Indukowana ochrona roślin i swoistość gatunkowa

Od ponad 350 milionów lat rośliny stoją w obliczu zagrożenia, że zostaną skonsumowane przez wygłodniałe roślinożerne owady. W tym czasie jednak zdołały wypracować wiele wymyślnych strategii chroniących je przez wrogiem, w tym bariery fizyczne, toksyny i związki, które wstrzymują lub hamują żerowanie (antyfidanty).

Jednak ochrona wiąże się z wysokimi kosztami; dlatego też naukowcy są zdania, że ochrona indukowana, której aktywacja następuje jedynie w następstwie ataku, ewoluowała jako sposób na obniżenie tych kosztów. W ramach projektu INDUCED DEFENCE (Herbivore induced plant defences: The evolution and genetic basis of their specificity) zbadano, czy ta forma ochrony jest swoista dla gatunku.

Swoistość w strategiach ochronnych roślin jest prawdopodobnie wspomagana przez bodźce chemiczne znane jako elicytory związane z roślinożernością (HAE), jednak to, w jaki sposób ewoluuje swoistość, nie jest jasne. Dlatego zespół projektu INDUCED DEFENCE przyjrzał się ewolucji i swoistości w strategiach ochronnych indukowanych przez HAE oraz zidentyfikował podstawy genetyczne swoistości.

Naukowcy zbadali strategie ochrony indukowanej u blisko spokrewnionych gatunków roślin tytoniu (Nicotiana) oraz elicytorów z wydzielin gębowych różnych owadów. Wyniki ujawniły, że strategie ochronne HAE są bardzo swoiste dla różnych odmian tytoniu. Zaobserwowano, że pojedynczy gatunek tytoniu wywołuje różne reakcje w zależności od rodzaju HAE, natomiast jeden HAE może indukować różne reakcje ochronne pośród blisko spokrewnionych gatunków tytoniu.

Okazało się, że wpływ strategii ochronnych HAE na owady roślinożerne różnił się między zawisakiem tytoniowym (Manduca sexta), który żywi się wyłącznie roślinami z rodziny psiankowatych (Solanaceae) (do której należy tytoń), a sówką bawełnówką egipską (Spodyptera littoralis), która żeruje na różnych gatunkach roślin.

Przeprowadzono sekwencjonowanie transkryptomów liści sześciu gatunków tytoniu, które indukowano przez różne HAE, i zidentyfikowano główne sieci jednoczesnej ekspresji. Sieć jednoczesnej ekspresji była dopasowana do swoistości strategii ochronnych indukowanych przez HAE u tytoniu, zarówno w obrębie jednego gatunku, jak i międzygatunkowo. Analiza funkcjonalna potwierdziła, że zidentyfikowana sieć jednoczesnej ekspresji była zaangażowana w indukowane przez HAE wczesne sygnalizowanie ochronne.

Aby lepiej zrozumieć zidentyfikowaną sieć jednoczesnej ekspresji, zastosowano metodę filogenomiki. Okazało się, że zdarzenia duplikacji całego genomu u psiankowatych przyczyniły się do rozwoju indukowanej przez HAE sieci wczesnego sygnalizowania u tytoniu.

Ta zidentyfikowana sieć jednoczesnej ekspresji indukowana przez owady roślinożerne oraz odkrycie, że duplikacja całego genomu znacząco wpływa na rozwój strategii ochronnych indukowanych przez owady roślinożerne przyniesie korzyści hodowcom roślin uprawnych. Ponadto nowe metody umożliwią przyszłym badaczom szybką identyfikację genów zaangażowanych w złożone cechy.

Geny kandydujące zidentyfikowane przez zespół INDUCED DEFENCE mogą doprowadzić do przełomu w rozumieniu sposobu postrzegania roślinożerców przez rośliny, przynosząc tym samym korzyści w dziedzinie ochrony upraw na całym świecie.