После нападения насекомых растения оставляют в почве предупреждающие сигналы

Фото из открытых источников

Нападения насекомых могут изменять почву вокруг корней растений, оставляя микробные сигналы, которые влияют на то, как будущие растения будут защищаться от вредителей. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Cell Reports.

У растений есть множество способов защититься от насекомых, поедающих их листья. Некоторые защитные механизмы затрудняют поедание растения, в то время как другие помогают ему привлекать насекомых, которые нападают на вредителей. Многие из этих защитных механизмов активируются только после того, как насекомое начинает питаться.

Новые исследования растений вигны показывают, что последствия поражения могут сохраняться в почве и влиять на растения, которые вырастут там позже. Исследователи из Чжэцзянского университета обнаружили, что повреждение листьев изменило почву вокруг корней вигны. Новые растения, выросшие в этой почве, впоследствии стали более привлекательными для крошечных ос, которые нападают на насекомых-минера.

Когда насекомые питаются листьями, многие растения выделяют в воздух химические вещества. Эти запахи могут привлекать хищников или паразитоидов, которые нападают на насекомых, поедающих растение. Паразитоиды — это насекомые, чье потомство развивается внутри или на другом насекомом и в конечном итоге убивает его.

В этой работе команда использовала паразитическую осу Neochrysocharis formosa, которая поражает личинки американской змеевидной минирующей моли Liriomyza trifolii. Эти растительные ароматы обычно появляются во время питания насекомых и вскоре исчезают. Исследователи хотели выяснить, может ли атакованное растение оставить в почве защитный сигнал.

Команда выращивала растения вигны в течение трех недель. Затем некоторые из них подвергались воздействию листовых минеров в течение семи дней, в то время как другие не подвергались воздействию насекомых.

Через семь дней исследователи удалили растения. Затем они вырастили новые растения вигны в той же почве. Три недели спустя исследователи проверили, насколько выросли новые растения и привлекают ли они ос-паразитов. Эти новые растения никогда не подвергались нападению листовых минёров.

Исследовательская группа проверила, какой запах растений предпочитают осы, используя Y-образную трубку. В каждом эксперименте они фиксировали выбор 60 самок ос. Новые растения стали лучше расти над поверхностью почвы и привлекали больше ос-паразитических насекомых. Поскольку эти растения никогда не подвергались нападению насекомых, результаты показали, что предшествующее питание насекомых привело к изменениям в почве.

Затем исследователи изучили, как повреждение листьев вызывает изменения в почве. Одним из ключевых сигналов оказался жасмонат, растительный гормон, который помогает растениям реагировать на нападения насекомых.

Повреждение листьев минирующими мухами привело к повышению активности жасмоната по всему растению, включая корни. Это означает, что повреждение листьев послало защитный сигнал корням.

Команда также провела прямое тестирование жасмоната. Обработка растений жасмонатом, даже если они не подвергались нападению, впоследствии сделала их более привлекательными для ос-паразитов. Когда исследователи заблокировали сигналы жасмоната в атакованных растениях, осы перестали проявлять больший интерес к более поздним растениям. Это показало, что для достижения эффекта необходим жасмонат.

Поражение листьев изменило химический состав веществ, выделяемых корнями в почву. Содержание двух из этих веществ, даидзеина и генистеина, увеличилось после того, как насекомые поели листья. Эти вещества могут влиять на микроорганизмы, обитающие вокруг корней.

Когда исследователи добавили эти химические вещества в почву, новые растения стали привлекать больше паразитических ос. Когда растения перестали их производить, этот эффект исчез.

Это позволяет предположить, что повреждения, нанесенные насекомыми, изменили химический состав корней посредством сигналов жасмоната. Эти химические вещества, в свою очередь, изменили микроорганизмы в почве.

Узкая область почвы вокруг корней растений называется ризосферой. Она содержит множество бактерий и других микроорганизмов, которые могут влиять на рост растений и их реакцию на стресс. Исследовательская группа обнаружила, что состав бактерий в этой почве изменился после того, как растения стали выделять больше флавоноидов.

Некоторые группы бактерий стали встречаться чаще, а другие — реже. Чтобы проверить, необходимы ли эти микробы, исследователи стерилизовали почву. После удаления живых микробов усиление привлекательности для паразитоидов исчезло.

Когда в стерилизованную почву снова добавили микробные сообщества, эффект восстановился. Это показало, что для продолжения защитной реакции необходимы живые почвенные микроорганизмы. Несколько бактерий из рода Bradyrhizobium вызвали особый интерес. Три штамма Bradyrhizobium сделали растения вигны более привлекательными для ос-паразитов.

Исследовательская группа сосредоточила внимание на одном штамме почвенных бактерий, называемом H5. При добавлении H5 в почву активность жасмоната в молодых растениях вигны увеличилась. Это означает, что почвенные бактерии могут влиять на защитные сигналы растений. В результате растения изменяют запахи, выделяемые в воздух.

Один из ароматизаторов, называемый (Z)-3-гексенилацетатом, усилился больше всего. Растения часто выделяют это химическое вещество при повреждении листьев. Новые растения стали выделять больше этого запаха, хотя их никогда не атаковали. Когда исследователи удалили почвенные микробы, увеличение их количества исчезло. Добавление микробов обратно восстановило запах.

Паразитические осы были сильно привлечены этим запахом. Когда сигналы жасмоната были заблокированы, H5 больше не мог усиливать запах. Это показало взаимосвязь этапов: почвенные бактерии влияли на защитные сигналы растения, что изменяло его запах и привлекало больше ос-паразитоидов.

Результаты показывают, как нападение насекомых может оставлять следы в почве. Повреждение листьев изменяет сигналы растений, химический состав корней и микроорганизмы, обитающие вокруг корней. Эти изменения в почве могут повлиять на следующее растение. Даже не подвергаясь нападению, новое растение может выделять запах, привлекающий ос-паразитических насекомых.

Это может быть полезно в сельском хозяйстве, поскольку эти осы помогают бороться с вредителями сельскохозяйственных культур. В будущем полезные почвенные микроорганизмы могут способствовать внедрению более естественных способов защиты сельскохозяйственных культур.

Однако эксперименты проводились в лабораторных условиях и проверяли эффект лишь в течение короткого периода времени. Необходимы дополнительные исследования, чтобы выяснить, происходит ли тот же процесс на реальных полях.

Исследователи использовали химические вещества для блокирования важных сигналов защиты растений, поскольку более совершенные генетические инструменты для борьбы с вигной пока недоступны. Для точного подтверждения принципа действия этих сигналов потребуются другие методы.

Кроме того, команда протестировала лишь небольшое количество почвенных бактерий, которые можно было вырастить в лабораторных условиях. Возможно, в этом процессе участвовали и другие микроорганизмы. Ряд растительных химических веществ, бактерий и ароматических веществ, по-видимому, играют важную роль в этой почвенной защите. Для того чтобы выяснить, сохраняется ли этот эффект при повторных посадках, севообороте и изменении условий на ферме, необходимы долгосрочные полевые испытания.