Bern, Switzerland
November 15, 2019
The western corn rootworm, one of the world's most damaging maize pests, can use plant defense compounds to defend itself against its own natural enemies, so-called entomopathogenic nematodes. However, the nematodes can become immune against these compounds in turn, which enhances their ability to fight the western corn rootworm, as researchers at the University of Bern show. This mechanism may contribute to improving biological pest control.
The western corn rootworm causes economic losses of over 2 billion US dollars in maize cultivation and is thus a serious agricultural pest. Originally from America, the western corn rootworm is currently invading Europe, including Switzerland.
A successful pest
In an earlier study, Christelle Robert and Matthias Erb from the Institute of plant sciences (IPS) at the University of Bern elucidated one of the strategies that underlies the success of the western corn rootworm. Maize plants store certain defense substances, so-called benzoxazinoids, in their roots. These substances are harmful to many pests. However, the western corn rootworm has developed a strategy to detoxify these substances. The larvae of the corn rootworm thus become resistant against the plant's own defense. Even worse – the larvae store the benzoxazinoids in their bodies and in turn, use them for self-defense against their own enemies, including parasitic roundworms (entomopathogenic nematodes). The fact that the western corn rootworm has found a defense strategy against nematodes is of particular importance, as the nematodes are used as biological control agents against this pest.
"Considerable successes have already been achieved in the field using nematodes; efficiency-increasing measures could further boost this approach", explains Matthias Erb, Professor for Biotic Interactions at the IPS. "Against this background, we asked ourselves the question: If pests such as the western corn rootworm can become immune against plant defense substances, could beneficial organisms such as entomopathogenic nematodes do the same?"
Breeding beneficial organisms for pest control
The researchers compared nematodes from areas in which the western corn rootworm is present with nematodes from areas where it is absent. "We found that nematodes from infested areas are resistant against benzoxazinoids, unlike nematodes from other areas", says Xi Zhang, who worked on the project as a PhD student. In the lab, the researchers were able to observe that nematodes which were exposed to the the western corn rootworm became resistant to plant defense substances within just a few generations. "The speed of this adaptation surprised us", says Zhang.
The results of the study, which was published in the journal PNAS, are particularly relevant for biological pest control. "Beneficial insects like nematodes, which are resistant against plant defense substances, can keep the insect pests that accumulate these substances from the plant at bay", explains study co-author Ricardo Machado. This trait can be acquired very quickly through targeted selection and is thus a promising breeding target. "We expect that many other beneficial organisms could be improved by focusing on their capacity to resist plant defense compounds", says Machado.
In the next stage, researchers are targeting the symbiotic bacteria of the nematodes to make them resistant against benzoxazinoids, and to test the improved biological control agents in the field. "This is a next step to bring our research closer to agricultural application", says Machado.
Plant defense compounds shape food chains
In the research project, funded by the Swiss National Science Foundation (SNSF), the researchers relied on a combined approach of behavioral ecology, analytical chemistry and plant genetics. The findings illustrate the importance of plant defense compounds such as benzoxazinoids for the evolution and dynamics of food chains. "The arms race between plants and herbivores is often viewed as a motor of the chemical and biological diversity of these two groups", says study co-author Christelle Robert. "Our study indicates that plant defense compounds may influence the evolution of entire food chains."
As part of the interfaculty research cooperation "One Health" at the University of Bern (see box), the researchers have recently started to investigate how benzoxazinoids affect the health of animals and humans. "The integration of our findings into the central agricultural food chain is a fascinating expansion of our work with a lot of potential", says Matthias Erb.
Information about the publication:
Xi Zhang, Cong van Doan, Carla C. M. Arce, Lingfei Hu, Sandra Gruenig, Christian Parisod, Bruce E. Hibbard, Maxime R. Hervé, Chad Nielson, Christelle A. M. Robert*, Ricardo A. R. Machado*, Matthias Erb*: Plant defense resistance in natural enemies of a specialist insect herbivore. Proceedings of the National Academy of Sciences, Oct 2019, 201912599; DOI: 10.1073/pnas.1912599116. *Correspondence
The Interfaculty Research Cooperations "One Health"
The Interfaculty Research Cooperations (IRC) "One Health" examines how environmental chemicals influence the health of the soil, plants, animals and humans. In close collaboration, 9 research groups from the Natural Sciences, Vetsuisse and Medical faculties are examining and quantifying the effect of pesticides, heavy metals and plant poisons on microbial communities at the interfaces between soils, plants, animals and humans. The interdisciplinary approach should contribute to a better understanding of how environmental changes affect the health of food chains. The IRC "One Health" combines the strategic topic focuses of "sustainability" and "health and medicine" at the University of Bern and promotes the interdisciplinary research on a highly topical subject in life sciences and biology.
More about the IRC «One Health»
Wenn Schädlinge mit ihrer eigenen Waffe geschlagen werden
Der Maiswurzelbohrer, einer der weltweit schlimmsten Maisschädlinge, kann Pflanzenabwehrstoffe nutzen, um sich damit gegen seine natürlichen Fressfeinde, die Fadenwürmer, zu verteidigen. Diese können aber ihrerseits gegen diese Stoffe immun werden und so den Maiswurzelbohrer besser in Schach halten, wie Forschende der Universität Bern zeigen. Dieser Mechanismus könnte dazu beitragen, die biologische Schädlingsbekämpfung zu verbessern.
Der Maiswurzelbohrer verursacht im Maisanbau eine jährliche Schadensumme von über 2 Milliarden US Dollar und ist damit ein ökonomisch schwerwiegender Schädling in der Landwirtschaft. Er stammt ursprünglich aus Amerika, wird aber zunehmend in Europa und seit Kurzem auch in der Schweiz beobachtet.
Erfolgreicher Schädling
Ein Erfolgsrezept des Maiswurzelbohrers konnten Christelle Robert und Matthias Erb vom Institut für Pflanzenwissenschaften (IPS) der Universität Bern bereits in einer früheren Studie aufzeigen: Maispflanzen speichern in ihren Wurzeln bestimmte Abwehrstoffe, sogenannte Benzoxazinoide. Für viele Schädlinge sind diese Stoffe giftig. Der Maiswurzelbohrer hat jedoch eine Strategie entwickelt, um diese Stoffe zu entgiften. Die Larven des Maiswurzelbohrers werden damit resistent gegen die pflanzeneigene Abwehr. Schlimmer noch – die Larven speichern die Benzoxazinoide in ihrem Körper und setzten sie wiederum zur Selbstverteidigung gegen ihre Fressfeinde, die Fadenwürmer (Nematoden) ein. Dass der Maiswurzelbohrer eine Abwehrstrategie gegen Nematoden gefunden hat, ist insbesondere deshalb von Bedeutung, weil diese Fadenwürmer in der Landwirtschaft zur biologischen Bekämpfung des Maiswurzelbohrers eingesetzt werden.
«Mit den Fadenwürmern wurden bereits beträchtliche Erfolge im Feld erzielt; effizienzsteigernde Massnahmen könnten diesem vielversprechenden Ansatz weiter Vorschub leisten», erklärt Matthias Erb, Projektleiter und Professor für Biotische Interaktionen am IPS. «Vor diesem Hintergrund stellten wir uns die Frage: Wenn Schädlinge wie der Maiswurzelbohrer immun gegen Pflanzenabwehrstoffe werden können, gelingt dieser Trick möglicherwiese auch bestimmten Nützlingen wie den Fadenwürmern?».
Nützlinge gezielt züchten zur Schädlingsbekämpfung
Die Forschenden verglichen Fadenwürmer aus Gebieten, die vom Maiswurzelbohrer befallen sind mit solchen aus nicht befallenen Gebieten rund um den Globus. «Wir stellten fest, dass Fadenwürmer aus den befallenen Gebieten resistent waren gegen die Pflanzenabwehrstoffe im Gegensatz zu den Fadenwürmern aus Gebieten, wo der Maiswurzelbohrer nicht vorkommt», sagt Xi Zhang, die als Doktorandin am Projekt mitgearbeitet hat. Im Labor konnten die Forschenden beobachten, dass Fadenwürmer, die dem Maiswurzelbohrer ausgesetzt waren, innerhalb von nur wenigen Generationen resistent gegen Pflanzenabwehrstoffe wurden. «Besonders die Geschwindigkeit dieser Anpassung hat uns überrascht», so Zhang.
Die Resultate der Studie, die im Journal PNAS publiziert wurden, sind insbesondere für die biologische Schädlingsbekämpfung relevant. «Nützlinge wie der Fadenwurm, die resistent gegen Pflanzenabwehrstoffe sind, können Schädlinge, die diese Stoffe aus der Pflanze aufnehmen, besser unter Kontrolle halten», erklärt Studien-Koautor Ricardo Machado. Diese Eigenschaft kann durch gezielte Selektion sehr schnell erworben werden und ist damit ein vielversprechendes Züchtungsziel. «Wir gehen davon aus, dass auch viele andere Nützlinge durch Resistenzzüchtung, welche sich auf Pflanzenabwehrstoffe konzentriert, verbessert werden können», so Machado.
In einem nächsten Schritt arbeiten die Forschenden daran, auch die symbiotischen Bakterien der Nematoden resistent gegen Benzoxazinoide zu machen und die so verbesserten Nützlinge im Feld gegen den Maiswurzelbohrer zu testen. «Dies ist dernächste Schritt, um unsere Forschung der Landwirtschaftlichen Anwendung näherzubringen», so Machado.
Pflanzliche Abwehrstoffe verändern Nahrungsketten
Im Forschungsprojekt, das vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) gefördert wird, setzen die Forschenden auf einen kombinierten Ansatz aus Verhaltensökologie, analytischer Chemie und Pflanzengenetik. Die Forschungsergebnisse verdeutlichen die Bedeutung von sogenannten Pflanzensekundärstoffen wie die Benzoxazinoide für die Evolution und Dynamik von Nahrungsketten. «Das Wettrüsten zwischen Pflanzen und Pflanzenfressern wird oft als Motor der chemischen und biologischen Vielfalt dieser beiden Gruppen gesehen», so Studien-Koautorin Christelle Robert. «Unsere Studie weist darauf hin, dass Pflanzensekundärstoffe möglicherweise die Evolution von ganzen Nahrungsketten beeinflussen.»
Im Rahmen der Interfakultären Forschungskooperation «One Health» der Universität Bern (siehe Kasten) untersuchen die Forschenden seit Neuestem auch, wie sich Benzoxazinoide auf die Gesundheit von Tier und Mensch auswirken. «Die Integration unserer Erkenntnisse in die landwirtschaftliche Hauptnahrungskette ist eine hochspannende Aufgabe mit viel Potenzial», sagt Matthias Erb.
Angaben zur Publikation:
Xi Zhang, Cong van Doan, Carla C. M. Arce, Lingfei Hu, Sandra Gruenig, Christian Parisod, Bruce E. Hibbard, Maxime R. Hervé, Chad Nielson, Christelle A. M. Robert*, Ricardo A. R. Machado*, Matthias Erb*: Plant defense resistance in natural enemies of a specialist insect herbivore. Proceedings of the National Academy of Sciences, Oct 2019, 201912599; DOI: 10.1073/pnas.1912599116. *Correspondence
Die Interfakultäre Forschungskooperation «One Health»
Die Interfakultäre Forschungskooperation (IFK) «One Health» untersucht, wie Umweltchemikalien die Gesundheit von Böden, Pflanzen, Tieren und Menschen beeinflussen. In enger Zusammenarbeit untersuchen und quantifizieren 9 Forschungsgruppen aus den Naturwissenschaftlichen, der Vetsuisse und der Medizinischen Fakultät der Universität Bern die Auswirkung von Pestiziden, Schwermetallen und Pflanzengiften auf mikrobiotische Gemeinschaften an den Schnittstellen zwischen Böden, Pflanzen, Tieren und Menschen. Der interdisziplinäre Ansatz soll dazu beitragen, besser zu verstehen, wie sich Umweltveränderungen auf die Gesundheit von Nahrungsketten auswirken.
Die IFK One Health verbindet die strategischen Themenschwerpunkte «Nachhaltigkeit» und «Gesundheit und Medizin» der Universität Bern und fördert die interdisziplinäre Forschung zu einem hochaktuellen Thema in den Biowissenschaften und den angrenzenden Fachgebieten.
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