Wageningen, The Netherlands
October 15, 2021
October 15, 2021
Plants are under attack by a variety of insect species. They have defence mechanisms to deal with this, including chemicals or sturdier leaves. But it’s now been found that when wild black mustard plants defend themselves against an initial enemy, they already anticipate the need to later fend off other, different enemies. In fact, they even prepare for the most likely sequence of attackers. This remarkable research has now been published in the renowned scientific journal Nature Plants.
They’re prepared for the damaging insects to arrive in a specific sequence. They organise their defences and ensure that they can deal with these different insects over time.
Entomologist Erik Poelman
The article is based on doctoral research carried out by Daan Mertens and Maite Fernandéz de Bobadilla, working in the team headed by Erik Poelman, associate professor in the Laboratory of Entomology at Wageningen University & Research.
“We’re increasingly moving towards sustainable forms of agriculture and horticulture, which includes drastically reducing the use of pesticides,” says Poelman. “For arable farmers, that means having to deal with a greater variety of insects attacking their crops. Plant breeders used to focus on resistance to the most problematic insects, while broad-spectrum pesticides were used to deal with other herbivores. Now we have to change our approach, and in doing so we can learn from wild plant species and how they deal with a diversity a of insects.”
This is a substantial shift of direction, explains Mertens. “Previously, there would be a focus on breeding plants that deal with a specific insect problem. Now, plant breeding has to create crops that are flexible in their defences and can deal with all kinds of enemies. It’s about moving toward a systems approach.”
Specific reaction for each enemy
Plants can never be sure if or when they will be subjected to an attack. Most species resolve this uncertainty by only fully investing in defences (such as the production of defensive chemicals) when they’re actually being attacked. This means that when herbivorous insects are absent, the plants can fully invest their resources (products of photosynthesis such as sugars and starch) into their own growth and reproduction.
“Plants have a fairly specific sense of which insects are attacking them,” says Mertens. “They notice insect attack from the way the cells are damaged, the compounds that are then released, and the characteristics of the insects’ saliva. They can interpret those signals to mount a targeted defence.”
However, the defences targeted at one insect species may not be effective against attack by other insect species.
An added complication is that a plant’s specific reaction to aphids, for example, can reduce its resistance to caterpillars. This is because plants have a variety of mechanisms to develop different kinds of defences. These mechanisms are triggered by plant hormones that may interact when regulating a defence response.
How do plants defend themselves against multiple attacks from herbivores?
Risk management
So how can a wild plant, with insects literally swarming around it, still manage to look after itself so well? “They’re prepared for the damaging insects to arrive in a specific sequence,” says Mertens. “Early in the season it might be a particular species of aphid, and later a particular species of caterpillar. They organise their defences and ensure that they can deal with these different insects over time. It seems like a conscious form of risk management, but it has emerged through natural selection. They can handle the most common sequence of events.”
By means of an unusually large experiment, the researchers showed that this is indeed how the plant’s strategy works. They observed the defence mechanism used by black mustard on 90 combinations of insect attack and linked these results to three years of research into the frequency of the interactions on plants in the wild. Similar tests in the past were limited to perhaps five combinations.
This ambitious approach has resulted in valuable new insights. “We’ve linked our understanding of plant physiology to ecology,” explains Poelman. “The old idea that insects feeding on plant sap trigger a reaction which then diminishes a plant’s potential defence against caterpillars has turned out to be too simple. Our work confirms research on the physiological reactions of the plant against aphids and caterpillars, but also reveals that in many instances the plant does not become more susceptible to insects with a different feeding pattern. The presence of a particular combination or sequence of insects in the wild appears to be a better predictor of resistance than the characteristics of the individual insect species.”
The research is part of the Multiattack programme, funded by the European Union.
Read more
Plant voorbereid op aanvalsvolgorde van insecten
Planten hebben te maken met verschillende soorten insecten die hen belagen. Ze verdedigen zich daartegen, bijvoorbeeld met afweerstoffen of een steviger blad. Voor het eerst is aangetoond dat wilde planten van zwarte mosterd bij hun verdediging tegen de eerste vijand er alvast rekening mee houden dat ze zich later nog moeten verweren tegen andere vijanden. Sterker nog: ze bereiden zich voor op de meest waarschijnlijke volgorde van belagers. Dit bijzondere onderzoek heeft het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Nature Plants gehaald.
Ze zijn erop voorbereid dat de schadelijke insecten in een bepaalde volgorde opdoemen. Ze zetten hun verdediging gericht in en zorgen ervoor dat ze voldoende wapens overhouden.
Entomoloog Erik Poelman
Het gaat om promotieonderzoek van Daan Mertens en Maite Fernandéz de Bobadilla in het team van Erik Poelman, universitair hoofddocent op het Laboratorium voor Entomologie van Wageningen University & Research.
Poelman: “We gaan steeds meer naar een duurzame land- en tuinbouw, waarin het gebruik van bestrijdingsmiddelen sterk wordt verminderd. Akkerbouwers krijgen dan te maken met meerdere insecten die hun gewas belagen. Voorheen gingen veredelaars ervan uit dat inzet van bestrijdingsmiddelen standaard was. Ze veredelden dan op resistentie tegen de meest vervelende belagers. Nu moet het anders, en daarbij kunnen we leren van de manier waarop planten in het wild omgaan met een veelheid aan insecten.”
Het gaat om een substantiële omslag, legt Mertens uit: “Voorheen lag de nadruk op één urgent insectenprobleem. Nu moet je door veredeling een flexibel gewas creëren dat om kan gaan met allerlei belagers. Je gaat naar systeemdenken.”
Specifieke reactie per belager
Voor een plant is het onzeker of en wanneer hij aangevallen wordt. De meeste soorten lossen dit dilemma op door pas stevig te investeren in verdediging (bijvoorbeeld met afweerstoffen) op het moment dat ze aangetast worden. Zo kunnen ze bij afwezigheid van insectenvraat juist hun assimilaten (producten van de fotosynthese als suikers en zetmeel) volop investeren in groei en bloei.
“De plant merkt vrij specifiek welk insect hem aanvalt. Dat voelt hij aan de manier waarop de cellen beschadigen, de stoffen die daarbij vrijkomen, het karakteristieke speeksel van de insecten. Op grond van die signalen kan hij zich gericht verdedigen”, vertelt Mertens. Maar als hij al zijn kruit verschiet bij de eerste aanval, is hij later weerloos tegen nieuwe vijanden.
Wat het beeld iets gecompliceerder maakt is dat de specifieke reactie op bijvoorbeeld luizenvraat de weerbaarheid tegen rupsen kan aantasten. Dit heeft te maken met het feit dat de plant verschillende afweerroutes heeft, aangestuurd door plantenhormonen.
Risico-management
Hoe kan een wilde plant, die letterlijk omzwermd wordt door tal van insecten, zich dan toch zo goed handhaven? Mertens: “Ze zijn erop voorbereid dat de schadelijke insecten in een bepaalde volgorde opdoemen. Vroeg in het seizoen bijvoorbeeld de ene soort luis, later een andere soort rups. Ze zetten hun verdediging gericht in en zorgen ervoor dat ze voldoende wapens overhouden. Het komt over als bewust risico-management, maar het is ontstaan door natuurlijke selectie. Ze kunnen overweg met de meest voorkomende volgorde.”
Dat het inderdaad zo werkt, hebben de onderzoekers aangetoond in een ongekend groot experiment. Ze bekeken de afweerreactie van zwarte mosterd op maar liefst negentig combinaties van insectenvraat en verbonden deze resultaten aan drie jaar onderzoek naar de frequentie van de interacties op planten in het veld. Vergelijkbare proeven in het verleden beperkten zich tot bijvoorbeeld vijf combinaties.
Deze ambitieuze aanpak heeft ervoor gezorgd dat de inzichten belangrijk verbeterd zijn. “We koppelen hiermee plantenfysiologische inzichten met ecologische. Het oude idee dat sapzuigende insecten een reactie veroorzaken die de potentiële afweer tegen bijvoorbeeld rupsen aantast, blijkt te eenvoudig. Ons werk bevestigt de fysiologische reacties van de plant tegen bijvoorbeeld luis en rups, maar laat tevens zien dat in veel gevallen de plant niet vatbaarder wordt voor insecten met een andere voedingsstijl. Of een bepaalde combinatie van insecten in het veld voorkomt blijkt een betere voorspeller van de weerbaarheid dan de eigenschappen van de individuele insectensoorten”, legt Poelman uit.
Het onderzoek is onderdeel van het programma Multiattack gefinancierd door de Europese Unie.
Species
