Induzierte Pflanzenabwehr und Artenspezifizität

Seit mehr als 350 Millionen Jahren sind Pflanzen mit der Bedrohung konfrontiert von hungrigen Pflanzen fressenden Insekten verzehrt zu werden. In dieser Zeit haben sie viele anspruchsvolle Strategien entwickelt, um sich vor ihre Fressfeinden zu schützen. Dazu gehören physische Barrieren, Toxine und Verbindungen, die einen Fraß stoppen oder Verhindern (Antifraßstoffe).

Doch die Verteidigung ist jedoch kostspielig bei den Pflanzen; daher wird angenommen, dass die induzierte Verteidigung, die nur aktiviert wird, wenn die Pflanze angegriffen wird, sich entwickelt hat, um diese Kosten zu reduzieren. Das Projekt INDUCED DEFENCE (Herbivore induced plant defences: The evolution and genetic basis of their specificity) untersuchte, ob diese Form der Verteidigung artspezifisch ist.

Die Spezifität der Pflanzenabwehr soll durch chemische Signale, sogenannte HAE (herbivore-associated elicitors), erleichtert werden; aber wie sich die Spezifität entwickelt hat, ist unklar. Daher hat INDUCED DEFENCE die Entwicklung und die Spezifität bei HAE-induzierter Pflanzenabwehr untersucht und die genetische Basis der Spezifität identifiziert.

Die Forscher untersuchten induzierte Verteidigungen in eng verwandten Arten von Tabakpflanzen (Nicotiana) und Auslöser verschiedener oraler Insektensekrete. Die Ergebnisse zeigten, dass die HAE-Verteidigung für verschiedene Nicotiana-Arten sehr spezifisch ist. Einzelne Nicotiana-Arten haben unterschiedliche Reaktionen auf verschiedene HAE, und ein HAE kann unter eng verwandten Nicotiana-Arten unterschiedliche Abwehrreaktionen induzieren.

Die Wirkung der HAE-Verteidigung auf Pflanzenfresser unterscheidet sich zwischen Manduca sexta, einem Pflanzenfresser aus der Familie Solanaceae (er frisst auch Tabak) und Spodyptera littoralis, einem Allesfresser.

Es wurden Blatt-Transkriptome von sechs Nicotiana-Arten sequenziert, die durch unterschiedliche HAE induziert werden und es wurde ein entscheidendes Co-Expressionsnetzwerk identifiziert. Das Co-Expressionsnetzwerk passte mit der Spezifität von HAE-induzierter Abwehr in Nicotiana zusammen, sowohl innerhalb als auch zwischen den Arten. Funktionelle Analyse bestätigte, dass das identifizierte Co-Expressionsnetzwerk an einer durch HAE-induzierten frühen Verteidigungssignalgebung beteiligt war.

Ein phylogenomischer Ansatz wurde eingesetzt, um das Verständnis des identifizierten Co-Expressionsnetzwerks zu klären. Er ließ darauf schließen, dass Gesamt-Genomduplikationsereignisse in Solanaceae zur Entwicklung eines HAE-induzierten frühen Signalisierungsnetzwerks in Nicotiana beigetragen haben.

Das identifizierte Pflanzenfresser-induzierte Co-Expressionsnetzwerk und die Entdeckung, dass eine genomweite Vervielfältigung die Entwicklung der Pflanzenfresser-induzierten Abwehr beeinflusst, werden den Pflanzenzüchtern zugutekommen. Darüber hinaus werden die neuen entwickelten Methoden es künftigen Forschern ermöglichen, Gene, die an komplexen Merkmalen beteiligt sind, schnell zu identifizieren.

Kandidatengene, die von INDUCED DEFENCE identifiziert wurden, könnten zu einem Durchbruch führen, wenn es darum geht zu verstehen, wie Pflanzen Pflanzenfresser wahrnehmen, wovon der Pflanzenschutz auf der ganzen Welt profitieren kann.