Endophytic entomopathogenic fungi remodel phyllosphere microbiome and metabolome to suppress Spodoptera frugiperda and enhance parasitoid biocontrol

In de uitgestrekte velden van de landbouw zijn planten niet louter passieve slachtoffers van hongerige insecten; ze zijn actieve deelnemers aan een complexe chemische oorlog. Wanneer een plant wordt aangevallen, reageert deze vaak door defensieve verbindingen te produceren of door de interne chemie te veranderen om zichzelf minder smakelijk of giftiger te maken voor de indringer. Planten voeren deze gevechten echter niet alleen uit. Ze huisvesten gemeenschappen van microscopische organismen op hun bladeren en binnen hun weefsels, bekend als het microbioom. Deze piepkleine bewoners kunnen de gezondheid van de plant beïnvloeden, soms door de groei te stimuleren of door te helpen bij het weerstaan van ziekten. Wetenschappers vragen zich al lang af of we deze natuurlijke bondgenoten kunnen inzetten om gewassen te beschermen zonder te vertrouwen op harde chemische sprays. Een veelbelovende weg houdt het gebruik in van nuttige schimmels die in planten leven zonder ze schade toe te brengen, bekend als endofyten. Deze schimmels kunnen fungeren als onzichtbare lijfwachten, die het interne milieu van de plant veranderen op manieren die plagen in verwarring brengen of verzwakken.

Een recente studie van onderzoekers van Guizhou University in China onderzoekt hoe twee specifieke stammen van deze vriendelijke schimmels de maïs, een vitaal mondiaal gewas, kunnen helpen beschermen tegen de legerworm. Dit plaagorganisme is een gulzige eter die zich snel over de wereld heeft verspreid en enorme schade aan maïsvelden veroorzaakt. De onderzoekers wilden niet alleen begrijpen of deze schimmels de wormen konden stoppen, maar ook hoe ze dat deden. Ze bekeken het hele systeem: de groei van de maïsplant, de kleine bacteriën en schimmels die op de bladeren leven, de chemische verbindingen die de plant produceerde, en hoe deze veranderingen zowel de plaag als een natuurlijke vijand van de plaag beïnvloedden, een piekleinere wesp die haar eitjes in de worm legt. Het doel was om te zien of deze schimmels de plant een betere vesting en een betere bondgenoot voor de wesp konden maken, waardoor een driezijdige samenwerking ontstond om de plaag te bestrijden.

De onderzoekers begonnen met het introduceren van twee verschillende schimmelstammen, genaamd GL-5 en H8, in jonge maïszaailingen. Dit deden ze door een vloeistof die schimmelsporen bevatte over de grond rond de wortels te gieten, zodat de schimmels in de plant konden groeien. Terwijl de zaailingen groeiden, mat het team de grootte en gezondheid van de planten. Beide schimmelstammen hielpen de planten om hoger te groeien en langere wortels en bladeren te ontwikkelen in vergelijking met planten die geen behandeling hadden ontvangen. De planten die met de schimmels waren behandeld, waren zichtbaar vitaler, wat suggereert dat deze microscopische gasten daar niet alleen leefden, maar ook actief hielpen om hun gastheer te laten gedijen. Deze initiële groeibonus legde de basis voor de volgende fase van het experiment, waarbij de onderzoekers de legerwormlarven aan de behandelde planten introduceerden.

Wanneer de legerwormen de bladeren van de met schimmels behandelde planten aten, werd hun ontwikkeling in chaos gebracht. De wormen die zich voedden met de planten met de GL-5-stam, deden er veel langer over om door hun vroege stadia te groeien, en velen stierven voordat ze volwassen werden. De wormen die de met H8 behandelde planten aten, hadden ook moeite, met name in hun latere larvale stadia en als pop. De fysieke grootte van de wormen die wel overleefden, was kleiner, en ze wogen aanzienlijk minder dan die van de wormen die ongebehandelde bladeren aten. Voor de wormen die er wel in slaagden volwassen te worden, werd hun voortplantingsvermogen ernstig gehinderd. Degenen die zich voedden met de met GL-5 behandelde planten legden veel minder eitjes, en de tijd die het kostte voordat ze begonnen met het leggen van eitjes was veel langer. In essentie hadden de schimmels de maïsplanten veranderd in een moeilijk dieet dat de wormen vertraagde, hun groei remde en hun vermogen om nakomelingen te krijgen verminderde.

De studie keek ook naar wat er binnen de plant en de plaag gebeurde om deze resultaten te verklaren. De onderzoekers ontdekten dat de schimmels de chemische samenstelling van de maïsbladeren veranderden. De GL-5-stam zorgde ervoor dat de plant hogere niveaus van bepaalde defensieve chemicaliën opbouwde, specifiek flavonoïden en fenolische zuren, die bekend staan om het afschrikken van insecten. Tegelijkertijd veranderde de schimmel de gemeenschap van bacteriën die op het bladoppervlak leefden. De GL-5-stam stimuleerde de groei van een specif type bacterie genaamd Enterobacter, die gekoppeld is aan de productie van deze defensieve chemicaliën. In contrast hiermee stimuleerde de H8-stam een andere bacterie genaamd Chryseobacterium en veranderde het de suikermetabolisme van de plant. Deze veranderingen in de chemie van de plant en haar microbiële buren verstoorden de eigen interne systemen van de worm. De wormen die de behandelde planten aten, hadden problemen met het verwerken van toxines; hun detoxificatie-enzymen waren ofwel overbelast of onderdrukt, waardoor ze kwetsbaar en niet in staat waren om zich goed te ontwikkelen.

Misschien wel de meest verrassende bevinding was hoe deze veranderingen invloed hadden op een natuurlijke vijand van de legerworm: een parasitaire wesp genaamd Microplitis manilae. Deze wesp jaagt de wormen door haar eitjes in hen te leggen, waarbij zij uiteindelijk de gastheer doodt. De onderzoekers wilden weten of de met schimmels behandelde planten de behulpzame wespen zouden helpen of zouden schaden. Ze ontdekten dat de GL-5-stam de wespen daadwerkelijk effectiever maakte. Wanneer wespen de kans kregen om te jagen op wormen die zich hadden gevoed met de met GL-5 behandelde planten, slaagden ze er beter in om de wormen te parasiteren, en de wespencoconnen die zij produceerden waren zwaarder en sterker. Dit suggereert dat de veranderingen in de plant de wormen makkelijkere doelwitten maakten voor de wespen, mogelijk door de wormen te verzwakken of de signalen die zij uitzenden te veranderen. De H8-stam bood echter niet hetzelfde voordeel aan de wespen, wat benadrukt dat verschillende schimmelstammen zeer specifieke en uiteenlopende effecten kunnen hebben op het gehele ecosysteem.

De studie concludeert dat deze endofytische schimmels krachtige instrumenten zijn voor het beheersen van plagen, maar dat ze op verschillende manieren werken afhankelijk van de gebruikte stam. De GL-5-stam lijkt de superieure keuze voor een gecombineerde strategie, omdat deze niet alleen de plaag direct verzwakt, maar ook de prestaties van de natuurlijke predatoren die helpen bij de controle ervan een boost geeft. Door het interne chemische milieu van de plant en de gemeenschap van microben op de bladeren te hervormen, creëren deze schimmels een omgeving waarin de plaag moeite heeft om te overleven en zich voort te planten, terwijl hun natuurlijke vijanden gedijen. Dit onderzoek biedt een blik op een toekomst waarin boeren deze microscopische bondgenoten kunnen inzetten om hun gewassen te beschermen, waarbij ze vertrouwen op de complexe relaties tussen planten, schimmels, insecten en bacteriën om gezonde velden te behouden zonder de noodzaak van zware chemische interventies. De bevindingen bieden een duidelijk mechanisme voor hoe deze interacties werken, wat de weg vrijmaakt voor meer duurzame en effectieve manieren om een van de meest destructieve plagen in de landbouw te bestrijden.