Dynamic of allelopathically active polyphenolic substances of Myriophyllum verticillatum L. and factors influencing allelopathic effects on phytoplankton

Abstract

Durch die Freisetzung allelopathisch aktiver Substanzen können Makrophyten das Wachstum von Phytoplankton beeinflussen und damit den Klarwasserzustand von Flachseen stabilisieren. Umweltfaktoren beeinflussen allelopathische Effekte und wurden untersucht, um die Bedeutung allelopathischer Effekte im Ökosystem einzuschätzen. Der Gehalt allelopathisch aktiver polyphenolischer Substanzen zeigte Schwankungen bis zu einer Größenordung im Apikalmeristem von Myriophyllum verticillatum L innerhalb von vier Jahren 2004-2007, die nur teilweise durch den Nährstoffgehalt in der Pflanze erklärt wurden. Der Gehalt an Polyphenolen in der Trockenmasse der Pflanze korrelierte mit der Wachstumshemmung von Anabaena variabilis im Biotest und zeigte Maxima im Mai bis Juli wenn Konkurrenz mit dem Phytoplankton um Licht beim Wachstum zur Wasseroberfläche besteht. Mittels HPLC und MS gelang die Identifizierung von Hexahydroxydiphenoyl di- und -tri-galloylglucose Isomeren in den hauptaktiven Fraktionen des Pflanzenextraktes. Abiotische und biotische Einflüsse der Umwelt auf die Allelochemikalie z.B. photolytische und mikrobielle Umwandlungsprozesse führten bei der Modellsubstanz Tanninsäure (TA), die in Struktur und Funktion den gefundenen Allelochemikalien ähnelt, zur Bildung von refraktären hochmolekularen Verbindungen mit anhaltender allelopathischer Wirkung, die mittels LC-OCD den Huminstoffe zugeordnet wurden. Temperatur als weiterer Umweltfaktor beeinflusste artspezifisch die Reaktion der untersuchten Algen auf TA. Dabei waren die Art und das Ausmaß der Reaktion von der Anwesenheit von Bakterien abhängig. Bakterien der Gattung Pseudomonas wurden isoliert, die in der Lage waren, TA abzubauen und deren allelopathische Effekte zu mindern. Es konnten gezeigt werden, dassl Umwelteinflüsse auf die Allelochemikalie, mutualistische Phytoplankton-Bakterien Interaktionen und die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft allelopathische Effekte qualitativ als auch quantitativ beeinflussten.

Abstract

Dissolved organic compounds released by macrophytes can have allelopathic effects on phytoplankton and thereby contribute to stabilize the clear water state of shallow lakes. Identifying factors influencing allelopathy enables evaluating allelopathic effects in the ecosystem.One factor is the temporal dynamic of allelopathically active substances and was investigated as total phenolic compounds(TPC). TPC ranged by an order of magnitude in apicals of Myriophyllum verticillatum L. during four years (2004-2007). Nutrient content partly explained TPC dynamic. The highest amounts of TPC in plant tissue corresponded to maximal growth inhibition of Anabaena variabilis in biotest from May to July when macrophytes compete with algae for light to grow to the water surface. Isomers of Hexahydroxydiphenoyl -di- and -trigalloylglucose identified by HPLC and LC-MS were found in the most allelopathically active fractions in the biotest. By the use of analytical and molecularbiological methods photolytic transformation and degradation by bacteria, changes in mutualistic interaction of bacteria and phytoplankton and shifts in bacterial community composition were identified as factors influencing the allelochemical and the phytoplankton response to TA quantitatively and qualitatively. Photolytic and microbial transformation formed long lasting allelopathically active degradation products of an allelopathic test substance, tannic acid (TA). Temperature was shown to influence the phytoplankton response to TA species specifically varying with presence or absence of bacteria. Bacteria community composition mediated phytoplankton response and specific bacteria as Pseudomonas sp.were able to degrade allelochemicals as TA and thereby lowered the allelopathic effect. Thus, allelopathic effects can be influenced by abiotic and biotic factors acting on the allelochemical, the target organisms and on mutualistic interaction between target organisms altering the outcome of allelopathic effects.