Wageningen, The Netherlands
May 20, 2021
Identifying the genetic code for disease resistance in plants is normally a tricky thing. A single gene can usually only offer protection against a specific disease or parasite. But this time it’s different. Researchers at Wageningen University & Research have discovered that a resistance gene in thale cress (Arabidopsis thaliana) against the green peach aphid, also affects other aphids and whiteflies. However, not every aphid or whitefly species is put off. The tobacco whitefly and mustard aphid are unaffected and still feast on the plant, but for the latter this does involve an unusual spitting ritual.
Aphids are widespread on plants and agricultural crops. They feed on plant sap, but also spread viruses. Efforts to reduce the use of insecticides in agriculture therefore include a lot of research into natural defence mechanisms in plants.
Karen Kloth, a researcher in the Entomology laboratory of WUR, specialises in this area. In 2017 she discovered a gene that makes one plant species – thale cress – more resistant to the green peach aphid. In a new experiment, published in Plant, Cell & Environment, she and her fellow researchers demonstrate that this gene is found in every part of the plant (the roots, leaves, stems and buds), but is only active in the so-called phloem– the cells which transport the sugar-rich sap through the plant. They also discovered that the gene works against other species of aphid and whitefly which, like the green peach aphid, feed on phloem sap.
Plant gene reduces insect reproduction and appetite
It turns out that the tobacco aphid, cabbage aphid and cabbage whitefly don't fare so well on plants that contain this gene, says Kloth. “They produced fewer offspring or eggs during the experiment. Detailed behavioural tests also revealed that when plants contained the resistance gene, the aphids spent more time salivating before they could start to eat, and also spent less time feasting on the phloem sap.”
To monitor aphid feeding behavior in great detail, a golden thread connected to recording devices was glued to its back with silver glue.
Mustard aphid spits up to 20 times before it starts to eat
However, the gene doesn’t work against the mustard aphid or the tobacco whitefly. The mustard aphid displayed unusual behaviour that might disable the resistance. Kloth: “These aphids would repeatedly inject their needle-like mouth parts into the phloem and then spit, doing so up to 20 times before they actually began to eat. This suggests that repeatedly injecting spit with special proteins helps the Mustard aphid bypass resistance."
Increasing the natural resilience of crops
The research, carried out in collaboration with Umeå University and KeyGene, was partially funded by a Veni grant awarded to Kloth in 2018 by the Dutch Research Council (NWO) to carry out research into natural defence mechanisms in plants against insect pests and viruses that could help reduce the use of insecticides. “Many crops are affected by infestations of aphids and whiteflies. They are difficult to deal with, leading to the spread of plant viruses and jeopardising yields. It’s therefore quite remarkable to discover that a single gene in thale cress offers protection against different species of aphid and whitefly. It’s hoped that further research will reveal the underlying mechanism at work and how this gene can be used to increase the natural resilience of crops.”
Gen ontdekt dat planten weerbaarder maakt tegen bladluizen en wittevliegen
Normaal gesproken is het lastig om de genetische code voor ziekteresistentie bij planten te ontdekken. Grotendeels, omdat één gen meestal alleen bescherming biedt tegen één specifieke ziekte of parasiet. Dit keer ligt het echter anders. Onderzoekers van Wageningen University & Research, Umeå University en KeyGene hebben ontdekt dat een gen dat de plant zandraket (Arabidopsis thaliana) resistenter maakt tegen de Groene perzikluis, ook andere bladluizen en wittevliegen op afstand houdt. Alle bladluizen en wittevliegen? Nee, dat niet. De Tabakswittevlieg en Mosterdluis eten onverstoorbaar van de plant, al gaat dat bij de Mosterdluis wel gepaard met een bijzonder spuugritueel.
Bladluizen komen veelvuldig voor op planten en landbouwgewassen. Ze voeden zich met het sap van de planten, maar verspreiden er ook virussen. Om bij te dragen aan het terugdringen van het gebruik van insecticides in de landbouw wordt daarom veel onderzoek gedaan naar natuurlijke beschermingsmechanismes van planten.
Ook onderzoeker Karen Kloth van het laboratorium voor Entomologie van WUR houdt zich hiermee bezig. Zij ontdekte in 2017 een gen, wat de plant zandraket resistenter maakt tegen de Groene Perzikluis. In een nieuw experiment, gepubliceerd in Plant, Cell & Environment, laten zij en collega-onderzoekers nu zien dat dit gen overal in de plant voorkomt (in wortels, bladeren, stengels en knoppen), maar alleen actief is in het zogenoemde floëem - de cellen die het suikerrijke sap door de plant transporteren. Ook ontdekten ze dat het gen werkt tegen andere soorten bladluizen en wittevliegen die net als de Groene perzikluis van floëemsap leven.
Plantgen vermindert voortplanting en eetlust insecten
Het blijkt dat ook de Tabaksluis, Melige koolluis en de Koolwittevlieg slechter presteren op planten die dit gen hebben, vertelt Kloth. “Ze produceerden tijdens het experiment minder nakomelingen of eitjes. Uit gedetailleerde gedragsproeven bleek daarnaast dat de bladluizen, als planten het resistentiegen hadden, langer moesten spugen voordat ze konden beginnen met eten en zich ook minder lang tegoed deden aan floëemsap.”
Mosterdluis spuugt wel 20 keer en gaat dan pas eten
Het gen werkt daarentegen niet tegen de Mosterdluis en de Tabakswittevlieg. De Mosterdluis liet een bijzonder gedrag zien dat mogelijk de resistentie onklaar maakt. Kloth: “Deze bladluizen prikten met hun priksnuit en spuugden herhaaldelijk, tot wel zo’n 20 keer, in het floëem voordat ze daadwerkelijk begonnen te eten. De meeste andere bladluizen doen dit normaliter maar één keer. Dit suggereert dat het herhaaldelijk injecteren van spuug met speciale eiwitten, de Mosterdluis helpt om de resistentie te omzeilen.”
Natuurlijke weerbaarheid gewassen vergroten
Het in samenwerking met Umeå University en KeyGene uitgevoerde onderzoek is mede mogelijk gemaakt door een Veni-beurs die Kloth in 2018 kreeg van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) om onderzoek te doen naar natuurlijke beschermingsmechanismes van planten tegen plaaginsecten en virussen die kunnen bijdragen aan het terugdringen van het gebruik van insecticides. “Bladluizen en wittevliegen zijn in veel gewassen lastig te bestrijden plagen die plantvirussen verspreiden en daarmee de opbrengst in gevaar brengen. De ontdekking dat één gen de zandraket beschermt tegen verschillende soorten bladluizen en een wittevlieg is mede daarom vrij bijzonder. Verder onderzoek moet uitwijzen welk mechanisme hieraan ten grondslag ligt en hoe dit gen te gebruiken is om de natuurlijke weerbaarheid van gewassen te vergroten.”
Species
