Ocena fitotoksyczności i selektywności olejku tatarakowego oraz ustalenie docelowych miejsc jego oddziaływania w korzeniach zarodkowych dwóch gatunków uprawnych (Vicia faba L. var. minor i Lupinus luteus L.) oraz segetalnych (Brassica napus L. i Arabidopsis thaliana L.)

Abstract

Rosnące ograniczenia stosowania herbicydów syntetycznych nasilają poszukiwania zrównoważonych alternatyw pochodzenia roślinnego. W pracy oceniono fitotoksyczność, selektywność i mechanizm działania olejku eterycznego z kłączy tataraku zwyczajnego (Acorus calamus L., SEO) łącząc podejścia biochemiczne, cytologiczne oraz molekularne. Analiza składu olejku wykazała dominację fenylopropanoidów, w tym β-azaronu oraz obecność seskwiterpenów. Ustalono gatunkowo specyficzne stężenia IC₅₀: dla Fabaceae (Vicia faba: 0,03%; Lupinus luteus: 0,025%) oraz Brassicaceae (Brassica napus: 0,01%; Arabidopsis thaliana: 0,005%). 24-godzinna ekspozycja na zemulgowany SEO indukowała spadek biomasy korzeni, uszkodzenia błon i wyciek elektrolitów oraz obniżenie żywotności komórek związane ze wzrostem reaktywnych form tlenu (ROS). Pomimo aktywacji odpowiedzi antyoksydacyjnej, stwierdzono peroksydację lipidów oraz zmiany metaboliczne potwierdzone kalorymetrią izotermiczną i analizami biochemicznymi. Przedstawiciele Fabaceae wykazywały większą odporność niż Brassicaceae. W merystemach, ROS akumulowały się głównie w organellach prowadząc do uszkodzenia błon, zahamowania heksokinazy (HXK) i aktywacji MAPK. Indukcji pęknięć DNA i stresu replikacyjnego, towarzyszył remodeling chromatyny, hipermetylacja DNA, spadek transkrypcji, wakuolizacja jąderek oraz zmiany epigenetyczne, wskazujące na aktywację genów stresowych. Zaobserwowano akumulację komórek w fazie G1, spadek liczby komórek replikujących oraz wydłużenie fazy S przy aktywacji mechanizmów naprawczych (γ-H2AX modyfikacje histonów). SEO nie indukował fragmentacji DNA ani endoreduplikacji. Redukował liczbę mitoz i powodował akumulację komórek w metafazie i powstanie aberracji chromosomowych, związanych z nadmierną stabilizacją cytoszkieletu oraz zaburzeniami regulacji kinazy Cdc2 i fosfatazy PP1/2A. Łącznie wyniki wskazują na wielotorowy mechanizm działania SEO, obejmujący zaburzenia błon, metabolizmu, sygnalizacji, organizacji chromatyny i cytoszkieletu, co tłumaczy selektywność między rodzinami roślin i ogranicza ryzyko rozwoju odporności, czyniąc z SEO obiecującego kandydata na bioherbicyd w rolnictwie zrównoważonym.

Growing restrictions on synthetic herbicide use intensify the search for sustainable plant-derived alternatives. Combining biochemical, cytological, and molecular approaches, we assessed the phytotoxic effects, selectivity, and mechanism of action of essential oil from rhizomes of Acorus calamus L. (SEO). Oil consists of phenylpropanoids, mainly β-asarone, with sesquiterpenes. Species-specific IC₅₀ values were established for Fabaceae (Vicia faba: 0.03%; Lupinus luteus: 0.025%) and Brassicaceae (Brassica napus: 0.01%; Arabidopsis thaliana: 0.005%). A 24-h exposure to emulsified SEO reduced root biomass, impaired membrane integrity, increased electrolyte leakage, and decreased viability due to elevated reactive oxygen species (ROS). Despite activation of antioxidant responses, lipid peroxidation and metabolic alterations occurred, confirmed by isothermal calorimetry and biochemical analyses. ROS accumulated mainly in organelles, affecting hexokinase activity and MAPK signaling. DNA breaks and replication stress were followed by chromatin remodeling, DNA hypermethylation, reduced transcription, nucleolar vacuolization, and stress-related epigenetic marks. Cells accumulated in G1-phase, the fraction of S-phase cells declined, with prolonged phase duration and activation of repair mechanisms (γ-H2AX and histone marks). SEO did not cause extensive DNA fragmentation or endocycling but reduced mitotic activity, causing metaphase arrest and chromosome aberrations associated with excessive cytoskeletal stabilization. It also interfered with mitotic regulation through Cdc2 kinase and PP1/2A phosphatases. Comparative analyses revealed greater resilience of Fabaceae to Brassicaceae. Overall, SEO acts through a complex, multitarget mechanism involving disruption of membranes, metabolism, signaling, chromatin, and cytoskeletal dynamics. This systemic action explains interfamily selectivity and may reduce resistance development, supporting SEO as a promising bioherbicide candidate for sustainable agriculture.