A symbiontak megvédik a levéltetveket a parazita darazsaktól a növényevők által kiváltott növényi illékony anyagok csillapításával

Enric Frago

1 Entomológiai laboratórium, Wageningen Egyetem, P.O. Box 16, 6700AA Wageningen, Hollandia

2 CIRAD, UMR PVBMT, Saint-Pierre, La Réunion F-97410 Franciaország

Mukta Mala

1 Entomológiai laboratórium, Wageningen Egyetem, P.O. Box 16, 6700AA Wageningen, Hollandia

Berhane T. Weldegergis

1 Entomológiai laboratórium, Wageningen Egyetem, P.O. Box 16, 6700AA Wageningen, Hollandia

Chenjiao Yang

1 Entomológiai laboratórium, Wageningen Egyetem, P.O. Box 16, 6700AA Wageningen, Hollandia

Ailsa McLean

3 Állattani Tanszék, University of Oxford, South Parks Road, Oxford, OX1 3PS UK

H. Charles J. Godfray

3 Állattani Tanszék, University of Oxford, South Parks Road, Oxford, OX1 3PS UK

Rieta Gols

1 Entomológiai laboratórium, Wageningen Egyetem, P.O. Box 16, 6700AA Wageningen, Hollandia

Marcel Dicke

1 Entomológiai laboratórium, Wageningen Egyetem, P.O. Box 16, 6700AA Wageningen, Hollandia

Társított adatok

A jelenlegi vizsgálat során generált és/vagy elemzett adatkészletek a megfelelő szerzőtől ésszerű kérésre rendelkezésre állnak.

Absztrakt

A növények úgy reagálnak a rovarok támadására, hogy illékony vegyi anyagok keverékeit szabadítják fel, amelyek vonzzák növényevőik sajátos természetes ellenségeit, míg a rovar növényevők endoszimbiotikus mikroorganizmusokat hordozhatnak, amelyek közvetlenül javítják a növényevők túlélését a természetes ellenséges támadás után. Itt bemutatjuk, hogy a két jelenség összekapcsolható. A borsótetvek által táplált növények illékony anyagokat szabadítanak fel, amelyek vonzzák a parazita darazsakat, a borsótetű pedig fakultatív endoszimbiotikus baktériumokat hordozhat, amelyek megakadályozzák a parazita darázs lárva fejlődését, és ezáltal jelentősen javítják a levéltetvek túlélését a darázs támadása után. Megmutattuk, hogy ezek az endoszimbiontok a növények levéltetű támadását követően is gyengítik az illékony anyagok szisztémás felszabadulását, csökkentve a parazita darazsak toborzását és növelve a levéltetvek fittségét. Eredményeink egy új mechanizmust tárnak fel, amelyen keresztül a szimbiontok hasznára válhatnak gazdáiknak, és hangsúlyozzák a mikrobióm fontosságát a rovarökológiai kölcsönhatások megértésében.

Bevezetés

A növényevő rovarok természetes ellenségei általában illékony kémiai jelzéseket használnak arra, hogy gyakran rejtett gazdáikat vagy zsákmányukat elhelyezzék az általuk lakott szerkezeti szempontból bonyolult környezetben7. A kölcsönös együttérzések kétféleképpen befolyásolhatják házigazdáik felfedezésének valószínűségét. Először előállíthatnak „infokémiai anyagokat”, amelyek vonzzák a természetes ellenségeket. Például a kéregbogarak szimbiotikus gombákat hordoznak, amelyeket a fa megemésztésére használnak, de a szimbiont olyan illékony anyagokat is felszabadít, amelyek vonzzák a parazita darazsakat 8, 9. Itt a szimbiont által biztosított táplálkozási előnyöket ellensúlyozhatja a természetes ellenségek iránti fokozott vonzalom, ami a mikrobiális partner elvesztéséhez vezethet a befogadó populációban, amikor az ellenség természetes nyomása magas. Másodszor, a szimbiontusok megzavarhatják a növény azon képességét, hogy vonzza a növényevő természetes ellenségeit, és így előnyös legyen a gazda számára. A növények gyakran reagálnak a növényevők támadására azáltal, hogy kiadnak egy adott illékony anyag keveréket, amely vonzza a rovar természetes ellenségeit (úgynevezett „testőr-toborzás”) 10. Nem tudjuk, hogy a fakultatív szimbiontok jelenléte zavarja-e ennek a közvetett növényevő-védekező mechanizmusnak az indukcióját.

Végül egy szűkebb olfaktométeres kísérletet hajtottunk végre annak tesztelésére, hogy négy másik endoszimbiont szállítása befolyásolta-e az A. ervi parazita darázs felvételét. Az általunk vizsgált fajok (i) Regiella insecticola voltak, amely tipikusan megvédi az A. pisumot a speciális patogén gombáktól, de nem parazita darazsaktól 25; (ii) Spiroplasma sp. amelyek az adott izolátumtól függően védelmet nyújthatnak a 26, 27 darazsak ellen; (iii) Serratia symbiotica, amely szintén mutat bizonyos törzsspecifikus parazita darázsvédelmet 20, és megvédi a levéltetveket a 28 hőhatásoktól; és (iv) a Rickettsiella sp., amely kevésbé jól jellemzett, de ismert, hogy befolyásolja a levéltetvek testszínét és ennélfogva a természetes ellenségek iránti vonzódást 29 .

Vizsgálatunk azt mutatja, hogy a különböző symbiont fajokat és törzseket hordozó levéltetvekkel fertőzött növények kevésbé vonzóak az A. ervi parazita darázs számára a növényevők által indukált növényi illékony anyagok szisztémás változásai révén, ami végső soron csökkenti a parazita darázs toborzást és növeli a levéltetvek fittségét. Ezt viselkedési kísérletekkel mutatjuk be, de az illékony keverékeket is elemezzük. A symbiont-mentes levéltetvek által táplált növényekhez viszonyítva a symbiont H. defensa-t hordozó levéltetvek által táplált növények keverékei különböznek, és az összes kibocsátás alacsonyabb. Eredményeink egy új mechanizmust tárnak fel, amely révén a rovar szimbiontusai megvédik gazdáikat a növények által a rovarok támadására adott válaszként indukált védekezés manipulálásával.

Eredmények

A symbiont H. defensa hatása a parazita darázs vonzódására

Parazita darázs előnyben részesíti a Fabaceae növényekből származó illóanyagokat, amelyek levéltetvekkel vannak fertőzve az endoszimbionttal vagy anélkül. Parazita darázs (Aphidius ervi) válasz a levéltetvekkel (Acyrthosiphon pisum) fertőzött növények által kibocsátott illékony anyagokra, az endosymbiont Hamiltonella defensa vagy anélkül. Az egyes teszteknél a sávok standard hibákat mutatnak, és a csillagok jelzik a választás nélküli eltérés jelentőségét (t-teszt: ** p 1

A symbiont H. defensa hatása a parazita darázs támadására

A növény fejterében található kiválasztott illékony vegyületek számszerűsítése. Illékony anyagokat gyűjtöttünk Vicia faba növényekből, amelyeket Acyrthosiphon pisum levéltetvek fertőztek meg, amelyek a symbiont Hamiltonella defensa-t hordozták, vagy sem. Az értékeket csúcsterületekként fejezzük ki, elosztva a száraz növény tömegével (g), és a rudak standard hibákat mutatnak. Amint a 2. kiegészítő táblázat mutatja, páros összehasonlításokat végeztünk azoknál a vegyületeknél, amelyeknél a „vetítésben változó jelentőségű” (VIP) pontszám nagyobb, mint egy a Principal legkisebb négyzetek diszkrimináns elemzésben (PLS-DA). Csak azokat a vegyületeket vesszük figyelembe, amelyek mennyisége szignifikánsan különbözött a p-értékek hamis felfedezési arány megközelítéssel történő korrigálása után. * Acetomezitilén: 1,3,5-trimetil-2-acetilbenzol

Más szimbiontusok hatása a parazita darázs-toborzásra

Számos növény reagál a növényevőkre olyan illékony anyagok keverékének kibocsátásával, amelyek vonzzák a természetes ellenségeket 10. A növényvédelmet gyakran specifikus kiváltók váltják ki a növényevő szájüregi váladékokban 32. A rovarok azonban kidolgozták a védekezés legyőzésének stratégiáit a 33-36 nyál effektorok vagy a növényi hormonok utánzásával 37. Bár a symbiontot hordozó vagy anélkül levéltetvek fertőzött növények ugyanazokat az illékony vegyületeket bocsátották ki, mennyiségi különbségeket találtunk az illékony keverékekben. Pontosabban, kilenc illékony vegyület mennyisége szignifikánsan alacsonyabb volt a növényeknél a szimbiont kezelés során. Ezek közül korábban kimutatták, hogy a β-kubebént és az α-amorfent a levéltetvek által megfertőzött növények bocsátják ki, az egészséges növények azonban nem 15. A gázkromatográfiát, az elektroantennográfiát és a viselkedési vizsgálatokat ötvöző vizsgálatok segíthetnek azonosítani a parazita darázs viselkedését befolyásoló keverékkomponensek jellemzőit. További kutatásokra van szükség annak molekuláris mechanizmusainak megértéséhez, amelyek révén a levéltetvek szimbiontusai képesek befolyásolni a növény fiziológiáját, esetleg a fitohormon szintjének változásai révén.

A kötelező symbiont Buchnera aphidicola-ból származó termékeket találtak az A. pisum nyálában, és köztudottan növényvédelmet váltanak ki 38. A növényvédő válaszok többnyire a fitohormonok által szabályozott útvonalaktól függenek, és a fehérlegyekkel és a coloradói burgonyabogárral végzett vizsgálatok kimutatták, hogy a szimbiontok csökkenthetik a fitohormon jázmonsav szintjét olyan módon, amely előnyös a gazdáik számára 5, 6. Érdekes lenne megvizsgálni, hogy levéltetvek fakultatív szimbiontjaiból származó vegyületek vannak-e jelen a nyálban és befecskendezik-e a növénybe. A H. defensa teljes genomja rendelkezésre áll, és hasonló szekvenciákat tartalmaz, mint a növényi kórokozók effektor fehérjéit kódoló szekvenciák, amelyek szerepet játszanak a bakteriális kórokozók növényi felismerésében, amelyek potenciálisan szerepet játszhatnak a növény fitohormonális válaszainak manipulálásában 39. Amint azt Pineda et al. A 40. ábrán a növények mikrobiális szimbiontusai a növényvédő válaszok megváltoztatásával módosíthatják a növényevők által kiváltott illékony anyagok termelését is, ami megalapozza a növények és rovarok kölcsönhatásainak mikrobiális hatásait.

Összegzésként azt mutatjuk be, hogy a mikrobiális szimbiontok újabb összetettségi szintet adnak a növényi illékony anyagok amúgy is bonyolult szerepének a növények, a növényevők és a természetes ellenségek közötti kapcsolat közvetítésében. Bemutatjuk azt is, hogy a gazda (és magukat) mind a parazitoid darázs támadástól védik, mind a darázs sikeres fejlődésének esélyeit csökkentve, mind közvetve a darázs támadásának valószínűségét csökkentve. A levéltetvek a mérsékelt éghajlatú növények legfontosabb kártevőit tartalmazzák, és ezeknek a kapcsolatoknak a megértése segíthet a környezetbarátabb kártevőirtási stratégiák kidolgozásában. Ezek a stratégiák magukban foglalhatják a védőszimbionták elterjedtségének felmérését a kártevő populációkban 41, és olyan növényfajták kiválasztását, amelyek egyszer a levéltetvek támadtak, maximalizálják a levéltetvek természetes ellenségei iránti vonzódást .

Mód

Kísérleti szervezetek

Az ebben a vizsgálatban használt összes levéltetvet (1. táblázat) Oxfordshire-ben (Dél-Anglia) különböző gazdanövényfajokból gyűjtöttük össze, és a laboratóriumban széles babnövényeken (V. faba, c. Sutton) 20 ± 1 ° állandó körülmények között tartottuk. C és 70 ± 5% relatív páratartalom 16: 8 órás fény: sötét (L: D) móddal, a folyamatos ivartalan szaporodás biztosítása érdekében. A gyűjtést követően a levéltetveket diagnosztikai PCR-ek segítségével szkrínelték az ebből a 43–45 levéltetű fajból ismert nyolc közös fakultatív endoszimbiontra. A szimbiontusokat eltávolítottuk a természetben fertőzött klónokból a gazdanövényen keresztül beadott antibiotikum-koktél (ampicillin, cefotaxim és gentomicin) segítségével. Ezek az antibiotikumok nem károsítják a kötelező elsődleges szimbiont Buchnera aphidicola-t. Új szimbiontfertőzéseket hoztak létre a hemolimfa mikroinjektálásával egy donor levéltetűből egy vevő klónba, amely nem tartalmaz természetes fakultatív szimbiontokat. Valamennyi kísérletet legalább 10 levéltetű generációval hajtottuk végre a manipuláció után. A kísérletek előtt a szimbiont összetételét diagnosztikai PCR-ekkel ellenőriztük. A kísérleti eljárások további részletei a hivatkozásokban találhatók. 18, 46,], míg az ebben a vizsgálatban használt levéltetvek és szimbionok összefoglalását az 1. táblázat tartalmazza .

Asztal 1

A felhasznált Symbiont törzsek és a levéltetű Acyrthosiphon pisum biotípus, amelyből antibiotikumokkal eliminálták vagy mikroinjekcióval nyerték őket