Дилемма травоядных: как кукуруза защищается от одновременных атак

Проростки кукурузы особенно уязвимы для прожорливых насекомых-вредителей, таких как гусеницы и тли, из-за отсутствия одревесневших стеблей и жёстких листьев.

Исследование группы профессора Георга Яндера из Института Бойса Томпсона (BTI) показывает, что растения кукурузы могут идти на серьёзный компромисс, защищаясь от нескольких типов насекомых. Некоторые сорта становятся более уязвимыми для тлей после выработки защитных соединений против гусениц. Результаты, опубликованные в журнале Molecular Ecology, могут привести к созданию сортов кукурузы, естественно более устойчивых к определённым насекомым.

«Это похоже на метаболическую дилемму, — говорит ведущий автор Веред Цин. — Когда питаются гусеницы, происходит изменение в метаболическом пути, который производит химические защитные соединения, защищающие растения от гусениц. Но в случае с тлями оказывается, что те же самые соединения, которые делают растения устойчивыми к гусеницам, потенциально могут сделать их восприимчивыми к тлям».

Исследователи оценивают, что насекомые ежегодно уничтожают 6–19% мирового урожая кукурузы, а также распространяют бактерии и вирусы.

Химическая защита кукурузы:

• Против тлей: растения производят каллозу — углевод, который может запечатывать межклеточные пространства и мешать тлям высасывать сок тканей своим иглоподобным стилетом. Образование каллозы запускается защитным соединением DIMBOA.
• Против гусениц: растения производят соединение MBOA, которое отпугивает их. Оба соединения, MBOA и DIMBOA, находятся в одном метаболическом пути и происходят от молекулы бензоксазиноида.

Поскольку оба защитных соединения происходят от одной родительской молекулы, учёные предположили, что питание одних насекомых (например, гусениц) может влиять на способность растения противостоять другим (например, тлям).

Эксперимент и результаты:

Исследователи выращивали проростки распространённого сорта B73, часть из которых подвергали воздействию гусениц, а затем заселяли тлями. Тли стабильно производили больше потомства на кукурузе, которую предварительно объедали гусеницы.

Однако при тестировании 17 различных линий кукурузы со всего мира результаты варьировались: у одних сортов, как и у B73, после питания гусениц увеличивалось количество потомства тлей, у других — уменьшалось или не менялось.

Эта вариация, вероятно, связана с эволюционной историей разных сортов. Тли более распространены в умеренных зонах (например, на Среднем Западе США), где они распространяют вирусы карликовости ячменя и злаков, в то время как гусеницы представляют большую проблему в тропических районах.

Генетический подход:

Чтобы выявить гены, влияющие на это взаимодействие, исследователи скрестили растения B73 с сортом Ky21, на котором после питания гусениц производилось меньше потомства тлей. С помощью генетического подхода были идентифицированы три региона генома (на хромосомах 1, 7 и 10), которые, по-видимому, существенно влияют на восприимчивость растения кукурузы к тлям. Селекция на определённые генетические вариации, естественным образом снижающие ущерб от гусениц и тлей, может привести к созданию новых сортов, требующих меньшего применения пестицидов.

«Мы можем использовать генетический подход, чтобы задавать экологические вопросы и пытаться понять, как растение реагирует на два организма, — отмечает Веред Цин. — Большинство исследований взаимодействия растений и насекомых сосредоточено на реакции растения на один тип насекомых за раз. Следует чаще использовать генетические инструменты для ответа на экологические вопросы».

В будущем группа Яндера планирует использовать аналогичный подход для изучения реакции кукурузы на одновременные атаки других типов насекомых и вредителей, поражающих разные ткани растения.