Laborator cheie de ecologie a plantelor acvatice și a bazinului hidrografic, Grădina Botanică Wuhan, Academia Chineză de Științe, Wuhan, China

Institutul de Științe ale Plantelor, Universitatea din Berna, Berna, Elveția

Corespondenţă

Wei Huang, Laboratorul cheie de ecologie a plantelor acvatice și a bazinelor hidrografice, Grădina Botanică Wuhan, Academia Chineză de Științe, Wuhan 430074, China.

Matthias Erb, Institutul de Științe ale Plantelor, Universitatea din Berna, Altenbergrain 21, Berna 3013, Elveția.

Institutul de Științe ale Plantelor, Universitatea din Berna, Berna, Elveția

Institutul de Științe ale Plantelor, Universitatea din Berna, Berna, Elveția

Corespondenţă

Wei Huang, Laboratorul cheie de ecologie a plantelor acvatice și a bazinelor hidrografice, Grădina Botanică Wuhan, Academia Chineză de Științe, Wuhan 430074, China.

Matthias Erb, Institutul de Științe ale Plantelor, Universitatea din Berna, Altenbergrain 21, Berna 3013, Elveția.

Laborator cheie de ecologie a plantelor acvatice și a bazinului hidrografic, Grădina Botanică Wuhan, Academia Chineză de Științe, Wuhan, China

Institutul de Științe ale Plantelor, Universitatea din Berna, Berna, Elveția

Corespondenţă

Wei Huang, Laboratorul cheie de ecologie a plantelor acvatice și a bazinului hidrografic, Grădina Botanică Wuhan, Academia Chineză de Științe, Wuhan 430074, China.

Matthias Erb, Institutul de Științe ale Plantelor, Universitatea din Berna, Altenbergrain 21, Berna 3013, Elveția.

Institutul de Științe ale Plantelor, Universitatea din Berna, Berna, Elveția

Institutul de Științe ale Plantelor, Universitatea din Berna, Berna, Elveția

Corespondenţă

Wei Huang, Laboratorul cheie de ecologie a plantelor acvatice și a bazinelor hidrografice, Grădina Botanică Wuhan, Academia Chineză de Științe, Wuhan 430074, China.

Matthias Erb, Institutul de Științe ale Plantelor, Universitatea din Berna, Altenbergrain 21, Berna 3013, Elveția.

Abstract

1. INTRODUCERE

Plantele emit o varietate de compuși organici volatili (COV) care pot afecta comportamentul și performanța altor organisme. COV induse de ierbivor, de exemplu, pot spori apărarea și rezistența plantelor învecinate (Arimura și colab., 2000; Engelberth, Alborn, Schmelz și Tumlinson, 2004; Erb și colab., 2015; Frost, Mescher, Carlson și De Moraes, 2008; Karban, Yang și Edwards, 2014; Pearse, Hughes, Shiojiri, Ishizaki și Karban, 2013; Sugimoto și colab., 2014). Deoarece beneficiul pentru planta emițătoare este neclar, acest fenomen este de obicei privit ca o formă de „ascultare” de către receptor mai degrabă decât o formă de comunicare (Heil & Karban, 2010). Din perspectiva unei plante emițătoare, ar părea avantajos să se utilizeze COV-uri pentru a suprima mai degrabă decât a spori apărarea la vecini (Heil & Karban, 2010). Cu toate acestea, se știe puțin despre capacitatea COV de a suprima mijloacele de apărare și de a spori ratele de atac al erbivorilor la plantele vecine. S-a constatat că plantele de broccoli primesc mai multă ovipoziție de molii de diamant după expunerea la COV de la specificații deteriorați (Li & Blande, 2015). Mai mult, expunerea la COV de la vecinii avariați crește daunele erbivore asupra soțiilor care suflă (Achyrachaena mollis) și charlock (Sinapis arvensis) (Pearse și colab., 2012). În cele din urmă, expunerea volatilă cu frunze verzi (GLV) suprimă mai multe gene legate de apărare în tutunul coiot (Nicotiana attenuata; Paschold, Halitschke și Baldwin, 2006). În mod clar, capacitatea COV de a suprima mai degrabă decât de a induce apărarea necesită mai multă atenție pentru a înțelege modul în care COV influențează interacțiunile dintre plante și erbivore ale plantelor învecinate (Erb, 2018a).

Majoritatea studiilor privind efectele COV asupra vecinilor plantelor s-au concentrat asupra filosferei. Cu toate acestea, plantele eliberează, de asemenea, cantități semnificative de COV în rizosferă, care pot afecta apărarea plantelor și interacțiunile plante-erbivore (Delory, Delaplace, Fauconnier și du Jardin, 2016). Substanțele chimice din rădăcini, inclusiv COV, pot afecta germinarea și creșterea plantelor învecinate (Ens, Bremner, French și Korth, 2009; Jassbi, Zamanizadehnajari și Baldwin, 2010) și comportamentul și performanța erbivorelor (Hu, Mateo și colab. ., 2018; Robert, Erb și colab., 2012; Robert, Veyrat și colab., 2012). Prin urmare, este rezonabil să presupunem că COV-urile din rădăcină pot afecta, de asemenea, interacțiunile dintre plante și erbivore ale plantelor învecinate. S-a demonstrat că exudatele rădăcinii și rețelele miceliale modifică apărarea plantelor și interacțiunile plantelor erbivore la plantele învecinate (Babikova și colab., 2013; Dicke și Dijkman, 2001), dar rolul specific al COV-urilor rădăcinii în interacțiunea plantă-plantă are, ceea ce știm, nu a fost abordat (Delory și colab., 2016).

2 METODE ȘI MATERIALE

2.1 Sistemul de studiu

Sistemul de studiu a constat T. oficial (Genotipul A34) ca plantă receptoare, C. stoebe ca plantă emițătoare și M. melolontha ca erbivor al T. oficial. T. oficial semințele au fost obținute din plante A34 cultivate în seră. C. stoebe Semințele L. (diploide) au fost obținute de la un furnizor comercial (UFA - SAMEN, Winterthur, Elveția). M. melolontha larvele au fost colectate dintr-o curte de măr din Sion, Elveția (46,21 ° N, 7,38 ° E). Larvele au fost crescute pe felii de morcov în condiții controlate (12 ° C, 60% umiditate și întuneric constant) timp de câteva săptămâni până la începutul experimentelor.

2.2 Impactul C. stoebe rădăcină COV pe interacțiunea dintre T. oficial și M. melolontha

2.3 Analiza profilurilor VOC rădăcină în decalaj

interacțiunile

2.4 Contribuția de (E) -β‐Interacțiuni cariofilenă-plantă

(E) -β‐Cariofilena este unul dintre sesquiterpenele majore eliberate de C. stoebe rădăcini și este produs de terpena sintază exprimată de rădăcină CsTPS4 (Gfeller și colab., 2019). Pentru a testa dacă (E) -β‐Cariofilena este suficientă pentru a explica creșterea crescută a M. melolontha el T. oficial plante, am determinat concentrația de (E) -β‐Cariofilena în golul de aer dintre rizosfera din C. stoebe și T. oficial (a se vedea mai sus) și apoi a utilizat dozele sintetice corespunzătoare pentru a investiga impactul acestuia asupra interacțiunii dintre T. oficial și M. melolontha. Un desen schematic al setării este prezentat în Figura 4a.

Pentru a verifica dacă putem imita (E) -β‐Eliberarea de carofilenă a C. stoebe cu un dozator care conține materiale sintetice (E) -β‐Cariofilenă, am măsurat (E) -β‐Cariofilena în decalajul aerian al T. oficial plante care cresc cu C. stoebe sau T. oficial plante care cresc fără C. stoebe dar cu un (E) -β‐Distribuitor de cariofilenă în golul de aer (n = 16). Ambele specii de plante aveau vârsta de 7 săptămâni. Distribuitoarele au fost construite din flacoane de sticlă de 1,5 ml (VWR) care au fost străpunse de o micro-pipetă de 1 ul (Drummond) și sigilate cu parafilm (Bemis). Distribuitoarele au fost umplute cu 100 - ul (E) ‐Β - cariofilenă (˃98,5%, GC, Sigma - Aldrich). Acest dispozitiv a permis rate de eliberare constante de (E) -β‐Cariofilenă. La două zile după adăugarea dozatoarelor, (E) -β-Concentrațiile de cariofilenă au fost determinate de SPME - GC - MS așa cum s-a descris mai sus, rezultând opt replici biologice (două seturi combinate pe replică).

Pentru a testa efectul (E) -β‐Cariofilenă despre interacțiunea dintre T. oficial și M. melolontha, am realizat un experiment în cadrul căruia T. oficial plantele au fost expuse la (a) dozatoare de control fără instalații învecinate, (b) (E) -β‐Dozatoare de cariofilenă fără plantă vecină și (c) dozatoare de control cu C. stoebe ca plantă vecină (n = 12 pe combinație). Configurarea experimentală a fost cea descrisă mai sus. La șapte săptămâni după transplantul de C. stoebe și adăugarea dozatoarelor, una prealabilă și înfometată M. melolontha larva a fost adăugată la cușca de plasă în care T. oficial plantele creșteau. După 18 zile, toate larvele au fost recuperate din cuști de plasă și re-cântărite. În timpul experimentului, dozatoarele au fost înlocuite la fiecare 10 zile, iar vasele au fost rearanjate în fiecare săptămână.

2.5 Analiza datelor

Toate analizele de date au fost efectuate cu software-ul de analiză statistică R 3.2.0 (Fundația R pentru Calculul Statistic, Viena, Austria) utilizând pachetele „CAR”, „LME4”, „LSMEANS”, „VEGAN” și „RVAIDEMEMOIRE” (Bates, Mächler, Bolker și Walker, 2015; Fox & Weisberg, 2011; Hervé, 2016; Lenth, 2016; Oksanen și colab., 2016). Creșterea în greutate a larvelor și variabilele de plantă au fost analizate utilizând analize ale varianței unidirecționale (ANOVA folosind sume de pătrate de tip II). Ipotezele ANOVA au fost verificate prin inspectarea reziduurilor și a varianței. Comparații multiple au fost efectuate folosind teste post-hoc (LSM) cu cea mai mică valoare pătrată pentru termeni semnificativi. P valorile au fost corectate folosind metoda ratei de descoperire falsă (Benjamini & Hochberg, 1995). Pentru a examina asocierile liniare dintre creșterea în greutate a larvelor și parametrii rădăcinii, s-au efectuat corelațiile produs-moment ale lui Pearson. Pentru a examina diferențele generale în profilurile VOC între diferite combinații, abundența relativă a caracteristicilor detectate a fost supusă analizei componente principale (PCA). Testele Monte Carlo cu permutări 999 au fost apoi utilizate pentru a testa diferențele semnificative între combinații.

3. REZULTATE

3.1 Identitatea vecinului determină profilurile VOC în rizosferă

Analiza PCA a arătat că profilurile VOC în decalajul de aer dintre T. oficial rizosfera și rizosfera tratamentelor învecinate au diferit semnificativ (F2,9 = 1.294, P = 0,036, Figura 1b). Profiluri COV ale T.oficial plante expuse solului gol sau T. oficial plantele nu se distingeau (P = 0,516, Figura 1b). În schimb, profilurile au fost puternic modificate de prezența C. stoebe (P = 0,040, Figura 1b). Profiluri VOC în spațiul aerian dintre T. oficial și C. stoebe au fost dominate de sesquiterpene care sunt eliberate de C. stoebe rădăcini (Gfeller și colab., 2019), inclusiv petasitenele, (E) -β‐Cariofilenă și daucadienă (zona de vârf, P

3.2 COV rădăcină a C. stoebe crește M. melolontha creștere pe T. oficial

Creșterea M. melolontha a fost similar pe T. oficial plante care au primit COV subteran din sol gol sau T. oficial vecini (P = 0,791, Figura 2b). În contrast, M. melolontha creșterea în greutate a fost semnificativ mai mare la T. oficial plante care au fost expuse la COV rădăcină a C. stoebe (P = 0,045, Figura 2b). Prin urmare, C. stoebe creșterea COV rădăcină M. melolontha creștere pe T. oficial.

3.3 COV rădăcină a C. stoebe schimba metaboliții primari în T. oficial rădăcini

T. oficial biomasa radiculară a fost afectată semnificativ de diferitele tratamente de expunere la COV (F2,66 = 5.571, P = 0,006) dar nu de M. melolontha atac (F1,66 = 1.761, P = 0,189) sau interacțiuneaF2,66 = 0,253, P = 0,777). Biomasa rădăcină a fost mai mare în C. stoebe plante expuse comparativ cu plantele expuse T. oficial și sol gol (Figura 3a). Expunerea la COV din rădăcină a influențat, de asemenea, concentrația metaboliților primari și secundari ai rădăcinii (Figura 3b - f). Concentrațiile totale de proteine ​​din rădăcină au fost afectate semnificativ de sursa de COV (F2,66 = 50,383, P 2 = 0,186, Figura 3g) și proteină solubilăP = 0,001, R 2 = 0,272, Figura 3h), dar nu corelat semnificativ cu zaharurile solubile (glucoza, P = 0,255, R 2 = 0,035; fructoză, P = 0,507, R 2 = 0,010; zaharoză, P = 0,233, R 2 = 0,053; Figura 3i - k) sau TA - GP = 0,255, R 2 = 0,034, Figura 3l).

3.4 Sintetic (E) -β‐Cariofilena imită parțial C. stoebe efectele VOC rădăcină

Cantitatea de (E) -β‐Cariofilena care s-a acumulat în golul de aer furnizat cu un dozator a fost similară cu emisia de (E) -β‐Cariofilena în gol prin C. stoebe (t = −0.302, P = 0,767, Figura 4b). Similar experimentului anterior, prezența C. stoebe crescut M. melolontha creșterea în greutate în comparație cu solul gol (Figura 4c). M. melolontha creștere în prezența (E) -β‐Dozatoarele de cariofilenă au fost intermediare și nu au statistic diferit de tratamentul de control sau de C. stoebe tratament (Figura 4c). Prin urmare, (E) -β‐Cariofilena imită parțial C. stoebe efectele VOC rădăcină asupra M. melolontha creșterea pe plantele vecine.

4. DISCUTIE

Efectele asociative declanșate de COV-urile din plante joacă un rol important în determinarea interacțiunilor plante-erbivore în teren (Barbosa și colab., 2009; Underwood, 2014). Cu toate acestea, până în prezent, majoritatea studiilor s-au concentrat pe interacțiunile supraterane prin intermediul semnalelor aeriene și cele mai multe studii documentează că VOC-urile frunzelor declanșează rezistență asociativă la vecini (Arimura și colab., 2000; Engelberth și colab., 2004; Erb și colab., 2015; Frost și colab., 2008; Pearse și colab., 2013; Sugimoto și colab., 2014). Rezultatele noastre arată că COV din rădăcină modulează interacțiunile dintre plante și erbivore și că COV pot duce la susceptibilitate asociativă.

COV-urile plantelor învecinate sunt bine cunoscute pentru a crește apărarea și rezistența plantelor învecinate (Arimura și colab., 2000; Erb și colab., 2015; Sugimoto și colab., 2014) și există doar câteva exemple documentate în care COV scad rezistența a plantelor vecine (Li & Blande, 2015). Din perspectiva expeditorului, inducerea susceptibilității la erbivore la plantele vecine poate fi un avantaj, deoarece le poate reduce competitivitatea. Susceptibilitatea indusă de COV poate fi astfel o formă de infracțiune a plantelor. Cu toate acestea, trebuie luate în considerare mai multe avertismente. În primul rând, mulți erbivori sunt mobili și creșterea creșterii erbivorelor pe plantele învecinate poate duce la migrarea accelerată către planta expeditoare. În al doilea rând, creșterea erbivorilor, măsurată aici, nu este sinonimă cu deteriorarea plantelor și poate fi rezultatul unei creșteri a performanței plantei receptoare, caz în care competitivitatea lor nu ar fi redusă, iar beneficiul pentru emițător ar fi mai mic evident (Erb, 2018b; Veyrat și colab., 2016). În al treilea rând, beneficiile inducerii susceptibilității la plantele vecine pot fi compensate în absența erbivorelor. Într-adevăr, arătăm asta C. stoebe COV-urile pot crește germinarea și creșterea plantelor vecine heterospecifice în absența erbivorelor (Gfeller și colab., 2019). Prin urmare, sunt necesare mai multe cercetări pentru a înțelege contextul evolutiv și ecologic al constatărilor prezente.

În concluzie, studiul de față arată că COV-urile rădăcinii pot influența interacțiunile plante-erbivore asupra plantelor învecinate prin efecte mediate de plante. Astfel, efectele asociative mediate de COV subteran trebuie să fie incluse în modele privind ecologia interacțiunii plantelor.

MULȚUMIRI

Mulțumim lui Noelle Schenk pentru creșterea insectelor și grădinarilor IPS pentru cultivarea plantelor. Acest studiu a fost susținut de Programul Național de Cercetare și Dezvoltare cheie din China (2017YFC1200100 către WH), Fundația Națională Elvețiană pentru Științe (subvenții 153517 și 157884 către ME), Comisia Europeană (MC - CIG nr. 629134 către ME, MC -IF nr. 704334 la WH) și Fundația Națională pentru Științe Naturale din China (31470447 și 31822007 la WH). Autorii declară că nu au niciun conflict de interese.

CONTRIBUȚIILE AUTORULUI

W.H. si eu. a proiectat experimentele. W.H. a efectuat cercetări cu efect de seră. W.H., V.G. și M.E. a efectuat analize chimice, a analizat datele și a scris manuscrisul.

Accesibilitatea datelor

Datele brute asociate acestui studiu pot fi descărcate de pe Dryad (pentru a fi introduse ulterior).