Jüngste Erkenntnisse, dass Pflanzen einen Dürre-Überlebensmechanismus nutzen, um sich auch gegen nährstoffsaugende Schädlinge zu verteidigen, könnten künftige Nutzpflanzenzüchtungsprogramme beeinflussen, die auf eine bessere breit angelegte Schädlingsbekämpfung abzielen.
Mithilfe eines fortschrittlichen fluoreszierenden Biosensors (ABACUS2), der winzige Veränderungen der Pflanzenhormonkonzentrationen auf zellulärer Ebene erkennen kann, stellten Wissenschaftler fest, dass Abscisinsäure (ABA), die normalerweise mit Dürrereaktionen in Verbindung gebracht wird, innerhalb von 5 Stunden nach dem Befall begann, die Eingangstore der Pflanze zu schließen Spinnmilben.
Mikroskopisch kleine Blattporen (Stomata) sind wichtig für den Gasaustausch, aber auch die Hauptorte für Wasserverluste. Bei Wasserknappheit wirken Pflanzen wassersparend, indem sie das Trockenstresshormon ABA produzieren, um ihre Spaltöffnungen zu schließen.
Zufälligerweise versperrt die Schließung der Spaltöffnungen auch die bevorzugten Eintrittspunkte für nährstoffsaugende Schädlinge wie Spinnmilben. Die Zweifleckige Spinnmilbe ist einer der wirtschaftlich schädlichsten Schädlinge – sie ist nicht wählerisch und befällt ein breites Spektrum von mehr als 1000 Pflanzen, darunter 150 Nutzpflanzen.
Mit bloßem Auge kaum sichtbar, stechen diese winzigen Schädlinge in trockene Pflanzenzellen ein und saugen sie dann aus. Sie können sich sehr schnell in enormer Zahl ansammeln und zu den verheerendsten Schädlingen im Garten- und Gartenbau gehören, da sie Zimmerpflanzen verderben und den Ertrag von Gemüse, Obst und Salaten verringern.
Es gab Debatten über die Rolle von ABA bei der Schädlingsresistenz. Zunächst wurde festgestellt, dass sich die Spaltöffnungen schließen, wenn Pflanzen von nährstoffsaugenden Schädlingen befallen werden, was zu verschiedenen Hypothesen führte, darunter, dass diese Schließung eine Reaktion der Pflanze auf Wasserverlust aufgrund der Nahrungsaufnahme der Schädlinge sein könnte oder sogar, dass die Schädlinge die Spaltöffnungen schließen um zu verhindern, dass Pflanzen störende flüchtige Stoffe an Schädlingsräuber senden.
In einer Zusammenarbeit zwischen dem Zentrum für Pflanzenbiotechnologie und Genomik (CBGP) in Spanien und dem Sainsbury Laboratory der Universität Cambridge (SLCU) haben Forscher, die untersuchen, wie die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) auf die Zweipunktspinnmilbe (Tetranychus urticae) reagiert, die Pflanze bestimmt tritt fast sofort in Aktion und nutzt das gleiche Hormon wie bei Trockenheit, um auch Spinnmilben daran zu hindern, in Pflanzengewebe einzudringen, und dadurch Schädlingsschäden deutlich zu reduzieren.
Die Ergebnisse veröffentlicht in Pflanzenphysiologie fanden heraus, dass der maximale Verschluss der Spaltöffnungen innerhalb eines Zeitrahmens von 24 bis 30 Stunden erreicht wird.
„Offene Spaltöffnungen sind natürliche Öffnungen, in die Schädlinge wie Blattläuse und Milben ihre speziellen Nahrungsstrukturen, sogenannte Mandrin, einführen, um einzelne subepidermale Zellen zu durchbohren und dann den nährstoffreichen Inhalt herauszusaugen“, sagte Irene Rosa-Díaz, die die Spinne trug Milbenexperimente an der SLCU und am CBGP während ihrer Doktorarbeit. mit Professor Isabel Diaz am Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas, der Universidad Polytécnica de Madrid und dem Nationalen Institut für Agrar- und Lebensmittelforschung und -technologie (UPM-INIA).
„Wir konnten zeigen, dass der Milbenbefall eine schnelle Reaktion auf den Spaltöffnungsverschluss auslöst, wobei das Pflanzenhormon ABA im Blattgewebe ansteigt – am höchsten in den Spaltöffnungs- und Gefäßzellen, aber auch in allen anderen gemessenen Blattzellen. Wir haben durch mehrere verschiedene Experimente gezeigt, dass der Spaltöffnungsverschluss erfolgt hemmt Milben.
„Pflanzen, die mit ABA vorbehandelt wurden, um den Spaltöffnungsschluss zu induzieren, und dann mit Milben befallen wurden, zeigten einen geringeren Milbenschaden, während mutierte Pflanzen mit ABA-Mangel, bei denen sich die Spaltöffnungen nicht gut schließen lassen, und Pflanzen, die mehr Spaltöffnungen haben, anfälliger für Milben sind.“
Die Forschungsgruppe von Alexander Jones an der SLCU entwickelt In-vivo-Biosensoren, die die Hormondynamik in Pflanzen mit beispielloser Auflösung aufdecken, darunter ABACUS2, das zelluläre ABA in diesen Milbenexperimenten quantifizierte.
Dr. Jones sagte, die Studie unterstreiche die wichtigen Wechselwirkungen zwischen biotischem und abiotischem Stress in Pflanzen: „Frühwarnsignale der Milbenfraß lösen eine Kaskade von Immunsignalmolekülen aus, darunter neben anderen chemischen Reaktionen auch Jasmonsäure (JA) und Salicylsäure (SA). Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass die Ansammlung von ABA und der Verschluss der Stomata ebenfalls wichtige Abwehrmechanismen sind, die zur Reduzierung von Milbenschäden eingesetzt werden.
„Der nächste Schritt besteht darin, zu untersuchen, was das erste von den Milben erzeugte Signal ist, das die Pflanze erkennt und das dann zu einer ABA-Anreicherung führt. Die biochemischen Mechanismen, die die Pflanze als Signale für einen Schädlingsbefall nutzt, können alles Mögliche sein, einschließlich Vibrationen bei der Nahrungsaufnahme der Milbe, Milbe.“ Speichelproteine, durch die Milben oder Milbenaktivität produzierte Chemikalien, direkte Zellschäden (Wunden) oder andere mit den Milben verbundene Moleküle.
„Die Identifizierung der ersten Auslöser könnte möglicherweise dazu genutzt werden, neue Behandlungsmethoden für Nutzpflanzen zu entwickeln, um die Pflanzen vor dem vorhergesagten Schädlingsbefall zu wappnen. Wichtig sind Bemühungen zur Selektion von Pflanzen mit veränderten Stomata-Merkmalen, die bereits einen Kompromiss zwischen Photosynthese und Wassereinsparung ausgleichen müssen. könnte auch eine Resistenz gegen schädliche Schädlinge in Betracht ziehen.“
Mehr Informationen:
Irene Rosa-Díaz et al., Pflanzenfresser von Spinnmilben induzieren eine durch Abscisinsäure gesteuerte stomatale Abwehr, Pflanzenphysiologie (2024). DOI: 10.1093/plphys/kiae215