Investigation of the Bio-Herbicidal Potential of Essential Oils from Origanum onites L., Origanum majorana L., and their Hybrid (O. onites × O. majorana) on the Germination of Some Weed Seeds

Abstract

The extensive use of synthetic herbicides drives the need for eco-friendly alternatives. This study evaluated the bio-herbicidal potential of essential oils (EOs) from Origanum onites (ORION), O. majorana (ORIMA), a 50% mixture, and an interspecific hybrid (O. onites × O. majorana, MELEZ). Six doses (0.5-16 µl/petri) were tested against ten weed species (Amaranthus albus L., A. hybridus L., A. retroflexus L., Avena sterilis L., Echinochloa colonum (L.) Link, Hirchfeldia incana (L.) Lagr.-Foss., Lolium multiflorum Lam., Portulaca oleracea L., Setaria verticillata (L.) P. Beauv., and Sinapis arvensis L.) (under laboratory conditions. All EOs showed dose-dependent inhibition of seed germination, with complete suppression (100%) typically at 8 and 16 µl/petri. Amaranthus albus, Portulaca oleracea, and Sinapis arvensis were most sensitive, while Avena sterilis, Hirchfeldia incana, and Echinochloa colonum were more tolerant. Probit analysis revealed variable LD₅₀ and LD₉₀ values; for example, the mixture had an LD₅₀ of 0.012 µl/petri against A. albus, and O. majorana EO was highly effective against Lolium multiflorum and S. arvensis (LD₅₀ 0.002 µl/petri each). The results demonstrate strong bio-herbicidal potential, particularly for the interspecific hybrid evaluated here for the first time. These natural products are promising candidates for sustainable weed management in organic agriculture.

Keywords

• Allelopathy
• essential oil
• seed germination
• Origanum spp.
• weeds

İzmir Kekiği (Origanum onites L.), Mercanköşk (Origanum majorana L.) ve O. onites X O. majorana Melezine ait Uçucu Yağların Bazı Yabancı Ot Tohumlarının Çimlenmesi Üzerine Biyo-Herbisidal Potansiyellerinin Araştırılması

Abstract

Sentetik herbisitlerin çevre ve insan sağlığına riskleri, sürdürülebilir alternatifleri zorunlu kılmaktadır. Bu çalışmada, Origanum onites (ORION), O. majorana (ORIMA), bunların %50 karışımı ve bir melez (O. onites × O. majorana, MELEZ) uçucu yağlarının biyoherbisit potansiyeli araştırılmıştır. Yağlar, altı dozda (0,5-16 µl/petri) on yabancı ot türünün (Amaranthus albus L., A. hybridus L., A. retroflexus L., Avena sterilis L., Echinochloa colonum (L.) Link, Hirchfeldia incana (L.) Lagr.-Foss., Lolium multiflorum Lam., Portulaca oleracea L., Setaria verticillata (L.) P. Beauv., and Sinapis arvensis L.) (tohum çimlenmesi üzerine test edilmiştir. Tüm uçucu yağlar doza bağlı engelleyici etki göstermiş; 8 ve 16 µl/petri’de genellikle tam inhibisyon (%100) sağlanmıştır. En yüksek duyarlılık A. albus, P. oleracea ve S. arvensis’te; en yüksek tolerans A. sterilis, H. incana ve E. colonum’da gözlenmiştir. Probit analizinde, %50 karışım A. albus için en düşük LD₅₀ (0,012 µl/petri) değerini verirken, O. majorana yağı L. multiflorum ve S. arvensis’e karşı oldukça etkili olmuştur (LD₅₀: 0,002 µl/petri). Sonuçlar, özellikle ilk kez bu amaçla değerlendirilen melez uçucu yağ olmak üzere, Origanum türlerinin güçlü biyoherbisit potansiyelini ortaya koymaktadır. Bu doğal ürünler, entegre yabancı ot yönetimi ve organik tarımda çevre dostu herbisit adayları olabilirler.

Keywords

• llelopati
• uçucu yağ
• tohum çimlenmesi
• Origanum spp.
• yabancı otlar

References

1. Abrahim, D., Braguini, W.L., Kelmer-Bracht, A.M., & Ishii-Iwamoto, E.L. (2000). Effects of four monoterpenes on germination, primary root growth, and mitochondrial respiration of maize. Journal of Chemical Ecology, 26(3), 611-624.
2. Arslan, M., Üremiş, I., Tınmaz, A., Uysal, F., Tutar, M., & Çınar, N. (2013). Interspesific hybridization of five economically important oregano species. 1st Mediterranean Symposium on Medicinal and Aromatic Plants (MESMAP 2013) (17-20 April 2013, Famagusta-The North Cyprus), Proceedings: 45.
3. Arslan, M., & Uremis, I., 2015. Weed control with essential oils in organic farming. VI International Agricultural Symposium Agrosym 2015” (15-18 October 2015 Jahorina-Bosnia and Herzegovina) Abstracts, 1194-1200.
4. Atak, M., Mavi, K., & Uremis, I. (2016). Bio-herbicidal effects of oregano and rosmary essential oils on germination and seedling growth of bread wheat cultivars and weeds’’ Romanian Biotechnological Letters, 21(1) 11149-11159.
5. Avcı M., 1993. Türkiye’nin flora bölgeleri ve "Anadolu diagonali"ne coğrafi bir yaklaşım. Türk Coğrafya Derg., 28, 225-248. Avcı, A., & Bayram, E., (2013). Geliştirilmiş İzmir kekiği (Origanum onites L.) klonlarının farklı ekolojik koşullarda bazı agronomik ve teknolojik özelliklerinin belirlenmesi. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Derg., 50, 13-20.
6. Bakkali, F., Averbeck, S., Averbeck, D., & Idaomar, M. (2008). Biological effects of essential oils-A review. Food and Chemical Toxicology, 46(2), 446-475. https://doi.org/10.1016/j.fct.2007.09.106
7. Baltepe, G., & Mert, H.H. (1973). Bazı Cucurbitaceae türlerinin hipokotil büyümesi üzerinde gibberellik asit ve indol asetik asitin etkileri, Tübitak IV. Bilim Kongresi Tebliği, Ankara.
8. Barney, J.N., Hay, A.G., & Weston, L.A. (2005). Isolation and characterization of allelopathic volatiles from mugwort (Artemisia vulgaris). Journal of Chemical Ecology, 31(2), 247-265.

9. Batish, D. R., Singh, H. P., Kohli, R. K., & Kaur, S. (2008). Eucalyptus essential oil as a natural pesticide. Forest Ecology and Management, 256(12), 2166-2174. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2008.08.008
10. Baydar, H., (2005). Yayla kekiği (Origanum minutiflorum O. Schwarz et. P.H. Davis)'nde farklı toplama zamanlarının uçucu yağ içeriği ve uçucu yağ bileşenleri üzerine etkisi. Akdeniz Üniversitesi Ziraat Fakültesi Derg., 18, 175-178.
11. Baytop, T. (1999). Türkiye’de bitkiler ile tedavi (Geçmişte ve bugün). Nobel Tıp Kitabevi. Buhler, D.D., & Hoffman, M.L. (1999). Andersen’s guide to practical methods of propagating weeds and other plants. Weed Sci. Society of America, 2nd edition, 248 p, Allen Press.
12. Ceylan, A. (1997). Tıbbi bitkiler II (Uçucu yağ bitkileri). Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları. No: 481, 1-2.
13. Cordeau, S., Triolet, M., Wayman, S., Steinberg, C., & Guillemin, J.P. (2016). Bioherbicides: Dead in the water? A review of the existing products for integrated weed management. Crop Protection, 87, 44-49. https://doi.org/10.1016/j. cropro.2016.04.016
14. Davis, P.H. (1982). Flora of Turkey and the East Aegean Islands. Edinburg University Press, Vol.; 7, Edinburg. UK. Dayan, F.E., Cantrell, C.L., & Duke, S.O. (2009). Natural products in crop protection. Bioorganic & Medicinal Chemistry, 17(12), 4022-4034. https://doi.org/10.1016/j.bmc.2009.01.046
15. Dayan, F.E., Owens, D.K., & Duke, S O. (2012). Rationale for a natural products approach to herbicide discovery. Pest Management Science, 68(4), 519-528. doi: 10.1002/ps.2332. Epub 2012 Jan 9.
16. Dayan, F.E., & Duke, S.O. (2014). Natural compounds as next-generation herbicides. Plant Physiology, 166(3), 1090-1105. https://doi.org/10.1104/pp.114.239061
17. Dudai, N, Poljakoff-Mayber, A., Lerner, H.R., Putievsky, E., Ravid, U., & Katzir, E. (1993). Inhibition of germination and growth bt volatiles of Micromeria fruticosa. Act. Hort., 344,123-131.
18. Duke, S.O., Dayan, F.E., Romagni, J.G., & Rimando, A.M. (2000). Natural products as sources of herbicides: Current status and future trends. Weed Research, 40(1), 99-111. https://doi.org/10.1046/j.1365-3180.2000.00161.x
19. Efil, F., & Uremis, İ. (2019). Dağ kekiği (Origanum syriacum L.) ve mercanköşk (Origanum majorana L.) bitkilerinden elde edilen uçucu yağların bazı yabancı ot tohumlarının çimlenmesine ve bitki gelişimine etkileri. Türkiye Herboloji Derg., 22(1) 25-35.
20. Elgayyar, M., Draughon, F.A., Golden, D.A., & Mount, J.R. (2001). Antimicrobial activity of essential oils from plants against selected pathogenic and saprophytic microorganisms. Journal of Food Protection, 64(7), 1019-1024.
21. Erik, S., & Tarıkahya, B. (2004). Türkiye florası üzerine. Kebikeç İnsan Kaynakları Araştırmaları Dergisi, 17, 139-163.
22. Faydaoğlu, E., & Sürücüoğlu, M.S. (2011). Geçmişten günümüze tıbbi ve aromatik bitkilerin kullanılması ve ekonomik önemi. Kastamonu Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, 11(1), 52-67.
23. Feo, V., Simone, F.D., & Senatore, F. (2002). Potential allelochemicals from the essential oil of Ruta graveolens. Phytochemistry, 61, 573-578.
24. Güner, A., Özhatay, N., Ekim, T., & Başer, K.H.C. (2000). Flora of Turkey and the East Aegean Islands (Supplement 2), Vol. 11,
25. Edinburgh University Press, Edinburgh, 656 pp.
26. Güner, A., Aslan, S., Ekim, T., Vural, M., & Babaç, M.T. (2012). Türkiye bitkileri listesi (Damarlı bitkiler). Nezahat Gökyiğit Botanik Bahçesi Yayınları, İstanbul.
27. Isman, M.B. (2000). Plant essential oils for pest and disease management. Crop Protect., 19, 603-608.
28. Isman, M.B. (2020). Botanical insecticides in the twenty-first century—Fulfilling their promise? Annual Review of Entomology, 65, 233-249. https://doi.org/10.1146/annurev-ento-011019-025010
29. Jabran, K., Mahajan, G., Sardana, V., & Chauhan, B.S. (2015). Allelopathy for weed control in agricultural systems. Crop Protection, 72, 57-65. https://doi.org/10.1016/j.cropro.2015.03.004
30. Kabaağaç, G. (2014). Origanum (kekik) türlerinden elde edilen uçucu yağ ve ekstrelerin herbisidal etkilerinin belirlenmesi. Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 98 s., Erzurum.
31. Kordali, Ş., Cakir, A., Ozer, H., Cakmakci, R., Kesdek, M., & Mete, E. (2008). Antifungal, phytotoxic and insecticidal properties of essential oil isolated from Turkish Origanum acutidens and its three components. Bioresource Technology, 99(18), 8788-8795. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.04.048
32. Önen, H. (2003). Bazı bitkisel uçucu yağların biyoherbisidal etkileri. Türkiye Herboloji Derg., 6, 39-47.
33. Penuelas, J., Sardans, J., Llusia, J., Owen, S.M., Carnicer, J., Giambelluca, T. W., Rezende, E.L., Waite, M., & Niinemets, Ü. (2010). Faster returns on ‘leaf economics’ and different biogeochemical niche in invasive compared with native plant species. Global Change Biology, 16, 2171-2185. doi: 10.1111/j.1365-2486.2009.02054.x
34. Scavo, A., & Mauromicale, G. (2020). Integrated weed management in herbaceous field crops. Agronomy, 10(4), 466. https://doi.org/10.3390/agronomy10040466
35. Scrivanti, L.R., Zunino, M. ., & Zygadlo, J.A. (2003). Tagetes minuta and Schinus molle essential oils as allelopathic agents. Biochemical Systematics and Ecology, 31(6), 563-572.
36. Tataridas, A., Kanatas, P., Chatzigeorgiou, A., Zannopoulos, S., & Travlos, I. (2022). Sustainable Crop and Weed Management in the Era of the EU Green Deal: A Survival Guide. Agronomy, 12(3), 589.
37. https://doi.org/10.3390/agronomy12030589 Uludag, A., Uremis, I., Rusen, M., & Tursun, N. (2017). Possible uses of allelopathy in weed control in organic farming in Turkey. Acta Herbologica, 26(2) 87-93.
38. Uremis, I.,. Arslan, M., & Sangun, M.K. (2009). Herbicidal potential of essential oils on the germination of some problem weeds. Asian J. Chem., 21(4), 3199-3210.
39. Uygur, F.N. (1985). Untersuchungen zu art und bedeutung der verunkrautung in der cukurova unter besonderer berücksictigung von Cynodon dactylon (L.) Pers. und Sorghum halepense (L.) Pers. PLITS, 1985/3 (5) Josef Margraf, 169 s, Stuttgart, Germany.
40. Üremiş, İ. & Uygur, N. (1999). Çukurova Bölgesindeki önemli bazı yabancı ot tohumlarının minimum, optimum ve maksimum çimlenme sıcaklıkları. Türkiye Herboloji Derg., 2(2), 1-12.
41. Üremiş, İ., Arslan, M, Yıldırım, A.E., & Soylu, S. (2014). Bazı kekik uçucu yağlarının yabancı ot mücadelesinde toprak fumigantı olarak kullanılabilme olanaklarının belirlenmesi. Türkiye V. Bitki Koruma Kongresi (3-5 Şubat 2014, Antalya) Bildiriler: 380.
42. Üremiş, İ., Soylu, S., Uludağ, A., Asil, H., Kara, M. ve Arslan, M., (2023a). Yabancı ot mücadelesinde bitki uçucu yağlarının kullanımı: Türkiye’de yapılan çalışmalara geçmişten geleceğe bakış 1, (Ziraat, Orman ve Su Ürünleri Alanında Gelişmeler, Ed., Atik, A. ve Keskin, A.H.). Platanus Publishing, Ankara, 327-359.
43. Üremiş, İ., Soylu, S., Uludağ, A., Asil, H., Kara, M. ve Arslan, M., (2023b). Yabancı ot mücadelesinde bitki uçucu yağlarının kullanımı: Türkiye’de yapılan çalışmalara geçmişten geleceğe bakış 2, (Ziraat, Orman ve Su Ürünleri Alanında Gelişmeler, Ed., Atik, A. ve Keskin, A.H.). Platanus Publishing, Ankara, 361-397.
44. Üremiş, İ. & Çelik, B. (2025). Köpek üzümü (Solanum nigrum L.) tohumlarının dormansi dinamikleri ve mücadelesinde uçucu yağ kullanımı. Turkish Journal of Weed Science, 28(2), 53-67.
45. Yıldırım, B.K. (2007). Bazı bitkisel kökenli uçucu yağların bioherbisidal etkilerinin araştırılması. Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 130 s, Samsun.