«Мы открыли новую стратегию, при которой насекомое использует слюну для подавления высвобождения переносимых по воздуху защитных сил растений путем прямого воздействия на устьица растений», – сказал Гэри Фелтон, профессор и глава департамента энтомологии в Пенсильвании, отметив, что устьица представляют собой крошечные поры. на листьях растений, которые регулируют газообмен, включая защитные выбросы растений и углекислый газ, между растением и окружающей средой.
В частности, исследователи изучили влияние определенного фермента – глюкозооксидазы (GOX), который встречается в слюне гусениц плодовых червей томатов (Helicoverpa zea), на устьица растений и защитные выбросы растений, называемые летучими веществами растений, индуцированными травоядными (HIPV).
«Считается, что HIPV помогают защитить растения от насекомых-травоядных, привлекая естественных врагов этих травоядных и предупреждая соседние растения о присутствии поблизости травоядных», – сказал Фелтон. "Следовательно, закрытие устьиц может изменить взаимодействия во всем сообществе растений."
В своих экспериментах исследователи использовали CRISPR / Cas9, метод редактирования геномов, чтобы получить гусениц, у которых отсутствует фермент GOX. В отдельных стеклянных камерах, оснащенных фильтрующими ловушками для сбора HIPV, они позволяли гусеницам с нефункциональным ферментом вместе с необработанными гусеницами питаться растениями томатов, сои и хлопка в течение трех часов. Чтобы изучить реакцию устьиц на GOX, команда исследовала листья растений под микроскопом и измерила размер устьичных отверстий.
Затем они извлекли летучие соединения из фильтров-ловушек и использовали газовую хроматографию в сочетании с масс-спектрометрией для идентификации и количественной оценки HIPV.
«Это исследование является первым, в котором используется CRISPR / Cas9-опосредованное редактирование генов для изучения функции фермента слюны насекомых», – сказал По-Ан Линь, аспирант энтомологии Пенсильванского университета и ведущий автор статьи. «Используя фармакологические, молекулярные и физиологические подходы, мы смогли показать, что этот фермент слюны играет ключевую роль в закрытии устьиц, вызванном насекомыми, и, вероятно, в снижении нескольких важных защитных выбросов."
Действительно, команда, состоящая из экспертов в области молекулярной биологии, химической экологии, физиологии растений и энтомологии, обнаружила, что GOX, выделяемый гусеницей на листья, вызывает закрытие устьиц у растений томатов в течение пяти минут, а также у растений томатов и сои в течение пяти минут. не менее 48 часов. Они также обнаружили, что GOX подавляет выбросы нескольких HIPV во время кормления, включая (Z) -3-гексенол, (Z) -жасмон и (Z) -3-гексенилацетат, которые являются важными передающимися по воздуху сигналами для защиты растений.
Интересно, что они не обнаружили влияния GOX на хлопковые растения, что, по словам команды, предполагает, что влияние GOX на устьичную проводимость зависит от вида.
Результаты команды появились в январе.
18 выпуск журнала New Phytologist.
Лин отметил, что тот факт, что гусеницы плодовых червей томатов развили фермент слюны, который ингибирует выбросы защитных летучих веществ у определенных видов, предполагает важность защиты растений от воздуха в эволюции насекомых-травоядных.
«Учитывая повсеместность HIPV в растениях, вполне вероятно, что черты, влияющие на HIPV, широко эволюционировали среди насекомых-травоядных», – сказал он.
Эти насекомые не только повреждают отдельные растения, но также могут снизить их способность противостоять изменению климата.
«Устьица – важные органы растений, которые не только обнаруживают факторы окружающей среды и реагируют на них, но и играют центральную роль в росте растений», – сказал Фелтон. «Поскольку устьица играют важную роль в регулировании температуры и содержания воды в листьях, наши результаты показывают, что контроль открытия устьиц насекомыми может повлиять на реакцию растения на повышение температуры, возникающее при изменении климата, и на реакцию на недостаток воды."
Среди других авторов статьи из Пенсильванского университета – Иньтун Чен, аспирант молекулярных, клеточных и интегративных биологических наук; Чан Чин Хэу, бывший научный сотрудник, получивший докторскую степень; Нурсиаки бин Зайнуддин, аспирант кафедры энтомологии; Джагдип Сингх Сидху, аспирант по садоводству; Мишель Пайффер, ассистент по поддержке исследований в области энтомологии; Чинг-Вэнь Тан, научный сотрудник по энтомологии; Джаред Али, доцент энтомологии; Джейсон Л. Расгон, профессор энтомологии и эпидемиологии болезней; Джонатан Линч, заслуженный профессор растениеводства; и Чарльз Т. Андерсон, доцент биологии. Также в работе: Дюверни Чаверра-Родригес, научный сотрудник Калифорнийского университета в Сан-Диего; Анжел Хелмс, доцент кафедры химической экологии Техасского университета A&M; и Донхун Ким, доцент, Национальный университет Кёнпук.
Это исследование поддержали Национальный научный фонд, Программа сельскохозяйственных и пищевых исследований Министерства сельского хозяйства США и грант на проект Hatch.