A kukorica leveleinek védekező változásai a mediterrán kukoricabogár lárvák táplálásával váltak ki

Absztrakt

Háttér

A növények a rovarok támadására olyan védekező mechanizmusok révén reagálhatnak, amelyek csökkentik a rovarok teljesítményét. Ebben a tanulmányban két kukorica genotípusra (egy rezisztens, egy fogékony) alkalmazott kezelés hatását vizsgáltuk a Sesamia nonagrioides Balra. (Mediterrán kukoricafúró, MCB) lárvák. A kezelések MCB-lárvákkal való fertőzés, MCB-regurgitáns alkalmazása sebesülésre, önmagában történő sebesülésre vagy metil-jázmonát expozícióra vonatkoztak, és a kukorica fejlődésének V6 – V8 szakaszában alkalmazták őket. Figyeltük továbbá a konstitutív rezisztenciában ismert vegyületek, például sejtfalhoz kötött hidroxicinnamátok és benzoxazinoidok koncentrációjának változását.

Eredmények

Mindkét kukorica genotípusban az MCB lárvákkal előzetesen megfertőzött növények levelei kevésbé voltak alkalmasak a lárva fejlődésére, mint a kezeletlen növényekéi. Az MCB regurgitáns alkalmazása sebzéskor és maga a sebzés azt eredményezte, hogy a levélszövetek kevésbé voltak alkalmasak a lárva növekedésére, mint az előzetesen megfertőzött növények, ami arra utal, hogy létezhetnek olyan növényevőkhöz kapcsolódó effektor molekulák, amelyek elnyomják egyes sebesítési reakciókat. Úgy tűnt, hogy az MCB regurgitáns egyetlen alkalmazása nem utánozza az MCB lárvák táplálkozását, bár az eredmények arra engednek következtetni, hogy az etetés során lerakódott regurgitáns fokozhatja a ferulátumokat és diferulálja a szintézist a fertőzött és a kontroll növényekben. A jázmonsav szerepet játszhat a kukorica reakciójának közvetítésében az MCB támadásra, de ez nem váltotta ki a levelekben a hidroxicinnamát felhalmozódását a lárvalevél táplálásával összehasonlítható szintig. Az EP39 kukorica genotípusa a levélsejtek szilárdságának növekedését mutatta azáltal, hogy növelte a hemicellulóz térhálósodását az MCB támadásra reagálva, míg az EP42 növényekben az indukált védekezés a rezisztencia mechanizmusok szélesebb skáláját tükrözi.

Következtetések

Az eredmények azt mutatták, hogy az MCB lárvák általi levéltáplálás két kukorica genotípusban növelheti az MCB elleni levélantiózist, kontrasztos szintű ellenállással rendelkezve ezzel a furattal szemben. A lárva visszafejlődésének pozitív szerepe volt a védelmi válasz kiváltásában is. Meghatároztuk a növény válaszának a lárvák növekedésére gyakorolt ​​hatásait, és a fúrórezisztenciához kapcsolódó védekező vegyületeket detektáltunk.

Háttér

A mediterrán kukoricafúró (Sesamia nonagrioides Lef., MCB) a fő kukoricakártevő a Földközi-tenger térségében [1, 2]. Spanyolországban az MCB-lárvák első generációja korai fejlődési stádiumban támadja meg a kukoricanövényeket, és levelekkel táplálkozik, a második és további generációk pedig főleg a gödörrel táplálkoznak [3]. Számos tanulmány a kukoricában található konstitutív vegyületek azonosítására összpontosított, amelyek részt vesznek az MCB-vel szembeni rezisztenciában, és a legjobb jelöltek a benzoxazinoidok és a hidroxicinnamátok [4, 5].

E tanulmány általános célja az volt, hogy bővítsük ismereteinket a kukorica első generációs MCB-támadásának kiváltásában és jelzésében szerepet játszó tényezőkről, meghatározzuk, hogy a konstitutív rezisztencia-metabolitok reagálnak-e az első generációs MCB-támadásra, és felmérjük, hogy az indukált válasz növeli a levél MCB-vel szembeni ellenállását. A konkrét célkitűzések a következők voltak: 1) annak meghatározása, hogy az MCB lárvák levéltáplálására adott válasz növeli-e az MCB elleni levélantiózist két kukorica genotípusban, kontrasztos szintű ellenállással az MCB ellen; 2) annak meghatározása, hogy az MCB regurgitánsnak van-e szerepe a válasz kiváltásában; 3) annak megállapítása, hogy a MeJA működik-e a kukorica válasz közvetítésében; és 4) számos kezelés (MCB-lárvákkal történő táplálás, MeJA-expozíció és MCB-regurgitáns alkalmazása sebesülésekor) hatásának értékelése azokra a metabolitokra, amelyekről ismert, hogy szerepet játszanak az MCB-támadással szembeni konstitutív rezisztenciában.

Eredmények

Nem választott etetési biológiai vizsgálatok

védekező

Mediterrán koronfúró (MCB) lárvák növekedése nem választott táplálkozási biológiai vizsgálatokban. Az MC39 lárvákkal előzetesen megfertőzött, megsebesült, megsebesült MCB regurgitánssal kezelt MCB-lárvák súlygörbéi az idő múlásával metil-jázmonáttal (MeJA) vagy kezeletlenül (kontroll) voltak táplálva. A biológiai vizsgálatokat a kezelés után 2 nappal kezdtük meg (dat)

A lárvák túlélési görbéi szignifikánsan különböztek a kezelések között, amikor a lárvákat EP42 levelekkel táplálták (log-rank teszt, o = 0,02), de nem akkor, amikor EP39 levelekkel etették őket (log-rank teszt, o = 0,34) (2. táblázat). A sebzés volt az egyetlen olyan kezelés, amely jelentősen csökkentette az EP42 levelekkel táplált lárvák túlélését a kontroll növényekkel összehasonlítva (o 2. táblázat A mediterrán kukoricafúró lárvák túlélése nem választott etetési biológiai vizsgálatokban

Sejtfalhoz kötött hidroxicinnamátok és DIMBOA koncentrációk a kukorica levelében

Ezután meghatároztuk, hogy a levél táplálása MCB lárvákkal, megsebesítés, sebzés + MCB regurgitáns, vagy a MeJA-nak való kitettség befolyásolta-e a sejtfalakhoz kötött hidroxi-finnamátokat és a DIMBOA-koncentrációt a levelekben. Koncentrációja oA kezelt és kontroll növények leveleiben szereplő CA, FA, összes DFA (DFAT) és DIMBOA értékeket összehasonlítottuk 2 és 15 napon. Az MCB lárvák általi levéltáplálás szignifikánsan megnövelte a sejtfalhoz kötött FA-k és DFAT tartalmát az EP39 és EP42 levelein 2 dátumnál (o 2. ábra

Sejtfalhoz kötött hidroxicinnamát és 2,4-dihidroxi-7-metoxi-1,4-benzoxazin-3-on (DIMBOA) koncentráció a kukorica levelében. A sejthez kötött hidroxicinnamátok és a DIMBOA átlagos koncentrációja (μg/g száraz tömeg) a kukorica beltenyésztett EP39 és EP42 leveleiben 2 (a) és 15 (b) nappal mediterrán kukoricafúró (MCB) lárvákkal (I), sebesüléssel (W), sebzéssel + MCB regurgitáns alkalmazással (R), metil-jázmonát expozícióval (MeJA) és kezelés nélkül (C). oCA, p-kumarát; FA, ferulát; DFAT, teljes diferulál

DIMBOA-t detektáltunk a kezelt és kontroll levelekben 2 dátumnál, és csak a MeJA kezelés növelte a DIMBOA koncentrációt a kontroll szintjénél magasabb szintre. A sebesítő, sebesítő + visszafogó és fertőzéses kezelések a DIMBOA-tartalom csökkenését eredményezték (o > 0,05). A DIMBOA-tartalomnak ez az ellentétes változása a fertőzött/sebzett növények és a MeJA-val kezelt növények között jelentősen eltérő DIMBOA-koncentrációt eredményezett az EP39 növényekben (o

Vita

A biológiai vizsgálat eredményei azt mutatták, hogy a HAMP-k nem voltak jelen az MCB regurgitánsában, de arra utaltak, hogy a növényevőkhöz kapcsolódó effektor molekulák jelen lehetnek néhány más MCB szekrécióban, mivel a sebesítő és az MCB regurgitáns + sebesítő kezelések alacsonyabb lárvák növekedését eredményezték, mint a tényleges növények. Ez azt jelezheti, hogy az MCB lárvák részben ellensúlyozzák a növények mechanikai károsodásokra adott válaszait, így a fertőzött levelek kevésbé károsak a fogyasztásra, mint a mechanikusan megsebzett levelek. Jelenleg a Lepidoptera más fajainak nyál- és sárgaréz effektorait vizsgálják, amelyek megzavarják a növényvédelem jelzését [27, 39–41]. Ezenkívül feltételezzük, hogy az MCB rézfűben vagy a nyálban előforduló lehetséges effektorok elnyomhatják a jázmonsav által közvetített MCB-támadás elleni kukorica-védelmet, amint arról a kukorica-S. frugiperda interakció [40]. A védekezésnek ez a részleges elnyomása azonban a kukorica genotípusától függ, mivel a MeJA és a fertőzéses kezelések hasonló hatással voltak az EP42 levelek antibiózisára, de a MeJA és a sebkezelések hasonló hatással voltak az EP39 levelek antibiózisára. Az EP39-ben a MeJA + sebzés kombinációja jobban csökkentette a lárvák növekedését, mint a fertőzéses kezelés.

A fokozott feruloilezés és a polimer térhálósítása rovarok táplálásával megerősítheti a levél sejtfalát. Ez a megerősítés várhatóan gátolja a sejtfal lebontó enzimek aktivitását, és befolyásolja a növényi szövetek hozzáférhetőségét és emészthetőségét, és ezáltal a lárva teljesítményét [8, 43]. Mindazonáltal a fertőzés után a hidroxi-cinnamát tartalom szignifikáns különbsége a genotípusok között (magasabb az EP39-ben, mint az EP42-ben) 15 dátumnál nem volt összefüggésbe hozható az MCB elleni antibiozis jelentős különbségével. Ezért a rovartámadás által kiváltott egyéb mechanizmusok, a hidroxi-finnamát-indukció és a DIMBOA-metabolizmus mellett, részt vehetnek az EP42 levelein a rovarok teljesítményének csökkentésében.

Következtetések

Mindkét kukorica genotípusban az MCB fertőzésre adott levélválasz késleltette az MCB lárvák növekedését, de alig befolyásolta a lárvák túlélését. A kukoricában az MCB regurgitáns szerepet játszhat a DFAT felhalmozódásának indukálásában, de a kukorica – MCB kölcsönhatásban részt vehetnek a növényevőkhöz kapcsolódó effektor molekulák is, amelyek elnyomják a sebesítés által kiváltott néhány választ. Az EP39 kukorica vonalban a növények hidroxicinnamátok beépítésével és a hemicellulóz térhálósításának fokozásával erősítették levélsejt-falukat az MCB-támadásra reagálva, míg az EP42-vonal indukált védekezése a rezisztencia-mechanizmusok szélesebb skáláját tükrözte.

Mód

Rovarnevelés és regurgitáns gyűjtés

Az MCB lárvákat a Misión Biológica de Galicia-CSIC (Spanyol Nemzeti Kutatási Tanács) rovarraktárában tartott telepből nyertük. A második stádiumú lárvákat (testsúly, 1-2 mg és kb. 5 mm testméret) kukorica alapú mesterséges táplálékkal etettük, majd 24 órán át éheztettük a mesterséges fertőzés, a növekedés és a túlélés biotesztjei előtt. Az MCB regurgitánst 4–5. Th. Lárvákból gyűjtöttük, amelyeket korábban legalább 48 órán át tápláltak kukoricaszárszövettel. A lárvákat jégen hűtötték és mozgásképtelenné tették. Amikor a lárvák szobahőmérsékletre kerültek, addig szorítottuk őket, amíg a regurgitant ki nem zárták. 50 lárvából (kb. 300 μl) származó regurgitant 150 ml 0,1 M foszfátpuffer oldattal (PBS) keverünk és lefagyasztunk. Ezt az elegyet azonnal megsebesítés után a növényekre visszük, az alábbiakban leírtak szerint.

Növényi anyagok és kezelési alkalmazások

Nem választott etetési biológiai vizsgálatok

A választás nélküli etetési vizsgálatot arra használták, hogy felmérjék a különféle növényi kezelések hatásait az előzetesen kondicionált növények levelein nevelt MCB lárvák későbbi fejlődésére és túlélésére. Két nappal a kezelések elvégzése után a második intrar MCB lárvákat először lemértük, és több üreges lemezekre helyeztük friss levéllemezeken. Kezelésenként és genotípusonként húsz lárvát teszteltünk két példányban (azaz., n = 80 lárva kezelésenként), és tenyésztési kamrában tartottuk ellenőrzött hőmérsékleti és páratartalmi viszonyok mellett (22 ° C, 80% relatív páratartalom) 16 L: 8D fényperiódus alatt. 2-3 naponta új friss levéllemezeket kaptak a lárvákhoz. A lárvák súlyát, valamint az elhullott és hiányzó lárvákkal kapcsolatos adatokat a 6., 8., 10., 13. és 15. napon rögzítettük.

Ismételt méréses elemzést végeztünk a lárvák tömegének különbségeinek tesztelésére a SAS szoftver PROC MIXED eljárásával (SAS Institute, Inc., Cary, NC, USA) [47, 48]. A kezdeti lárva súlyát kovariátként vettük fel, a genotípust véletlenszerű tényezőként állítottuk be, és az egyénen belüli korrelációban elsőrendű autoregresszív kovariancia struktúrát (AR-1) választottunk. A kezdeti lárva súlyát levontuk a lárva tömegéből az egyes kezelések és genotípusok minden egyes időpontjában, és a feltüntetett értékek a legkisebb négyzet (LS) átlagok. Lineáris és kvadratikus együtthatókat kaptunk a lárvák súlyának regressziójára az egyes kezelések – genotípus kombinációk esetében. Az egyes genotípusokon belül a lárvák növekedési görbéit összehasonlítottuk a kezelési párok között, ortogonális kontrasztok létrehozásával a két kezelés regressziós paramétere (metszéspont, lineáris és kvadratikus komponensek) között (o ≤ 0,05) [48, 49]. Az SAS PROC LIFETEST eljárását alkalmazták a lárvák túlélésének különbségeinek vizsgálatára ugyanazon genotípuson belüli kezelések között Kaplan – Meier módszerrel [47]. A lárvák pusztulása fontos esemény volt, és a biológiai vizsgálat végén eltűnt és élő lárvák számát rögzítették. A túlélési eloszlás homogenitását a log-rank teszt (o ≤ 0,05).

A sejtfalhoz kötött hidroxicinnamátok és benzoxazinoidok mennyiségi meghatározása