Nyligen genomförda fynd om att växter använder en torka-överlevnadsmekanism för att också försvara sig mot näringssugande skadedjur skulle kunna informera framtida växtförädlingsprogram som syftar till att uppnå bättre omfattande skadedjursbekämpning.
Med hjälp av en avancerad fluorescerande biosensor (ABACUS2) som kan upptäcka små förändringar i växthormonkoncentrationer på cellulär skala, såg forskare att abscisinsyra (ABA), vanligtvis kopplad till torkareaktion, började stänga växtens ingångsportar inom 5 timmar efter att ha blivit angripen av spindkvalster.
Mikroskopiska bladporer (stomata) är viktiga för gasutbytet men är också de viktigaste platserna för vattenförlust. När det råder vattenbrist agerar växter för att spara vatten genom att producera torkastresshormonet ABA för att stänga deras stomata.
Av en slump hindrar stängningen av stomata också de föredragna ingångspunkterna för näringssugande skadedjur som spindkvalster. Den tvåfläckiga spindeln är en av de mest ekonomiskt skadliga skadedjuren – den är inte kinkig och angriper ett brett spektrum av mer än 1 000 växter, inklusive 150 grödor.
Knappt synliga för blotta ögat, dessa små skadedjur tränger igenom och suger sedan torra växtceller. De kan byggas upp till enorma antal mycket snabbt och kan vara en av de mest destruktiva skadedjuren i trädgårds- och trädgårdsindustrin, skämma bort krukväxter och minska skörden av grönsaker, frukt och salladsgrödor.
Det har varit debatt om ABA:s roll i resistens mot skadedjur. Inledningsvis märktes det att stomata stängs när växter attackeras av näringssugande skadedjur, vilket leder till olika hypoteser, inklusive att denna stängning kan vara ett växtsvar på att förlora vatten på grund av skadedjurens matning eller till och med att skadedjuren verkar för att stänga stomata för att förhindra växter från att skicka flyktiga ämnen till skadedjur.
I ett samarbete mellan Center for Plant Biotechnology and Genomics (CBGP) i Spanien och Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU) har forskare som studerar hur thale krasse (Arabidopsis thaliana) reagerar på den tvåfläckiga spindelkvalstret (Tetranychus urticae) bestämt växten träder i kraft nästan omedelbart och använder samma hormon som vid torka för att även blockera spindkvalster från att penetrera växtvävnader och som ett resultat avsevärt minska skadedjursskador.
Resultaten publicerade i Plant Physiology fann att den maximala stängningen av stomata uppnås inom en tidsram på 24 till 30 timmar.
"Öppna stomata är naturliga öppningar där skadedjur som bladlöss och kvalster sätter in sina specialiserade matningsstrukturer, kallade stiletter, för att tränga igenom och sedan suga ut det näringsrika innehållet från individuella subepidermala celler", säger Irene Rosa-Díaz, som utförde spindeln. kvalsterexperiment vid SLCU och CBGP under hennes doktorsexamen. med professor Isabel Diaz vid Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas, Universidad Polytécnica de Madrid och National Institute of Agricultural and Food Research and Technology (UPM-INIA) .
"Vi kunde visa att kvalsterangrepp inducerade en snabb stomatal stängningsrespons, med växthormonet ABA som stiger i bladvävnaderna - högst i stomatala och vaskulära celler, men även alla andra uppmätta bladceller. Vi visade genom flera olika experiment att stomatal stängning hindrar kvalster.
"Växter som förbehandlats med ABA för att inducera stomatal stängning och sedan angripna av kvalster visade minskad kvalsterskada, medan mutantväxter med ABA-brist där stomata inte kan stänga bra och växter som har mer stomata är mer mottagliga för kvalster."
Alexander Jones forskargrupp vid SLCU utvecklar biosensorer in vivo som avslöjar hormondynamik i växter med oöverträffad upplösning, inklusive ABACUS2 som kvantifierade cellulär ABA i dessa kvalsterexperiment.
Dr Jones sa att studien belyser de viktiga interaktionerna mellan biotiska och abiotiska påfrestningar i växter, "Tidiga varningssignaler från kvalstermatning inducerar en kaskad av immunsignalmolekyler, inklusive jasmonsyra (JA) och salicylsyra (SA), bland andra kemiska reaktioner Tillsammans visar dessa resultat att ABA-ackumulering och stomatal stängning också är viktiga försvarsmekanismer som används för att minska kvalsterskador.
"Nästa steg är att undersöka vad den initiala kvalsterproducerade signalen är som växten upptäcker som sedan resulterar i ABA-ackumulering. De biokemiska mekanismerna som används av växten som signaler om skadedjursangrepp kan vara vad som helst, inklusive kvalstermatningsvibrationer, kvalster salivproteiner, kemikalier som produceras av kvalster eller kvalsteraktivitet, direkt cellskada (sår) eller andra molekyler som är associerade med kvalstren.
"Att identifiera de initiala triggers kan potentiellt användas för att utveckla nya behandlingar för grödor för att beväpna växterna inför förutspådda skadedjursangrepp. Viktigt, ansträngningar för att välja växter med förändrade stomatala egenskaper, som redan måste balansera en fotosyntes kontra vattenbevarande kompromiss, kan också överväga resistens mot skadliga skadedjur."
Mer information: Irene Rosa-Díaz et al, Spider mite herbivory inducerar ett abscisinsyradrivet stomatalt försvar, Plant Physiology (2024). DOI:10.1093/plphys/kiae215
Tillhandahålls av University of Cambridge
