Biotype-Specific and Stable Induced Responses of Sorghum to Greenbug (Schizaphis graminum) Herbivory

Pflanzen sind keine passiven Opfer, wenn Insekten beginnen, an ihnen zu fressen. Stattdessen entwickeln viele Arten eine dynamische Verteidigung, indem sie ihre Chemie und Physiologie verändern, um weniger schmackhaft oder schwerer verdaulich zu werden. Diese Reaktion, bekannt als induzierte Verteidigung, kann ein mächtiges Werkzeug zum Überleben sein, ist jedoch oft flüchtig. In einigen Systemen kann der Widerstand einer Pflanze unmittelbar nach einem Angriff steigen und dann nachlassen, während das Gewebe altert oder die chemischen Signale nachlassen, was die Pflanze einer zweiten Welle von Schädlingen aussetzt. Das Verständnis darüber, ob diese Abwehrmechanismen vorübergehend oder stabil sind, ist entscheidend für die Landwirtschaft, in der Landwirte darauf angewiesen sind, dass Nutzpflanzen über die gesamte Wachstumsperiode hinweg beständig widerstandsfähig bleiben. Die Frage wird noch komplexer, wenn der Schädling selbst kein einzelner, einheitlicher Feind ist. Viele Insektenarten existieren als unterschiedliche Gruppen oder Biotypen, die verschiedene Strategien entwickelt haben, um die pflanzlichen Abwehrmechanismen zu überwinden. Wenn eine Pflanze gegen einen Typ des Insekts effektiv kämpft, könnte sie gegen einen anderen hilflos sein, und es bleibt unklar, ob eine vorangegangene Schlacht die Art und Weise verändert, wie die Pflanze auf eine zukünftige reagiert.

Forscher unternahmen den Versuch, diese Dynamik bei Sorghum zu untersuchen, einer trockenheitsresistenten Grasart, die für Korn und Brennstoff angebaut wird, und seiner Beziehung zur Grünen Blattlaus, einer winzigen Blattlaus, die an dem Saft der Pflanze saugt. Die Grüne Blattlaus ist ein bedeutender landwirtschaftlicher Schädling, der in der Lage ist, durch die Injektion von Toxinen schwere Schäden zu verursachen, die die Fähigkeit der Pflanze zum Nährstofftransport stören, was zu roten Flecken, Gelbfärbung und abgestorbenem Gewebe führt. Diese Blattlause vermehrt sich schnell und hat sich in verschiedene Biotypen entwickelt, wobei einige Stämme in der Lage sind, den natürlichen Widerstand bestimmter Sorghum-Sorten zu umgehen. Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf eine spezifische Sorghum-Sorte namens 'Tx2783' und zwei unterschiedliche Grüne Blattlaus-Stämme, die als E und K bezeichnet wurden. Sie wollten wissen, ob die Reaktion der Pflanze auf diese Insekten ein festes Merkmal war oder ob sie sich basierend darauf änderte, ob die Pflanze zuvor angegriffen worden war. Insbesondere fragten sie, ob eine frühere Infestation durch einen der Stämme die Pflanze gegenüber einem späteren Angriff desselben Stammes oder eines anderen Stammes resistenter oder anfälliger machen würde.

Um die Antworten zu finden, führte das Team eine Reihe sorgfältiger Experimente in einer kontrollierten Umgebung durch. Sie züchteten Sorghum-Pflanzen und platzierten kleine, klare Käfige auf ihren Blättern, um spezifische Abschnitte zu isolieren. In einer Versuchsreihe führten sie eine kleine Gruppe von Blattläusen an einem Teil eines Blattes ein, um als die ersten Angreifer zu fungieren. Zwei Tage später führten sie eine zweite Gruppe von Blattläusen an einem benachbarten Abschnitt desselben Blattes ein. Dieser Aufbau ermöglichte es ihnen zu sehen, ob die Reaktion der Pflanze auf die erste Gruppe die zweite Gruppe beeinflusste. Sie testeten vier Szenarien: die erste Gruppe und die zweite Gruppe waren beide Stamm E; beide waren Stamm K; die erste war E und die zweite war K; oder die erste war K und die zweite war E. Sie führten auch Experimente durch, bei denen der erste Angriff auf einem Blatt stattfand und der zweite Angriff auf einem völlig anderen Blatt weiter oben an derselben Pflanze erfolgte, um zu sehen, ob die Abwehrsignale der Pflanze durch ihr System reisen. Während des gesamten Prozesses zählten die Forscher, wie viele neue Blattläuse geboren wurden, wie lange es dauerte, bis sie ausgewachsen waren, und wie viel Schaden die Blätter erlitten, was sie durch das Fotografieren der Blätter und die Analyse der Menge an grünem Gewebe im Vergleich zu beschädigtem, verfärbtem Gewebe maßen.

Die Ergebnisse zeichneten ein klares und stabiles Bild davon, wie diese Sorghum-Varietät mit diesen Schädlingen interagiert. Die Pflanze leistete Stamm E konsequent Widerstand, verhinderte die erfolgreiche Fortpflanzung der Blattläuse und blieb weitgehend gesund. Im Gegensatz dazu war die Pflanze gegenüber Stamm K hochgradig anfällig, welcher florierte und signifikante Schäden verursachte. Entscheidend war, dass die Studie herausfand, dass sich die Reaktion der Pflanze nicht basierend auf ihrer Vorgeschichte änderte. Wenn ein Blatt zwei Tage zuvor von Stamm E angegriffen worden war, wurde es weder resistenter noch anfälliger gegenüber einem neuen Angriff durch Stamm E oder Stamm K. Dasselbe galt für Stamm K; ein vorangegangener Angriff veränderte die Leistung der Pflanze gegenüber einem nachfolgenden Angriff nicht. Die Forscher beobachteten keine Anzeichen dafür, dass die anfänglichen Abwehrsignale der Pflanze mit der Zeit nachließen, um sie anfälliger zu machen, noch fanden sie, dass ein vorangegangener Angriff durch einen Stamm eine Verteidigung auslöste, die gegen den anderen Stamm wirkte. Die Reaktion der Pflanze schien ein festes, genetisches Merkmal zu sein, das spezifisch für die Identität des Insekts war, und kein flexibler Mechanismus, der sich mit der Zeit oder vorangegangener Exposition verschob.

Diese Erkenntnisse legen nahe, dass der Kampf gegen Grüne Blattläuse bei dieser Sorghum-Varietät durch ein starres, biotypspezifisches Duell definiert ist und nicht durch eine fluide, sich ändernde Verteidigung. Die Pflanze scheint nicht aus einer vorangegangenen Begegnung zu lernen oder ihre Strategie basierend auf dem Zeitpunkt eines Angriffs anzupassen. Stattdessen bewahrt sie einen stabilen Zustand des Widerstands gegen Stamm E und einen stabilen Zustand der Anfälligkeit gegenüber Stamm K, unabhängig davon, was zuvor geschah. Diese Stabilität steht im Kontrast zu anderen Pflanzensystemen, in denen die Abwehrkräfte wie die Gezeiten steigen und fallen können, und bietet eine andere Perspektik darauf, wie Nutzpflanzen mit Schädlingsdruck umgehen. Für Züchter und Landwirte bedeutet dies, dass der Schlüssel zur Bekämpfung dieser Schädlinge im Verständnis der spezifischen Identität der Blattlauspopulation im Feld liegt, da die inhärente Resistenz der Pflanze nicht durch die Geschichte der Infestation gesteigert oder gemindert wird. Die Studie verdeutlicht, dass in dieser spezifischen Interaktion die Verteidigung der Pflanze eine konstante, unveränderliche Mauer gegen einen Feind und eine offene Tür für einen anderen ist, geformt allein durch die genetische Identität des Insekts statt durch den Zeitpunkt des Angriffs.