem Zustand zwischen 7 und 20 %76. Unsere Testgräser hatten CP-Werte zwischen 7,25 und 13,95 %, was darauf hindeutet, dass sie als Tierfutter geeignet sind. Der Grenzwert von etwa 3,6 % Rohprotein im Futter ist verbindlich77. D. annulatum, eines unserer Testgräser, hatte den höchsten CP-Wert (> 13). CP-Konzentrationen von mehr als 13 % deuten darauf hin, dass Pflanzen mit hohem Proteingehalt, insbesondere Sträucher, als Ergänzung zu minderwertigem Raufutter zur Förderung der Wiederkäuerbestände genutzt werden können78. D. annulatum enthält Nahrungsbestandteile (hauptsächlich Magnesium) in beträchtlichen Konzentrationen, die in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie genutzt werden könnten28. Lipide sind eine hervorragende Energiequelle und helfen beim Transport fettlöslicher Vitamine, beim Schutz und Erhalt lebenswichtiger Gewebe und bei der Ausführung wesentlicher Zellfunktionen. D. annulatum besteht aus mehreren Kohlenwasserstoffen, Fettsäuren, Alkoholen und flüchtigen Chemikalien. Pflanzen profitieren vom Feuchtigkeitsgehalt, da er die Verarbeitung, Lagerung und den Transport von Lebensmitteln reguliert79. Sasoli et al.77 berichteten über 28,08 % CP, 3,02 % EE und 5,15 % Asche in Polupogan monspeliensis, während Cenchrus ciliaris 20,56 % CP, 3,10 EE % und 19,59 % Asche aufwies. Die Rohfaser in Lebensmitteln weist auf das Vorhandensein unverdaulicher Kohlenhydrate und Lignin hin. Rohfaser unterstützt die Verdauung der Nahrung; Ein Überschuss kann zu Darmbeschwerden, verminderter Essbarkeit und einer geringeren Nährstoffaufnahme führen80,81. Kirwa et al.82 beobachteten erhebliche Unterschiede zwischen den C. ciliaris-Ökotypen und Rohfasergehalten im Bereich von 38,4 bis 32,4 %. Hoyam und Mitarbeiter kamen zu ähnlichen Ergebnissen; Sie schlugen vor, dass die Zusammensetzung von Cenchrus ciliaris für Nutztiere geeignet sei. Die Forschungsergebnisse zeigten 92,17 % DM, 91,14 % OM, 14,41 % CP, 0,87 % EE, 55,88 % ADF, 75,00 % NDF, 7,50 % ADL, 11,15 % NFE, 10,80 % IVOMD und 1,73 % ME bei Cenchrus ciliaris83.

Die vorläufigen Ergebnisse der Zusammensetzung deuten darauf hin, dass die ausgewählten Grasarten für Nutztiere äußerst wirksam sind. Der hohe Trockenmasseanteil weist auf einen hohen Nährstoffgehalt pro Gewichtseinheit hin, der für die Deckung des Nährstoffbedarfs von Nutztieren wertvoll ist84. Der niedrige Feuchtigkeitsgehalt weist darauf hin, dass das Gras problemlos gelagert werden kann, ohne dass die Gefahr des Verderbens besteht85. Ein hoher Rohproteingehalt liefert essentielle Aminosäuren, die für das Wachstum, die Erhaltung und die Reparatur tierischer Gewebe erforderlich sind. Rohfett dient den Tieren als Energiequelle, während der Ballaststoffgehalt die Verdauung unterstützt und die Darmgesundheit aufrechterhält86. Der Aschegehalt im Gras liefert wichtige Mineralien für die Tiergesundheit. Insgesamt deuten die Ergebnisse der vorläufigen Zusammensetzung darauf hin, dass es sich bei den Versuchsgräsern um hochwirksame und nahrhafte Futtermittel für Nutztiere handelt, die die Produktivität und die allgemeine Gesundheit fördern können.

In der aktuellen Studie wurden die toxischen Wirkungen von Methanolextrakten aus allen Testpflanzen (C. ciliaris, P. monspeliensis und D. annulatum) mittels Rettichsamen-Keimungstest, Wurzelhemmungstest und Sandwich-Methode bewertet. Diese Studie zeigte also, dass alle drei Grasarten bioaktive toxische Prinzipien aufweisen. Phytochemische Tests waren für alle außer Tanninen positiv. Wir kamen zu dem Schluss, dass diese Pflanzen toxische Auswirkungen auf das Wachstum und die Keimung haben und im Detail untersucht werden könnten, um ihren Nutzen bei der Herbizidbildung zu überprüfen. Darüber hinaus hat es auch viele positive Auswirkungen auf die Viehfütterung und die Landwirtschaft. Es bedarf jedoch zusätzlicher Toxizitätsforschung, um mehr über die Mengenveränderung zu erfahren und Informationen über die Trennung und Struktur dieser bioaktiven Verbindungen zu erhalten, die für die Toxizität verantwortlich sind.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Shaista Jabeen und Muhammad Fraz Ali.

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Mehdi Rahimi

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Konzeptualisierung: SJ und SC; Datenkuration: MFA, TJ, MAJ; formale Analyse, SC-, BA- und MAJ-Finanzierung: NSM, MR-Untersuchung: SJ und LZ; Methodik: SJ, SC und LZ; Ressourcen: MR; Software: AMUD und BA; Validierung: BA, MAJ, AMUD; Visualisierung, SC; Schreiben – Originalentwurf, SJ, MFABA und LZ; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten, AMUD, TJ, NSM, SC, BA, MR

Korrespondenz mit Lixin Zhang oder Mehdi Rahimi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Jabeen, S., Ali, MF, Mohi ud Din, A. et al. Phytochemisches Screening und allelopathisches Potenzial von Phytoextrakten von drei invasiven Grasarten. Sci Rep 13, 8080 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35253-x

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Eingegangen: 25. November 2022

Angenommen: 15. Mai 2023

Veröffentlicht: 18. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35253-x

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