Тритрофические взаимодействия в защите растений - Википедия - Tritrophic interactions in plant defense

Муравьи привлечены питательной наградой, предоставляемой экстрафлоровые нектарники из Drynaria quercifolia вайя находятся в трехчастном взаимодействии растение, травоядный насекомые, а сами хищники.

Тритрофические взаимодействия, поскольку они относятся к защита растений от травоядных, опишите экологические последствия трех трофические уровни друг на друга: растение, травоядное животное, и его естественные враги. Их также можно назвать мультитрофическими взаимодействиями, когда в дальнейшем трофические уровни, например, почвенные микробы или гиперпаразитоиды (хищники высшего порядка).[1] Присоединяются тритрофные взаимодействия опыление и распространение семян как жизненно важный биологические функции какие заводы работают через сотрудничество с животными.[2]

Хищники, патогены, и паразитоиды которые нападают на насекомых, питающихся растениями, называемых естественными врагами в контексте тритрофии; они могут принести пользу растениям, препятствуя питанию вредных насекомых. Считается, что многие черты растений эволюционировали в ответ на это. мутуализм сделать себя более привлекательными для естественных врагов. Это привлечение естественных врагов защищает от чрезмерного травоядия и считается косвенным механизмом защиты растений.[2] Черты, привлекательные для естественных врагов, могут быть физическими, как, например, в случае доматии и нектарников,[1] химикаты, или в случае индуцированные летучие химические вещества растений используется естественными врагами для определения источника пищи.[3] Есть также множество других свойств растений, которые влияют на успех различных естественных врагов в борьбе с травоядными животными, которые все еще требуют дальнейшего изучения.[4]

В этой статье будет обсуждаться химия, с помощью которой растения привлекают естественных врагов, чтобы убить растительных травоядных; он также проиллюстрирует альтернативные морфологические средства, с помощью которых растения привлекают естественных врагов, и объяснит, какое значение для понимания этих взаимодействий может иметь для человека.

Химические механизмы притяжения врага

Растения повсеместно производят вторичное метаболиты известный как аллелохимикаты. Эти метаболиты не служат никакой цели в основных метаболических процессах, а служат посредниками во взаимодействиях между растением и окружающей средой.[5][6] часто привлекает, отпугивает или отравляет насекомых. Не только это, они также помогают производить вторичные компоненты клеточной стенки, такие как те, которые образуются путем модификации аминокислот.[7] В тритрофной системе летучие вещества легко производятся в воздухе и превосходят химические вещества на поверхности в привлечении пищи естественных врагов издалека. Растения также производят летучие вещества корней, которые стимулируют тритрофические взаимодействия между подземными травоядными животными и их естественными врагами.[8] Человек обнаруживает очень небольшую часть летучих веществ растений, которые придают растениям, таким как базилик, эвкалипт и сосны, их характерный запах.[1] Смесь и соотношения отдельных летучих веществ, выделяемых растением при данных обстоятельствах, называется профилем летучих (также называемых синомонами в контексте естественного притяжения врагов). Они очень специфичны для определенных видов растений и обнаруживаются в пределах нескольких метров от источника. Хищники и паразитоиды используют специфичность летучих профилей для навигации по сложным инфохимическим сигналам, подаваемым растениями в их усилиях по обнаружению определенного вида добычи.[1]

Производство летучих, вероятно, будет выгодным при двух условиях: что они эффективны для привлечения естественных врагов и что естественные враги эффективны в устранении или противодействии травоядным животным. Однако летучие химические вещества, возможно, изначально не развивались для этой цели, поскольку они играют жизненно важную роль в передаче сигналов внутри растения.[9] привлечение опылителей,[10] или отпугивание травоядных, которым не нравятся такие запахи.[1]

Наведенная защита

Жасмоновая кислота, растение, вызываемое травоядными животными (HIPV), помогает привлекать естественных врагов вредителей растений.

Когда растения непрерывно выделяют исходный уровень летучих, эти защита считаются учредительными. Однако в случае травоядных растений растение может отреагировать, значительно увеличив выработку летучих веществ или создав новый профиль летучих веществ. Эта пластичность контролируется либо путь жасмоновой кислоты или путь салициловой кислоты, в значительной степени зависящие от травоядных; эти вещества часто называют летучими веществами растений, вызываемыми травоядными животными (HIPV).[1][3] В частности, растительный гормон, жасмоновая кислота, увеличивается в концентрации, когда растения повреждены и ответственны за индукцию транскрипции ферментов, которые необходимы в путях образования вторичных метаболитов.[7] В дополнение к его преимуществам в отношении устойчивости и транскрипции, этот гормон, как было обнаружено, помогает в производстве защитных белков, таких как ингибиторы α-амилазы также лектины. Поскольку известно, что α-амилаза обладает гидролитическими свойствами в отношении способности расщеплять крахмал, эти ингибирующие белки не позволяют насекомым правильно расщеплять крахмал.[7] Напротив, лектины обеспечивают свои собственные защитные свойства для растений, поскольку они препятствуют усвоению питательных веществ насекомыми, поскольку они связываются с углеводами.[7] Хотя летучие вещества любого вида имеют привлекательный эффект на естественных врагов, этот эффект сильнее для поврежденных растений, чем для неповрежденных растений.[1] возможно, потому что индуцированные летучие вещества сигнализируют об окончательной и недавней активности травоядных. Феномен индуцибельности дает начало идее, что растения посылают «сигнал бедствия» на третий трофический уровень во время нападения травоядных.

Естественные враги могут различать механическое повреждение тканей, которое может произойти во время ряда событий, помимо травоядных, и повреждение, являющееся прямым результатом поведения насекомых при кормлении. Наличие слюны травоядных или срыгивающий опосредует эту дифференциацию, и в результате химический путь приводит к значительно более сильной естественной реакции врага, чем это могло бы быть при механическом повреждении.[11][12][13][14] Надежность HIPV в передаче информации о местонахождении добычи означает, что для многих врагов, добывающих пищу, индуцированные летучие вещества растений более привлекательны, чем даже запахи, издаваемые самим насекомым-жертвой.[15]

Местные и системные сигналы

Когда травоядные животные запускают индуцибельный путь химической защиты, образующиеся HIPV могут выделяться из места повреждения пищей (местная индукция) или из неповрежденных тканей, принадлежащих поврежденному растению (системная индукция). Например, когда травоядное животное питается одним листом проростка кукурузы, растение будет выделять летучие вещества из всех своих листьев, независимо от того, были ли они повреждены или нет. Локально индуцированная защита помогает паразитоидам нацеливать их пищевое поведение на точное местонахождение травоядного животного на растении. Системная защита менее специфична в пространстве и может сбить с толку врага, как только будет обнаружен источник. Растение может одновременно использовать как местные, так и системные реакции.[1]

Морфологические механизмы привлечения врага

Domatia

Безволосая ямка domatium на нижней стороне листа Guioa acutifolia
Основная статья: Domatium

Естественные враги должны выживать достаточно долго и достаточно быстро реагировать на летучие растения, чтобы принести пользу растениям хищным поведением. Определенные структуры растений, называемые Доматия, могут выборочно усиливать мутуализм естественными врагами и увеличивать пользу, которую они получают от этого мутуализма, обеспечивая выживание и близость естественных врагов. Доматиа предоставляет своего рода жилище или убежище для хищников из обоих абиотический факторы стресса, такие как высыхание, и биотический стресс, например хищничество со стороны хищников более высокого порядка. Таким образом, они не только обеспечивают лучшее выживание, но и сокращают время, необходимое естественным врагам, чтобы найти поврежденное растение и добраться до него. По этой причине естественные враги, использующие доматию, часто называют «телохранителями» растения, на котором они живут. Доматия может быть столь же хорошо развитой, как шипы акации, или такой же простой и случайной, как углубление или щель на стебле листа, но их можно отличить от галлы и другие подобные структуры в том смысле, что они не индуцируются насекомыми, а образуются конститутивно растением.[1]

Питательные награды

Растения способны определять, какие виды травоядных существуют, и будут реагировать по-разному, учитывая их особенности. Если определенные защитные механизмы не эффективны, растения могут привлекать естественных врагов популяций травоядных. Например, дикие растения табака используют никотин, яд для защиты от травоядных. Однако, столкнувшись с никотин-толерантными травоядными животными, они будут привлекать естественных врагов серьезных травоядных.[16] Пока у естественных врагов есть некоторый потенциал всеядный, растения могут обеспечить пищевые ресурсы, чтобы стимулировать их сохранение и увеличить влияние, которое они оказывают на популяции травоядных. Однако этот потенциал может зависеть от ряда свойств насекомого. Например, двукрылое животное хищники могут использовать свой колюще-сосущий ротовой аппарат, чтобы использовать листья, стебли и плоды, но пауки с хелицеры не можешь.[17] Тем не менее, недавно было обнаружено, что насекомые, которые считаются на 100% плотоядными, отличаются от ожидаемого пищевого поведения.[18] Некоторые растения просто терпят низкий уровень травоядности естественных врагов, поскольку они помогают избавить растение от более серьезных травоядных. У других, однако, есть структуры, которые, как считается, не служат никакой другой цели, кроме привлечения и обеспечения естественных врагов. Эти структуры возникли из долгой истории коэволюция между первым и третьим трофическими уровнями. Хорошим примером является экстрафлоровые нектарники который многие мирмекофиты и другие покрытосеменные спорт на листьях, прицветниках, стеблях и плодах. В питательном отношении внефлочные нектарники похожи на нектарники цветков, но отличаются тем, что они не побуждают посещающих насекомых вступать в контакт с пыльцой в любой момент. Таким образом, их существование является продуктом не мутуализма опылителей и растений, а скорее тритрофического защитного взаимодействия.[17]

Человеческое использование

Посадка-компаньон частично контролирует вредителей, отдавая предпочтение естественным врагам.[19]

Системная приобретенная резистентность

[20]

Растения показали, что они обладают способностью создавать устойчивость к патогенам после первоначального заражения. Эта способность называется системная приобретенная резистентность и проявляется после заражения растения патогеном. После переживания инфекции растение содержит повышенное количество защитных соединений, таких как хитиназы. Повышенное содержание этих защитных соединений помогает предотвратить повторное поражение растения. Исследования показали, что растения обладают способностью передавать эту устойчивость своему потомству.[20] Пример системной приобретенной устойчивости был показан на Arabidopsis thaliana, в которых растения подвергались воздействию, снижающему уровни бактериального заболевания Тихоокеанское стандартное времяDC3000. [20] После экспозиции последующее потомство 1-го поколения больного растения проявило повышенную устойчивость к болезни. Тихоокеанское стандартное времяDC3000. Использование тритрофных взаимодействий может принести прямую пользу сельскохозяйственным системам. Существенный биоконтроль вредных организмов сельскохозяйственных культур может проявляться на третьем трофическом уровне при наличии адекватной популяции естественных врагов.[4][21] Широкое использование пестицидов или Bt посевы может подорвать успех естественных врагов.[22][23][24] В некоторых случаях уничтожаются целые популяции хищников и паразитоидов, что требует еще большего использования инсектицидов, поскольку экологическая служба они обеспечивали контроль травоядных животных.

Даже если пестициды не используются широко, монокультуры не могут поддерживать естественных врагов в достаточно большом количестве, чтобы они могли оказать какое-либо влияние на популяции вредителей. Нехватка разнообразие на первом трофическом уровне обычно связано с низкой численностью на третьем, потому что в системе отсутствуют альтернативные ресурсы, которые необходимы для стабильных крупных популяций естественных врагов. Рацион врагов можно субсидировать, увеличивая разнообразие ландшафта за счет посадка-компаньон, пограничные культуры, покровные культуры, совмещение, или позволить рост сорняков.[19] Когда нектар или другой сахар - обеспечены богатые ресурсы, естественное население врага процветает.[25]

Биологический контроль

Морфологические особенности растений и успех естественного врага

Яркий пример трихом (железистых) растений, обнаруженных на Drosera hartmeyerorum

Помимо доматии и пищевых наград, существует множество других характеристик растений, которые участвуют в успешной колонизации естественных врагов на растениях. Они могут включать физический размер, форму, плотность, зрелость, цвет и текстуру данного вида растений. Конкретные особенности растений, такие как пушистость или блеск растительности, могут оказывать неоднозначное воздействие на различных естественных врагов. Например, трихомы снижают эффективность охоты у многих естественных врагов, поскольку трихомы имеют тенденцию замедлять или предотвращать движение из-за физических препятствий, которые они представляют, или из-за выделяемых ими секретов. Однако это не относится ко всем естественным врагам. Например, E. formosa паразитоид белокрылки замедляется растительными волосками, что позволяет паразитоиду обнаруживать и паразитировать на большем количестве молодых белокрылки.[4]

Трихомы приносят пользу растению не только физически, но и химически. Трихомы могут иметь различные формы, включая волоски или карманные структуры, называемые железистыми трихомами. Эти железистые трихомы хранят видоспецифичные вторичные метаболиты, такие как терпеноиды и фенольные смолы в подобной карману структуре между клеточной стенкой и кутикулой растения. Когда железистые трихомы лопаются при контакте, они выделяют эти вторичные метаболиты, а сильный запах и горький вкус этих веществ заставляют насекомых-травоядных отталкиваться.[26] Пример трихом, используемых в качестве химической защиты от травоядных, находится в листьях Крапивница двудомная. Эти листья содержат игольчатые трихомы, заполненные смесью гистамина, щавелевой кислоты, винной кислоты, муравьиной кислоты и серотонина, которые вызывают сильное воспаление и раздражение. Эти трихомы имеют стеклянный наконечник, который отламывается при контакте с травоядным животным, а игольчатый трихом действует как шприц, вводя смесь гистаминов и кислот в кожу.[26]

Исследования показали, что морфология и химический состав трихом играет роль в реакции травоядных. Ответ насекомого Геликоверпа море на томатах Рутгерса и Алисы Крейг, а также их соответствующих мутантов наблюдали в исследовании, проведенном Донгланом и его коллегами. Они обнаружили более высокую устойчивость к насекомым у Алисы Крейг, ее мутанта и растений томата Рутгера, обработанных метилжасмонат, химическое вещество, богатое жасмином, которое вызывает рост трихрома. У мутантов Рутгера, которые также обрабатывали метилжасмонатом, была низкая устойчивость к насекомым. Соседнее исследование проверило морфологию трихом этих четырех растений томата и было определено, что Алиса Крейг, его мутант и растения томата дикого типа Рутгера богаты железистыми трихомами, в то время как мутанты Рутгера богаты негландулярными трихомами. В целом, это исследование предполагает, что плотность железистых трихомов является важным фактором устойчивости насекомых.[27]

Испытания с участием Кокцинелиды показали, что многие из этих жуков явно предпочитают тип поверхности листа, на котором они часто встречаются. Представлен с возможностью приземления на глянцевый или обычный Brassica oleracea листву, жуки предпочитали селиться на глянцевой листве, так как они лучше цеплялись за эти листья. Благодаря этим знаниям было проведено и проводится множество исследований, в которых оценивается изменение воздействия на естественных врагов при введении различных генотипов растений.[4]

Летучие органические соединения

Два потенциальных аспекта, которые приносят пользу растениям, когда они выделяют летучие органические соединения (ЛОС), - это сдерживание травоядных животных и привлечение естественных врагов; последний был источником большого количества исследований, изучающих взаимосвязь между естественными врагами и ЛОС, а также результирующий биологический контроль.[28] Существует возможность синтеза продуктов, которые воспроизводят уникальный состав ЛОС, выделяемых различными растениями; эти продукты можно применять для растений, страдающих от вредителей, на которые нацелен привлеченный естественный враг.[28] Это может привести к попаданию естественных врагов в посевы, населенные популяциями вредителей, которые в противном случае, вероятно, остались бы незамеченными естественными врагами.[29] Четыре элемента, которые необходимо учитывать перед манипулированием ЛОС, следующие: ЛОС должны эффективно помогать естественному противнику в поиске добычи; у вредителя должны быть естественные враги; стоимость пригодности для потенциального привлечения дополнительных травоядных должна быть превышена за счет привлечения достаточного количества естественных врагов; и естественные враги не должны подвергаться отрицательному воздействию прямой защиты растений, которая может присутствовать.[30]

Внецветковые нектарники

Пара экстрафлоровых нектарников, выделяющих нектар из Passiflora edulis лист

В недавнем исследовании, сравнивающем дикие, культивируемые и не содержащие нектара сорта хлопка как на полях, так и в теплицах, результаты показали, что уровень одомашнивания хлопчатника коррелирует с уровнем косвенных инвестиций в оборону, наблюдаемых в форме EFN. Он показал, что дикие сорта производят больше нектара и привлекают более широкий круг естественных врагов. Это исследование указывает на идею о том, что в процессе селекции новых сортов хлопка упускаются из виду естественные особенности устойчивости в поисках высокоурожайных сортов, которые можно защитить с помощью пестицидов. Хотя это исследование не обнаружило четкой взаимосвязи между подавлением вредителей и уровнем одомашнивания хлопка, оно выделило несколько исследований, которые показали эту взаимосвязь. Исследования продемонстрировали значительную корреляцию между растениями, несущими EFN, и более низким уровнем вредителей, а также более высоким уровнем естественных врагов. Одно исследование также показало, что кормление травоядных может напрямую стимулировать производство нектара. Эти коллективные результаты иллюстрируют потенциальные преимущества, которые могут быть получены за счет включения желательной генетики диких сортов в культивируемые сорта.[31]

Domatia

Некоторые тропические растения были замечены в домах, являющихся хозяевами колоний муравьев и обеспечивающими муравьев питанием из нектарников или пищевых тел. Эти муравьиные колонии стали зависимыми от растений-хозяев в своем выживании и, следовательно, активно защищают растение; эта защита может принимать форму уничтожения или защиты от вредителей, сорняков и некоторых грибковых патогенов. Китайские фермеры, выращивающие цитрусовые, в течение многих лет извлекали выгоду из этих взаимных отношений, встраивая в свои культуры искусственные муравьиные гнезда для подавления вредителей.[32]

Паразитоиды

Бразильская оса-паразитоид поднимает яйцеклад.

Паразитоиды успешно внедрились в биологическая борьба с вредителями программы на многие годы. Было продемонстрировано, что растения могут напрямую влиять на действие паразитоидов на травоядных животных, высвобождая химические сигналы, которые изменяют поведение в поисках хозяина, и обеспечивая источники пищи или доматию.[1] Некоторые паразитоиды могут зависеть от этого родства с растениями. Следовательно, в производственных районах, где желательно присутствие паразитоидов, обеспечение того, чтобы выращиваемые культуры соответствовали всем этим требованиям, вероятно, будет коррелировать с более высокими популяциями паразитоидов и потенциально усилением борьбы с вредителями.[29]

Паразитирующие тли с видимыми выходными отверстиями для паразитоидных ос.

Это было проиллюстрировано путем мониторинга популяций тли в экспериментальной культуре сахарной свеклы. При выращивании только свеклы уровень паразитизма популяции тли был незначительным. Однако, когда культуры капусты выращивались одновременно и рядом с сахарной свеклой, уровни паразитизма тлей увеличивались. Коллардовые культуры выделяют гораздо более высокие концентрации ЛОС по сравнению с сахарной свеклой. В результате было обнаружено, что сопутствующие растения капусты давали более сильные химические сигналы, чем сахарная свекла. Они привлекли больше паразитоидов тли, которые убили тлю на растениях капусты, а затем мигрировали на сахарную свеклу, которая находилась в непосредственной близости.[33]

В аналогичном исследовании было замечено, что растения риса выделяют этилен и другие соединения в ответ на личиночное питание коричневых растений, и это может привлекать факультативный паразитоид паразитирует на яйцах личинок коричневых растений.[28]

В другом исследовании было показано, что присутствие растений экстрафоральные нектарники в посевах хлопка паразитоиды проводят в них больше времени и вызывают паразитирование большего количества личинок моли по сравнению с хлопковыми культурами без нектарников. После публикации этого исследования большинство фермеров перешли на выращивание сортов хлопка с нектарниками.[34] В отдельном испытании с хлопком было выявлено, что натурализованный хлопок выделяет в семь раз больше летучих органических соединений по сравнению с культурными сортами хлопка при повреждении кормлением.[35] Это может относиться к другим высококультурным культурным растениям, но это необходимо измерять, поскольку есть случаи, когда другие культуры не демонстрируют такой же тенденции.[29]

Эти результаты раскрывают конкретные переменные, которыми фермер может манипулировать, чтобы влиять на популяции паразитоидов, и иллюстрируют потенциальное влияние управления средой обитания паразитоидов на борьбу с вредителями.[29] В случае хлопка и других подобных сценариев культур с высоким содержанием ЛОС существует интерес к генетической инженерии химических путей культивируемых сортов для выборочного производства с высоким содержанием ЛОС, которые наблюдались в натурализованных сортах, с целью привлечения большего числа естественных врагов. Это создает множество проблем, но может создать многообещающие возможности борьбы с вредителями.[36]

Патогены насекомых

Муха, зараженная кордицепс энтомопатогенные грибы с наличием структур плодового тела

Патогены насекомых, также называемые энтомопатогенами, представляют собой еще одну группу организмов, на которую влияют растения. Степень влияния в значительной степени зависит от эволюционной истории, разделяемой между ними, а также от способа заражения патогенными микроорганизмами и продолжительности выживания вне хозяина. Несколько исследований показали, что различные растения-хозяева насекомых содержат различные соединения, которые вызывают разные уровни смертности насекомых при одновременном введении определенных энтомопатогенов. В некоторых случаях регистрируется значительное увеличение смертности, в некоторых исследованиях до 50 раз. Однако другие исследования показывают, что некоторые растения негативно влияют на энтомопатогены, снижая их эффективность.[37]

В первую очередь на энтомопатоген влияет листовая поверхность растения; растения могут выпускать различные экссудаты, фитохимические вещества, и аллелохимические вещества через их листья, некоторые из которых обладают способностью инактивировать определенные энтомопатогены.[37] Напротив, у других видов растений характеристики листьев могут повысить эффективность энтомопатогенов. Например, смертность от гороховой тли была выше в группе тлей, обнаруженных на растениях с меньшим количеством парафинового экссудата по сравнению с растениями с большим количеством парафинового экссудата. Эта уменьшенная восковая масса увеличивала передачу Пандора неоафид конидия от растения до тли.[38]

Было показано, что летучие вещества, вызываемые кормлением, которые выделяются различными растениями, увеличивают количество спор, выделяемых определенными энтомопатогенные грибы, увеличивая вероятность заражения одних травоядных, но не других. Растения также могут косвенно влиять на эффективность патогенов, и это обычно происходит либо за счет увеличения восприимчивости травоядных хозяев, либо за счет изменения их поведения. Это влияние часто может принимать форму изменения скорости роста, физиологии травоядных или привычек питания. Это исследование демонстрирует различное влияние, которое различные виды растений-хозяев могут оказывать на энтомопатогенные взаимодействия.[37]

В одном исследовании было показано, что Брассикас могут защитить себя, действуя как вектор для энтомопатогенов. Было показано, что инфицированная вирусом тля, питающаяся растениями, вносила вирус во флоэму. Вирус пассивно переносился во флоэме и переносился по всему растению. Это привело к заражению и тли, питавшейся отдельно от зараженных тлей. Это открытие представляет возможность введения в посевы совместимых энтомопатогенных вирусов для защиты от уязвимых насекомых-вредителей.[39]

Системная приобретенная резистентность

Основная статья: Системная приобретенная резистентность

Растения показали, что они обладают способностью создавать устойчивость к патогенам после первоначального заражения. Эта способность растений формировать устойчивость к инфекции называется системная приобретенная резистентность и проявляется после заражения растения патогеном. После переживания инфекции растение содержит повышенное количество защитных соединений, таких как хитиназы. Повышенное содержание этих защитных соединений помогает предотвратить повторное поражение растения. Исследования также показали, что растения обладают способностью передавать эту устойчивость своему потомству.[40] Пример системной приобретенной устойчивости был показан на Arabidopsis thaliana, в которых растения подвергались воздействию, снижающему уровни бактериального заболевания Тихоокеанское стандартное времяDC3000. [40] После заражения последующее потомство больного растения в первом поколении показало повышенную устойчивость при воздействии болезни. Тихоокеанское стандартное времяDC3000. [40] В этом исследовании при повышенной устойчивости к заболеванию Тихоокеанское стандартное времяБыл обнаружен DC3000, важно отметить, что потомство имело повышенную восприимчивость к некротрофному грибку, называемому Alternaria brassicicola. [40] У потомства также была сниженная реакция на гормон жасмоновую кислоту. [40]

Подземные тритрофические взаимодействия

Менее изучены, чем наземные взаимодействия, но становятся все более важными, это подземные взаимодействия, которые влияют на защиту растений..[41] Существует сложная сеть пути передачи сигналов участвуют в реакциях растений, когда они получают различные стимулы, и было показано, что почвенные микробы оказывают значительное влияние на ряд этих реакций. Определенные почвенные микробы могут способствовать росту растений, повышая устойчивость к различным стрессорам окружающей среды, и могут защищать растения-хозяева от множества различных патогенов, вызывая системную устойчивость.[42] Понятно, что организмы в наземной и подземной среде могут взаимодействовать косвенно через растения. Многие исследования показали как положительные, так и отрицательные эффекты, которые один организм в одной среде может оказывать на другие организмы в той же или противоположной среде, при этом растение выступает в качестве посредника между ними.[41]

Микоризная ассоциация с корнем растения

Мета-анализ, документирующий эффект микориза продемонстрировал это. Колонизация корней растений микоризами обычно приводит к взаимным отношениям между растением и грибком, вызывая ряд изменений в растении. Анализ рассмотрел неоднозначное влияние колонизации на травоядных животных; он подчеркнул, что насекомые, использующие разные методы кормления, пострадали по-разному, на одних положительно, а на других - отрицательно. Тип вовлеченных видов микоризы также оказал заметное влияние на продуктивность насекомых. Один общий вид, Glomus intradices, оказали отрицательное влияние на успех жевания травоядных животных, в то время как другие изученные виды имели положительный эффект.[43]

Одно исследование показало, что корни некоторых растений кукурузы производят защитный химикат, когда корни повреждаются личинками листоеда; это химическое вещество было очень привлекательно для энтомопатогенная нематода разновидность Гетерорабдит мегидит. Было обнаружено, что это химическое вещество вырабатывается только некоторыми сортами кукурузы; в полевых условиях растения, которые выделяли это химическое вещество, вызвали пятикратное увеличение паразитирования личинок листоедов по сравнению с теми, которые не производили химическое вещество. Включение этих сортов или их генов в промышленное производство кукурузы может значительно повысить эффективность лечения нематод.[44]

Расширяя это исследование, в следующем эксперименте сравнивали дополнительные нематоды, травоядные животные и виды растений, чтобы зафиксировать результирующие взаимодействия. Основные результаты показали, что химические вещества, выделяемые растениями, выступали в качестве основного источника аттрактанта для нематод. Было высказано предположение, что в результате эволюции травоядные животные стали относительно необнаруживаемыми для нематод, тогда как растения эволюционировали, чтобы излучать очень привлекательные химические сигналы. Ясно, что здесь задействована высокая степень специфичности; виды, которые составляют эти тритрофические взаимодействия, тесно эволюционировали друг с другом в течение длительного периода времени и в результате имеют очень уникальные отношения.[45]

Дополнительный эксперимент показал, что бактерия E. aerogenes производит летучий 2,3-бутандиол, оказавший влияние на взаимодействие между растениями, патогенами и насекомыми.[46] Когда кукуруза выращивалась в почвенной культуре, содержащей летучие бактерии, или инокулировалась бактериями в ее растительной массе, исследователи обнаружили, что кукуруза была более устойчивой к патогену. Setosphaeria turcica поскольку наблюдалось значительное уменьшение невротического развития и длины гиф по сравнению с бактериями без кукурузы.[46] Кроме того, исследователи обнаружили, что бактерия не сдерживала травоядность насекомых, а скорее увеличивала набор веса и потребление листьев у видов гусениц, известных как Spodoptera littoralis [46] . Наконец, при наблюдении за притяжением естественного хищника, известного как Cotesia marginiventris исследователи обнаружили, что этих ос больше привлекали растения кукурузы, которые выращивались в почвенных культурах, содержащих либо летучие бактерии-продуценты, либо чистый 2,3-бутандиол.[46] Эти результаты подтверждают идею о том, что почвенные микроорганизмы действительно играют роль во влиянии на тритрофические взаимодействия между растениями и насекомыми.

Соображения по использованию тритрофных взаимодействий в биологическом контроле

Устойчивое растениеводство становится все более важным, если люди хотят поддерживать растущее население и избегать коллапса производственных систем.[47] Хотя понимание и включение тритрофных взаимодействий в борьбу с вредителями предлагает многообещающий вариант борьбы, важно отметить, что устойчивая биологическая борьба с вредителями требует динамического подхода, который включает разнообразие всех присутствующих видов, богатство естественных врагов и ограниченность. неблагоприятная активность (например, минимальное использование пестицидов). Этот подход особенно важен в усилиях по сохранению биологического контроля.[48] Также важно отметить, что обычно в данной производственной обстановке задействовано более трех трофических уровней, поэтому было высказано предположение, что модель исследования тритрофических взаимодействий является несколько упрощенной и в некоторых случаях должна включать влияние, которое более высокий трофический уровень уровни могут иметь биологический контроль.[29] Кроме того, экологическая сложность и взаимодействие между видами одного трофического уровня - это темы, которые все еще требуют большого исследования. До этого момента исследование имело относительно узкую направленность, которая может подходить для контролируемой среды, такой как теплицы, но которой не хватает в документации о взаимодействиях растений с динамическими сообществами организмов в разных поколениях.[49]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j Цена, Питер В. (2011). Экология насекомых: поведение, популяции и сообщества (4-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-83488-9.
  2. ^ а б Хайль, Мартин (2008). «Косвенная защита через тритрофические взаимодействия». Новый Фитолог. 178 (1): 41–61. Дои:10.1111 / j.1469-8137.2007.02330.x. PMID  18086230.
  3. ^ а б Карбан, Ричард (2011). «Экология и эволюция индуцированной резистентности к травоядным животным». Функциональная экология. 25 (2): 339–347. Дои:10.1111 / j.1365-2435.2010.01789.x.
  4. ^ а б c d Bottrell, Dale G .; Барбоса, Педро; Гулд, Фред (1998). «Манипулирование естественными врагами путем отбора и модификации сортов растений: реалистичная стратегия?». Ежегодный обзор энтомологии. 43 (1): 347–367. Дои:10.1146 / annurev.ento.43.1.347. PMID  15012394.
  5. ^ Френкель, Г. С. (29 мая 1959 г.). «Raison d'Etre вторичных растительных веществ: эти странные химические вещества возникли как средство защиты растений от насекомых и теперь направляют насекомых к пище». Наука. 129 (3361): 1466–1470. Bibcode:1959 г., наука ... 129.1466F. Дои:10.1126 / наука.129.3361.1466. PMID  13658975.
  6. ^ Whittaker, R.H .; Фини, П. П. (26 февраля 1971 г.). «Аллелохимия: химические взаимодействия между видами». Наука. 171 (3973): 757–770. Bibcode:1971 г., наука ... 171..757Вт. Дои:10.1126 / science.171.3973.757. PMID  5541160.
  7. ^ а б c d Тайз, Линкольн (2018). Основы физиологии растений. 198 Мэдисон-авеню, Нью-Йорк, Нью-Йорк 10016 США: Oxford University Press. С. 520–521.CS1 maint: location (связь)
  8. ^ Расманн, Серджио; Köllner, Tobias G .; Дегенхардт, Йорг; Хилтпольд, Иван; Топфер, Стефан; Кульман, Ульрих; Гершензон, Джонатан; Терлингс, Тед К. Дж. (7 апреля 2005 г.). «Пополнение энтомопатогенных нематод корнями кукурузы, поврежденными насекомыми» (PDF). Природа. 434 (7034): 732–737. Bibcode:2005Натура.434..732Р. Дои:10.1038 / природа03451. PMID  15815622. S2CID  4104266.
  9. ^ Фрост, Кристофер Дж .; Аппель, Хайди М .; Карлсон, Джон Э .; De Moraes, Consuelo M .; Мешер, Марк С .; Шульц, Джек К. (2007). «Передача сигналов внутри растения с помощью летучих веществ преодолевает сосудистые ограничения на системную передачу сигналов и инициирует ответы против травоядных животных». Письма об экологии. 10 (6): 490–498. Дои:10.1111 / j.1461-0248.2007.01043.x. PMID  17498148.
  10. ^ Кесслер, Д .; Газ, К .; Болдуин, И. Т. (29 августа 2008 г.). «Полевые эксперименты с трансформированными растениями раскрывают чувство цветочного аромата». Наука. 321 (5893): 1200–1202. Bibcode:2008Научный ... 321.1200K. Дои:10.1126 / science.1160072. PMID  18755975. S2CID  206513974.
  11. ^ Терлингс, Т. С. Дж .; Tumlinson, J. H .; Льюис, У. Дж. (30 ноября 1990 г.). «Использование запахов растений, вызванных травоядными животными, паразитическими осами, ищущими хозяина» (PDF). Наука. 250 (4985): 1251–1253. Bibcode:1990Научный ... 250.1251Т. Дои:10.1126 / science.250.4985.1251. PMID  17829213. S2CID  13430669.
  12. ^ Маттиаччи, Летиция; Дике, Марсель; Posthumus, Маартен А. (1994). «Индукция синомона, привлекающего паразитоидов, в растениях брюссельской капусты путем кормления личинок Pieris brassicae: роль механических повреждений и возбудителя травоядных». Журнал химической экологии. 20 (9): 2229–2247. Дои:10.1007 / BF02033199. PMID  24242803. S2CID  6121052.
  13. ^ Halitschke, R .; Keßler, A .; Kahl, J .; Lorenz, A .; Болдуин, И. Т. (23 августа 2000 г.). «Экофизиологическое сравнение прямой и косвенной защиты у Nicotiana attuata». Oecologia. 124 (3): 408–417. Bibcode:2000Oecol.124..408H. Дои:10.1007 / s004420000389. PMID  28308780. S2CID  5034158.
  14. ^ Röse, Ursula S.R .; Тамлинсон, Джеймс Х. (22 апреля 2005 г.). «Системная индукция выброса летучих в хлопке: насколько специфичен сигнал для травоядных?». Planta. 222 (2): 327–335. Дои:10.1007 / s00425-005-1528-2. PMID  15856281. S2CID  13438362.
  15. ^ Стейнберг, Шимон; Дике, Марсель; Ветеринар, Луиза Э. М. (1993). «Относительная важность инфохимических веществ первого и второго трофического уровня в удалении хозяев от личинок паразитоида Cotesia glomerata». Журнал химической экологии. 19 (1): 47–59. Дои:10.1007 / BF00987470. PMID  24248510. S2CID  797047.
  16. ^ Тайз, Линкольн (2018). Основы физиологии растений. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета США. п. 511.
  17. ^ а б Цена, Питер В. (2011). Экология насекомых: поведение, популяции и сообщества (4-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-83488-9.
  18. ^ Рубинов, Д. (22 июля 2005 г.). "Гусеница, прядущая паутиной, стебет улиток". Наука. 309 (5734): 575. Дои:10.1126 / наука.1110397. PMID  16040699. S2CID  42604851.
  19. ^ а б Landis, Douglas A .; Wratten, Стивен Д .; Гурр, Джефф М. (2000). «Управление средой обитания для сохранения естественных врагов членистоногих вредителей в сельском хозяйстве». Ежегодный обзор энтомологии. 45 (1): 175–201. Дои:10.1146 / annurev.ento.45.1.175. PMID  10761575.
  20. ^ а б c Луна, Эстрелла; Брюс, Тоби Дж. А .; Робертс, Майкл Р .; Флоорс, Виктор; Тон, Джурриан (01.02.2012). «Системное приобретенное сопротивление нового поколения». Физиология растений. 158 (2): 844–853. Дои:10.1104 / стр.111.187468. ISSN  0032-0889. ЧВК  3271772. PMID  22147520.
  21. ^ Cortesero, A.M .; Stapel, J.O .; Льюис, У.Дж. (2000). «Понимание и управление атрибутами растений для усиления биологического контроля». Биологический контроль. 17 (1): 35–49. CiteSeerX  10.1.1.337.1094. Дои:10.1006 / bcon.1999.0777.
  22. ^ Обрыцкий, Джон Дж. (2001). «Трансгенная инсектицидная кукуруза: от инсектицидной токсичности до экологической сложности. Анализ трансгенной инсектицидной кукурузы, разработанной для чешуекрылых вредителей, показывает, что потенциальные преимущества генной инженерии сельскохозяйственных культур для борьбы с насекомыми-вредителями могут не перевешивать потенциальные экологические и экономические риски». Бионаука. 51 (5): 353–361. Дои:10.1641 / 0006-3568 (2001) 051 [0353: TICBIT] 2.0.CO; 2.
  23. ^ Groot, Astrid T .; Дике, Марсель (2002). «Устойчивые к насекомым трансгенные растения в многотрофическом контексте». Журнал растений. 31 (4): 387–406. Дои:10.1046 / j.1365-313X.2002.01366.x. PMID  12182699.
  24. ^ Поппи, Гай М .; Сазерленд, Джейми П. (2004). «Может ли биологический контроль выиграть от генетически модифицированных культур? Тритрофические взаимодействия на устойчивых к насекомым трансгенных растениях». Физиологическая энтомология. 29 (3): 257–268. Дои:10.1111 / j.0307-6962.2004.00382.x.
  25. ^ Wäckers, под редакцией F.L .; Rijn, P.C.J. фургон; Брюин, Дж. (2005). Корм для хищных насекомых из растений: защитный мутуализм и его применение (1. Ред. В мягкой обложке). Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0521819411.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  26. ^ а б Тайз, Линкольн (2018). Основы физиологии растений. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета США. С. 511–512.
  27. ^ Тиан, Донглань; Тукер, Джон; Пайффер, Мишель; Чунг, Сын Хо; Фелтон, Гэри В. (октябрь 2012 г.). «Роль трихомов в защите от травоядных: сравнение реакции травоядных на шерстистые и бесшерстные мутанты трихома в томате (Solanum lycopersicum)». Planta. 236 (4): 1053–1066. Дои:10.1007 / s00425-012-1651-9. ISSN  1432-2048. PMID  22552638. S2CID  14093399.
  28. ^ а б c Нуринда, Н., Вонорахардджо, С., Сунарто, Д. А., Суджак, С. (2017). «Химические сигналы в тритрофических взаимодействиях при биологической борьбе с насекомыми-вредителями». Журнал теоретических и прикладных исследований химии. 6 (1): 49–56. Дои:10.21776 / ub.jpacr.2017.006.01.282.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  29. ^ а б c d е Поппи, Г. М. (1997). «Тритрофические взаимодействия: улучшение экологического понимания и биологического контроля?». Стараться. 21 (2): 61–65. Дои:10.1016 / S0160-9327 (97) 01042-9.
  30. ^ Кесслер А., Болдуин И. Т. (2002). «Опосредованные растениями тритрофические взаимодействия и биологическая борьба с вредителями». AgBiotechNet. 4 - через Research Gate.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  31. ^ Лландрес, А. Л., Вердени-Вилалта, О., Жан, Дж., Гебель, Ф., Сейди, О., Брево, Т. (2019). «Внецветковые нектарии хлопчатника как косвенная защита от насекомых-вредителей». Базовая и прикладная экология. 37: 24–34. Дои:10.1016 / j.baae.2019.05.001 - через Elsevier Science Direct.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  32. ^ Хайль, М. (2008). «Косвенная защита через тритрофические взаимодействия». Новый Фитолог. 178 (1): 41–61. Дои:10.1111 / j.1469-8137.2007.02330.x. PMID  18086230 - через JSTOR.
  33. ^ Рид, Д. П., Фини, П. П., Рут, Р. Б. (1970). «Выбор среды обитания тлей-паразитом Diaeretiella Rapae (Hymenoptera: Braconidae) и гиперпаразитом Charips Brassicae (Hymenoptera: Cynipidae)». Канадский энтомолог. 102 (12): 1567–1578. Дои:10.4039 / Ent1021567-12.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  34. ^ Стапель, Дж. О., Кортезеро, А. М., ДеМораес, К. Р., Тумлинсон, Дж. Х. и Льюис, У. Дж. (1996). «Влияние экстрафлорного нектара, медовой росы и сахарозы на поведение и эффективность поиска Microplitis croceipes (Hymenoptera: Braconidae) в хлопке». Экологическая энтомология. 26 (3): 617–623. Дои:10.1093 / ee / 26.3.617.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  35. ^ Лафрин, Дж. Х., Манукян, А., Хит, Р. Р., Тумлинсон, Дж. Х. (1995). «Летучие вещества, выделяемые различными сортами хлопка, поврежденными кормлением личинок совки-совки». Химическая экология. 21 (8): 1217–1227. Дои:10.1007 / BF02228321. PMID  24234527. S2CID  35273594.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  36. ^ Поппи, Гай М .; Сазерленд, Джейми П. (2004). «Может ли биологический контроль выиграть от генетически модифицированных культур? Тритрофические взаимодействия с устойчивыми к насекомым трансгенными растениями». Физиологическая энтомология. 29 (3): 257–268. Дои:10.1111 / j.0307-6962.2004.00382.x.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  37. ^ а б c Кори, Дж. С., Гувер, К. (2006). «Опосредованные растениями эффекты при взаимодействии насекомых-патогенов». Тенденции в экологии и эволюции. 21 (5): 278–286. Дои:10.1016 / j.tree.2006.02.005. PMID  16697914.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  38. ^ Duetting, P. S., Eigenbrode, S. D. (2003). "Восковый цвет растений на горохе влияет на заражение гороховой тлей Pandora neoaphidus". Патология беспозвоночных. 84 (3): 149–158. Дои:10.1016 / j.jip.2003.10.001. PMID  14726238.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  39. ^ Ван Манстер, М., Янссен, А., Клеривет, А., Ван ден Хеувел, Дж. (2005). «Могут ли растения использовать энтомопатогенный вирус в качестве защиты от травоядных?». Взаимодействие растений с животными. 143 (3): 396–401. Bibcode:2005Oecol.143..396V. Дои:10.1007 / s00442-004-1818-6. PMID  15723235. S2CID  29076492.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  40. ^ а б c d е Луна, Эстрелла; Брюс, Тоби Дж. А .; Робертс, Майкл Р .; Флоорс, Виктор; Тон, Джурриан (01.02.2012). «Системное приобретенное сопротивление нового поколения». Физиология растений. 158 (2): 844–853. Дои:10.1104 / стр.111.187468. ISSN  0032-0889. ЧВК  3271772. PMID  22147520.
  41. ^ а б Ван Гим, М., Голс, Р., Ван Дам, Н. М., Ван Дер Путтен, В. Х., Фортуна, Т., Харви, Дж. А. (2013). «Важность взаимодействия над землей и под землей в эволюции и поддержании вариаций в защитных свойствах растений». Границы растениеводства. 28: 431. Дои:10.3389 / fpls.2013.00431. ЧВК  3842511. PMID  24348484.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  42. ^ Пинеда, А., Дике, М., Питерс, К. М. Дж., Посо, М. Дж. (2013). «Полезные микробы в изменяющейся среде: всегда ли они помогают растениям бороться с насекомыми?». Функциональная экология. 27 (3): 574–586. Дои:10.1111/1365-2435.12050. HDL:1874/276314.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  43. ^ Коричева, Дж., Ганге, А. К., Джонс, Т. (2009). «Воздействие микоризных грибов на насекомых-травоядных: метаанализ». Экология. 90 (8): 2088–2097. Дои:10.1890/08-1555.1. PMID  19739371 - через NCBI PubMed.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  44. ^ Расманн, С., Коллнер, Т. Г., Дегенхард, Дж., Хилтпольд, И., Тёпфер, С., Кульман, У., Гершензон, Дж., Терлингс, Т. К. Дж. (2005). «Пополнение энтомопатогенных нематод корнями кукурузы, поврежденными насекомыми». Природа. 434 (7034): 732–737. Bibcode:2005Натура.434..732Р. Дои:10.1038 / природа03451. PMID  15815622. S2CID  4104266.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  45. ^ Расманн, С., Терлингс, Т. К. Дж. (2008). «Первое понимание специфики подземных тритрофических взаимодействий» (PDF). OIKOS. 117 (3): 362–369. Дои:10.1111 / j.2007.0030-1299.16204.x.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  46. ^ а б c d Алессандро, Марко (2014). «Летучие вещества, продуцируемые почвенными эндофитными бактериями, повышают устойчивость растений к патогенам и влияют на тритрофические взаимодействия». Растение, клетка и окружающая среда. 37 (4): 813–826. Дои:10.1111 / pce.12220. ЧВК  4194311. PMID  24127750.
  47. ^ Берг, Г. (2009). «Взаимодействие растений и микробов, способствующих росту и здоровью растений: перспективы контролируемого использования микроорганизмов в сельском хозяйстве». Прикладная микробиология и биотехнология. 84 (1): 11–18. Дои:10.1007 / s00253-009-2092-7. PMID  19568745. S2CID  3330216.
  48. ^ Гардарин А., Плантегенест М., Бишофф. А., Валантин-Морисон, М. (2018). «Понимание взаимодействия растений и членистоногих в мультитрофных сообществах для улучшения природоохранного биологического контроля: полезные признаки и показатели» (PDF). Журнал науки о вредителях. 91 (3): 943–955. Дои:10.1007 / s10340-018-0958-0. S2CID  43962364.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  49. ^ Ван Вин, Ф. (2015). «Трофические взаимодействия, модифицированные растениями». Текущее мнение в науке о насекомых. 8: 29–33. Дои:10.1016 / j.cois.2015.02.009. HDL:10871/17566. PMID  32846667 - через Elsevier Science Direct.