Pflanzen könnten doppelten Problemen durch Insekten und einem sich erwärmenden Klima ausgesetzt sein

Pflanzen könnten doppelten Problemen durch Insekten und einem sich erwärmenden Klima ausgesetzt sein In der Hitze können Tomatenpflanzen den hungrigen Tabakhornwurm Manduca sexta nicht abwehren. Von www.shutterstock.com

Seit Jahrtausenden befinden sich Insekten und die Pflanzen, von denen sie sich ernähren, in einem koevolutionären Kampf: essen oder nicht gegessen werden. Bis vor kurzem haben die beiden antagonistischen Seiten eine Art Patt aufrechterhalten. Mit dem Klimawandel könnten jedoch wärmere Temperaturen das Gleichgewicht zugunsten der Insekten stören und die Gefahr für die Pflanzen und die Landwirte, die sich um sie kümmern, bedeuten.

Unser Forschungsteam an der Michigan State University Institut für Pflanzenresilienz beobachtete, was bei heißem Wetter wann passierte Hornwurmraupen griffen eine Tomatenpflanze an. Die Tomate hat verloren. Wir haben während der Hitzewelle einen überraschenden Kompromiss zwischen den Pflanzen gesehen: Sie haben sich gegen die Raupen verteidigt, aber diese Bemühungen haben sie daran gehindert, mit den schädlichen Auswirkungen der Hitze umzugehen. Dies führte zu einer Überhitzung der Pflanze, wodurch die Hand der Raupen gestärkt wurde.

Eine Studie von Forschern aus dem Jahr 2018 sagte voraus, dass jeder Grad der globalen Erwärmung zunehmen wird Erhöhung des Ernteverlusts durch Insekten um 10% bis 25% weil Insektenpopulationen und ihr Appetit bei warmen Temperaturen steigen. Andere klimabezogene Variablen, einschließlich anhaltender Dürren oder Überschwemmungen, dürften diese Verluste noch verstärken.

Obwohl Wissenschaftler diese vielfältigen Herausforderungen für die Lebensmittelproduktion erkannt haben, wissen sie noch nicht viel darüber, wie sich die Kombination von Hitze und Insekten auf die eingebauten Abwehrsysteme der Pflanzen auswirkt.

Pflanzen spüren und reagieren ständig auf Veränderungen in ihrer Umgebung, einschließlich des Vorhandenseins pflanzenfressender Insekten.

Wie Pflanzen Insektenschädlinge abwehren

Im Gegensatz zu Tieren können Pflanzen nicht vor Raubtieren rennen oder sich verstecken. Stattdessen produzieren Pflanzen ein Arsenal giftiger Chemikalien, die den Angriff von Insekten und anderen Pflanzenkonsumenten abwehren.

Die Herstellung dieser Verbindungen ist kostspielig und hemmt häufig ihr Wachstum. Daher setzen Pflanzen dieses chemische Abwehrarsenal nur dann ein, wenn es durch ein kauendes Insekt beschädigt wird. Dieser Prozess wird durch das pflanzliche Wundhormon Jasmonat ausgelöst, das die Biosynthese, Verteilung und Lagerung chemischer Abwehrstoffe, die Insekten abwehren, streng kontrolliert.

Seit mehr als 20 Jahren untersuchen wir, wie Jasmonat schützt Pflanzen von Insektenfressern. Erst kürzlich haben wir darüber nachgedacht, wie steigende globale Temperaturen diesen gemeinsamen Pflanzenabwehrmechanismus beeinflussen.

Hitze und die hungrige Raupe

In unserer Studie haben wir herausgeforderte Tomatenpflanzen mit Hornwurmraupen unter normalen Temperaturbedingungen: 82 ° F Tage (ca. 28 ° C) und 64 ° F Nächte (ca. 18 ° C). Wir haben auch Hitzewellen simuliert, bei denen die Temperaturen tagsüber auf 100 ° C steigen und nachts mehrere Tage lang auf 38 ° C fallen.

Die Pflanzen reagierten auf die heißeren Temperaturen, indem sie die Produktion von Jasmonat verstärkten und infolgedessen die Produktion verschiedener Abwehrmittel erhöhten. Trotzdem fraßen Insekten die Pflanzen unerbittlich in der Hitze.

In der Zwischenzeit ergab eine parallele Studie unseres Teams, dass die Temperatur moderat ansteigt beschleunigte den Stoffwechsel der Insekten so dass sie schneller aßen und den Pflanzen mehr Schaden zufügten. Obwohl Tomatenpflanzen hart mit ihrer chemischen Reaktion kämpften, konnten sie den starken, durch Hitze ausgelösten Essreiz der Insekten nicht neutralisieren.

Modelle können Ernteverluste aufgrund des Klimawandels unterschätzen, da sie nicht berücksichtigen, wie befallene Pflanzen auf steigende Temperaturen reagieren.

Insekten + Hitze = doppelter Ärger

Pflanzen verwenden zwei Strategien, um sich abzukühlen, wenn die Temperaturen zu hoch werden. Sie öffnen ihre winzigen Blattporen, die Stomata genannt werden, und setzen Wasser frei, das sie genauso kühlt wie das Schwitzen den Menschen. Pflanzen bekämpfen auch Hitzestress, indem sie ihre Blätter vom heißen Boden abheben, vielleicht auf der Suche nach einer kühlen Brise.

Wir haben in unserer Arbeit unerwartet festgestellt, dass Tomatenpflanzen, die von Raupen bei wärmeren Temperaturen herausgefordert wurden, diese Dinge nicht taten und daher ihre Blätter nicht abkühlen konnten.

In unseren Folgeexperimenten stellten wir fest, dass Raupen, die ihre Blätter fraßen und die Pflanze das Hormon Jasmonat aktivierte, die Öffnung der winzigen Stomata blockierten und auch verhinderten, dass sich die Blätter zum Abkühlen hoben. Die Pflanze konnte ihre Kühlreaktion nicht entfalten und gleichzeitig wurde die Photosynthese (Herstellung von Nahrungsmitteln aus Sonnenlicht und Kohlendioxid) reduziert.

Diese Umstände verlangsamen effektiv das Wachstum der Pflanze. Obwohl Tomatenpflanzen mit Insektenbefall oder erhöhter Temperatur gut umgehen können, bedeutet dies doppelte Probleme, wenn diese beiden Belastungen gleichzeitig auftreten. Das Ergebnis ist eine schnelle Entlaubung durch hungrige Raupen sowie eine Überhitzung der Blätter.

Pflanzen in realen Umgebungen untersuchen

Warum Insektenbefall die Pflanzen davon abhält, sich abzukühlen, bleibt ein Rätsel. Wenn Pflanzen jedoch während eines Insektenbefalls ihre Stomata schließen, sparen sie Wasser, indem sie verhindern, dass es aus verwundeten Blättern verdunstet. Wir glauben, dass diese Reaktion der Pflanze zugute kommen kann, wenn das Wasser knapp ist, was häufig bei Hitzewellen der Fall ist.

Wir planen, diese Frage zu beantworten, indem wir Pflanzen untersuchen, die in rauen natürlichen Umgebungen und nicht unter streng kontrollierten Laborbedingungen wachsen. Wir glauben, dass solche Studien notwendig sind, um Pflanzen zu entwickeln, die sowohl Hitze als auch Wundstress standhalten können.

Widerstandsfähigere Pflanzen herstellen

Viele Experten schätzen, dass sich die landwirtschaftliche Produktivität in den nächsten 30 Jahren verdoppeln muss, um die Anforderungen von a zu erfüllen schnell wachsende Bevölkerung. Die aktuellen Ertragsverläufe für Großkulturen in Verbindung mit den unsicheren Auswirkungen eines sich verändernden globalen Umfelds lassen darauf schließen, dass die Welt diese Nachfrage mit konventionellen landwirtschaftlichen Praktiken weit hinter sich lassen wird.

Das Vereinigte Königreich Royal Society und andere wissenschaftliche Organisationen haben a Zweite grüne Revolution Dies wird eine nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft durch die Entwicklung von Pflanzen ermöglichen, die angesichts zunehmend rauerer Umweltbedingungen widerstandsfähiger sind.

Die jüngsten technologischen Fortschritte, von Genomik und Geneditierung bis hin zu rechnergestützten und datenwissenschaftlichen Ansätzen, bieten Forschern beispiellose Möglichkeiten, auf dieses Ziel hinzuarbeiten. Um ein besseres Verständnis der komplexen Wechselwirkungen von Hitze und Insektenbefall zu erreichen, hoffen wir, dass unsere Forschung neue Strategien zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit von Pflanzen in einer sich erwärmenden Welt aufzeigt.

Über den Autor

Gregg Howe, Professor für Biochemie und Molekularbiologie, Michigan State University und Nathan Havko, Postdoktorand in Pflanzenforschung, Michigan State University

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

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