The effect of Rhizobium-field pea symbiosis on host plant quality and subsequent herbivory by the pea leaf weevil, Sitona lineatus (Coleoptera: Curculionidae)

In de verborgen wereld onder de grond vormt een stille samenwerking de gezondheid van de plantenwereld daarboven. Veel planten, met name die uit de vlinderbloemenfamilie zoals erwten en bonen, sluiten een wederzijdse overeenkomst met minuscule bacteriën genaamd rhizobia. Deze bacteriën leven in kleine bultjes op de wortels van de plant, bekend als knolletjes. In ruil voor een plek om te wonen en suikers van de plant, vervullen de bacteriën een vitale dienst: ze halen stikstofgas uit de lucht en zetten dit om in een vorm die de plant kan gebruiken om te groeien. Dit proces, bekend als stikstoffixatie, werkt als een natuurlijke meststof, waardoor de plant kan gedijen zonder extra voedingsstoffen uit de grond nodig te hebben. Deze ondergrondse alliantie bestaat echter niet in een vacuüm. De extra stikstof verandert de chemie en de nutritionele samenstelling van de plant, wat op zijn beurt de insecten die ervan eten beïnvloedt. Voor boeren en ecologen is het begrijpen van deze kettingreactie cruciaal. Als de bacteriën de plant voedzamer maken, kunnen ze meer plagen aantrekken. Als ze de plant defensiever maken, kunnen ze hen juist afweren. De balans tussen groei en bescherming bepaalt hoeveel van een gewas de oogst overleeft.

Een team onderzoekers aan de University of Alberta zette zich scharpe om deze delicate balans te verkennen met behulp van de velderwt en een bekende plaag genaand de erwtenbladsnuit. Deze kleine kevers hebben een complexe levenscyclus die hun behoeften gedurende het jaar verandert. In de lente komen volwassen snuiten tevoorschijn uit hun winterslaap, paren ze en leggen ze eitjes in de bodem. Hun larven komen daarna uit en voeden zich uitsluitend met de wortelknolletjes, waarbij ze de bacteriën eten die de plant helpen groeien. Later op het jaar komt een nieuwe generatie volwassenen tevoorschijn. Deze herfstvolwassenen planten zich niet voort; in plaats daarvan voeden ze zich met de bladeren van diverse vlinderbloemen om energiereserves op te bouelen voordat de winter terugkeert. De onderzoekers wilden weten of de aanwezigheid van stikstoffixerende bacteriën in de wortels de kwaliteit van de bladeren veranderde en of de snuiten daardof voorkeur hadden voor planten met deze nuttige bacteriën of planten zonder hen. Ze vroegen zich ook af of het gedrag van de snuiten veranderde afhankelijk van of ze zich in hun reproductieve fase in de lente bevonden of in hun voedingsfase in de herfst.

Om het antwoord te vinden, kweekden de wetenschappers velderwtplanten in een gecontroleerde omgeving en behandelden ze deze op vier verschillende manieren. Sommige planten ontvingen een stam van bacteriën die stikstof fixeren, terwijl andere een gemuteerde stam ontvingen die wel knolletjes vormt maar geen stikstof kan fixeren. Twee andere groepen dienden als controles: één ontving synthetische stikstofmeststof, en de andere ontving alleen water. Het team introduceerde vervolgens volwassen snuiten in kooien die deze planten bevatten. Ze voerden deze tests op verschillende momenten van het jaar uit om overeen te komen met de natuurlijke cycli van de snuiten, door ze te testen wanneer ze net uit de winter waren gekomen, wanneer ze actief waren in de lente, en wanneer ze zich in de herfst voorbereidden op de overwintering. De onderzoekers telden het aantal beetsporen, of inkepingen, die de insecten op de bladeren achterlieten om te meten hoeveel ze aten. Ze maten ook de hoogte van de planten, telden de wortelknolletjes en analyseerden de chemische samenstelling van de bladeren, waarbij specifiek werd gekeken naar het stikstofgehalte en chlorofylgehaltes, wat aangeeft hoe groen en gezond de plant is.

De resultaten toonden een duidelijk patroon dat volledig afhankelijk was van de fysieke staat van de snuit. De lente-snuiten, die druk bezig waren met voortplanting, toonden geen voorkeur voor welke plant dan ook. Ze aten ongeveer evenveel van de stikstoffixerende planten, de niet-fixerende planten en de controles. Ook de snuiten die net uit de winter waren ontwaakt, toonden geen sterke voorkeur. Echter, de herfst-snuiten vertelden een ander verhaal. Deze insecten, die zich niet voortplanten en gefocust zijn op het verzamelen van energie voor de koude maanden die komen, gaven een sterke voorkeur voor de planten met de stikstoffixerende bacteriën. Ze lieten aanzienlijk meer beetsporen achter op de planten met de nuttende bacteriën dan op de andere groepen.

Deze voorkeur was geen mysterie voor de onderzoekers, aangezien de planten zelf het verhaal vertelden. De erwten die geïnoculeerd waren met de stikstoffixerende bacteriën groeiden hoger en ontwikkelden bladeren met hogere niveaus van chlorofyl en stikstof vergeleken met de andere planten. Essentieel genomen maakten de bacteriën de planten voedzamer en vitaler. De herfst-snuiten, gedreven door de noodzaak om energie op te slaan, kozen de meest voedzame voedselbron die beschikbaar was. Ze kozen de meest voedzame voeding beschikbaar. Deze bevinding daagt het idee uit dat begunstigende bacteriën planten altijd beschermen door ze vies te laten smaken of chemisch te verdedigen tegen insecten. In plaats daarvan maakten de bacteriën in dit specifieke geval de plant een betere maaltijd voor de plaag. De studie suggereert dat voor de herfstgeneratie van de erwtenbladsnuit de drang om hoogwaardige voeding te vinden, eventuele chemische verdedigingsmechanismen van de plant overstijgt. De onderzoekers merkten op dat hoewel stikstofmeststof ook hielp bij de groei van de planten, het niet hetzelfde niveau van voorkeur bij de snuiten produceerde als het natuurlijke bacteriële partnerschap, wat erop wijst dat de relatie tussen de plant en de bacteriën meer inhoudt dan alleen de stikstof zelf.

Het werk benadrukt hoe de behoeften van een insect hun relatie met een plant kunnen dicteren. Wanneer de snuiten in de lente gericht waren op voortplanting, leken de nutritionele verschillen tussen de planten er niet toe te doen. Maar wanneer hun doel verschoof naar overleving en energieopslag in de herfst, werd de superieure kwaliteit van de door bacteriën gevoede planten de beslissende factor. Dit inzicht voegt een nieuwe laag toe aan ons begrip van hoe bodemmicroben de wereld boven de grond beïnvloeden. Het suggereert dat het bestrijden van plagen vereist dat men kijkt naar het specifieke levensstadium van het insect en de nutritionele status van het gewas. Door te begrijpen dat de zeer nuttige bacteriën die bedoeld zijn om de plant te helpen, de plant ook aantrekkelijker kunnen maken voor hongerige plagen die zich voorbereiden op de winter, kunnen wetenschappers beter voorspellen wanneer en waar deze insecten de meeste schade zullen aanrichten. De studie biedt geen eenvoudige oplossing, maar geeft een duidelijker beeld van de onzichtbare krachten die de interacties tussen bodem, planten en de insecten die van hen eten, vormgeven.