Енрик Фраго

1 Лаборатория по ентомология, Университет Вагенинген, П.О. Каре 16, 6700AA Вагенинген, Холандия

2 CIRAD, UMR PVBMT, Saint-Pierre, La Réunion F-97410 Франция

Мукта Мала

1 Лаборатория по ентомология, Университет Вагенинген, П.О. Каре 16, 6700AA Вагенинген, Холандия

Berhane T. Weldegergis

1 Лаборатория по ентомология, Университет Вагенинген, П.О. Каре 16, 6700AA Вагенинген, Холандия

Ченджиао Янг

1 Лаборатория по ентомология, Университет Вагенинген, П.О. Каре 16, 6700AA Вагенинген, Холандия

Ailsa McLean

3 Катедра по зоология, Университет в Оксфорд, South Parks Road, Оксфорд, OX1 3PS UK

H. Charles J. Godfray

3 Катедра по зоология, Университет в Оксфорд, South Parks Road, Оксфорд, OX1 3PS UK

Риета Голс

1 Лаборатория по ентомология, Университет Вагенинген, П.О. Каре 16, 6700AA Вагенинген, Холандия

Марсел Дике

1 Лаборатория по ентомология, Университет Вагенинген, П.О. Каре 16, 6700AA Вагенинген, Холандия

Свързани данни

Наборите от данни, генерирани по време и/или анализирани по време на настоящото проучване, са достъпни от съответния автор при разумна заявка.

Резюме

Растенията реагират на нападение от насекоми, като отделят смеси от летливи химикали, които привличат специфичните естествени врагове на техните тревопасни животни, докато тревопасните насекоми могат да носят ендосимбиотични микроорганизми, които директно подобряват оцеляването на тревопасните животни след нападение от естествен враг. Тук ние демонстрираме, че двете явления могат да бъдат свързани. Растенията, хранени с грахови листни въшки, отделят летливи вещества, които привличат паразитни оси, а граховата листна въшка може да носи факултативни ендосимбиотични бактерии, които предотвратяват развитието на ларвата на паразитната оса и по този начин значително подобряват оцеляването на листните въшки след атака на оса. Ние показваме, че тези ендосимбионти също така отслабват системното отделяне на летливи вещества от растенията след атака на листни въшки, намалявайки набирането на паразитни оси и увеличавайки годността на листните въшки. Нашите резултати разкриват нов механизъм, чрез който симбионтите могат да се възползват от своите домакини и подчертават значението на разглеждането на микробиома при разбирането на екологичните взаимодействия на насекомите.

Въведение

Естествените врагове на тревопасните насекоми обикновено използват летливи химически сигнали, за да намерят често скритите си гостоприемници или плячка в структурно сложната среда, която обитават 7. Мутуалистичните симбионти могат да повлияят на вероятността за откриване на техните домакини по два начина. Първо, те могат да произвеждат „инфохимикали“, които привличат естествени врагове. Например, бръмбарите носят симбиотични гъби, които използват за смилане на дървесината, но симбионтът също така отделя летливи вещества, които привличат паразитни оси 8, 9. Тук хранителната полза, осигурена от симбионта, може да бъде противодействана чрез повишено привличане към естествените врагове, нещо, което може да доведе до загуба на микробния партньор в гостоприемната популация, когато естественият натиск на врага е висок. Второ, симбионтите могат да попречат на способността на растението да привлича естествените врагове на своето тревопасно животно, така че да облагодетелства домакина. Растенията често реагират на нападение от тревопасни животни, като отделят специфична смес от летливи вещества, които привличат естествените врагове на насекомите (така нареченото „набиране на бодигард“) 10. Не знаем дали наличието на факултативни симбионти пречи на индукцията на този косвен механизъм за защита на тревопасните животни.

И накрая, проведохме по-ограничен набор от експерименти с олфактометър, за да проверим дали пренасянето на четири други ендосимбионта е повлияло на набирането на паразитна оса A. ervi. Видовете, които изследвахме, бяха (i) Regiella insecticola, която обикновено предпазва A. pisum от специализирани патогенни гъби, но не и паразитни оси 25; (ii) Spiroplasma sp. които, в зависимост от конкретния изолат, могат или не могат да предоставят защита срещу оси 26, 27; (iii) Serratia symbiotica, която също показва някои специфични за щама паразитни защитни оси 20 и предпазва листните въшки от топлинни удари 28; и (iv) Rickettsiella sp., която е по-слабо характеризирана, но е известно, че влияе върху цвета на тялото на листни въшки и оттам евентуално привличане към естествените врагове 29 .

Нашето проучване показва, че растенията, заразени с листни въшки, носещи различни видове симбионти и щамове, са по-малко привлекателни за паразитната оса A. ervi чрез системни промени в индуцираните от тревопасни животни летливи вещества, което в крайна сметка намалява набирането на паразитни оси и увеличава годността на листните въшки. Това демонстрираме с поведенчески експерименти, но също така анализирайки летливи смеси. Спрямо растенията, хранени с листни въшки без симбионти, смесите от растения, хранени с листни въшки, носещи симбионта H. defensa, са различни и общите емисии са по-ниски. Нашите резултати разкриват нов механизъм, чрез който симбионтите на насекомите защитават своите гостоприемници чрез манипулиране на индуцирана защита, монтирана от растенията в отговор на нападение от насекоми.

Резултати

Ефект на симбионт H. defensa върху привличането на паразитни оси

предпазват

Паразитни оси предпочитат летливи вещества от растения Fabaceae, заразени с листни въшки със или без ендосимбионта. Реакция на паразитна оса (Aphidius ervi) на летливи вещества, излъчвани от растения, заразени с листни въшки (Acyrthosiphon pisum) със или без ендосимбионта Hamiltonella defensa. За всеки тест лентите показват стандартни грешки, а звездичките значат значимостта на отклонението от липсата на избор (t-тест: ** p 1

Ефект на симбионт H. defensa върху атаката на паразитни оси

Количествено определяне на избрани летливи съединения, открити в главното пространство на растението. Летливите вещества бяха събрани от растения Vicia faba, заразени с листни въшки Acyrthosiphon pisum, носещи симбионта Hamiltonella defensa или не. Стойностите се изразяват като пикови площи, разделени на сухо тегло на растението (g) и лентите показват стандартни грешки. Както е показано в Допълнителна таблица 2, бяха извършени двойни сравнения за тези съединения с „променлива важност в проекцията“ (VIP) резултат, по-голям от един в дискриминантния анализ на главните най-малки квадрати (PLS-DA). Включени са само съединения, чието количество е значително различно след коригиране на р-стойностите с подхода на фалшивото откриване. * Ацетомезитилен: 1,3,5-триметил-2-ацетилбензен

Ефектът на други симбионти върху набирането на паразитни оси

Много растения реагират на тревопасните чрез излъчването на специфични смеси от летливи вещества, които привличат естествени врагове 10. Защитата на растенията често се задейства от специфични причинители в тревопасните орални секрети 32. Насекомите обаче са разработили стратегии за преодоляване на тези защитни сили с помощта на слюнчени ефектори 33 - 36 или чрез имитиране на растителни хормони 37. Въпреки че растенията, заразени с листни въшки, носещи симбионта или без него, излъчват същите летливи съединения, ние открихме количествени разлики в летливите смеси. По-конкретно, количествата на девет летливи съединения са значително по-ниски от растенията при обработката на симбионта. Сред тях преди е доказано, че β-кубебенът и α-аморфенът се излъчват от растения, заразени с листни въшки, но не и от здрави растения 15, което прави тези две съединения потенциални атрактанти на специализираната оса A. ervi. Проучванията, комбиниращи газохроматография, електроантенография и поведенчески анализи, могат да помогнат за идентифициране на характеристиките на компонентите на сместа, които влияят върху поведението на паразитната оса. Необходими са и допълнителни изследвания, за да се разберат молекулярните механизми, чрез които симбионтите в листната въшка могат да повлияят на физиологията на растенията, вероятно чрез промени в нивата на фитохормона.

Продукти, получени от задължителния симбионт Buchnera aphidicola, са открити в слюнката на A. pisum и е известно, че индуцират растителна защита 38. Защитните реакции на растенията зависят най-вече от пътищата, регулирани от фитохормони, а проучвания с белокрилки и колорадски бръмбар показват, че симбионтите могат да регулират нивата на фитохормона жасмонова киселина по начини, които са от полза за техните домакини 5, 6. Би било интересно да се проучи дали съединенията, получени от факултативни симбионти на листни въшки, присъстват в слюнката и се инжектират в растението. Наличен е пълният геном на H. defensa и той съдържа последователности, подобни на тези, кодиращи ефекторни протеини в растителни патогени, които са замесени в разпознаването на растения от бактериални патогени, които потенциално могат да играят роля при манипулирането на растителните фитохормонални реакции 39. Както е прегледано от Pineda et al. 40, микробните симбионти на растенията могат също да модулират производството на растителноядни индуцирани летливи вещества чрез промяна на защитните реакции на растенията, което е в основата на значението на микробните влияния върху взаимодействията между растения и насекоми.

В заключение показваме, че микробните симбионти добавят още едно ниво на сложност към и без това сложната роля на растителните летливи вещества при посредничеството във връзката между растенията, тревопасните и техните естествени врагове. Ние също така демонстрираме, че те защитават гостоприемника (и себе си) от паразитоидна оса атака както директно, като намаляват шансовете за успешно развитие на оси, така и индиректно, като намаляват вероятността от атака на оси. Листните въшки включват някои от най-важните вредители на умерените култури и разбирането на тези взаимоотношения може да помогне за предизвикателството при проектирането на по-благоприятни за околната среда стратегии за борба с вредителите. Тези стратегии могат да включват оценка на разпространението на защитни симбионти в популациите от вредители 41 и подбор на растителни сортове, които веднъж нападнати от листни въшки, максимизират привличането към естествените врагове на листни въшки 42 .

Методи

Експериментални организми

Всички листни въшки, използвани в това проучване (Таблица 1), са събрани от различни видове растения гостоприемници в Оксфордшир (Южна Англия) и се поддържат в лабораторията върху широки боб растения (V. faba, cv. The Sutton) при постоянни условия от 20 ± 1 ° C и 70 ± 5% относителна влажност при режим 16: 8 h светлина: тъмно (L: D), за да се осигури непрекъснато безполово размножаване. След събирането на листни въшки се проверява с помощта на диагностични PCR за осемте често срещани факултативни ендосимбионти, известни от този вид листни въшки 43 - 45. Симбионтите бяха отстранени от естествено заразени клонинги с помощта на коктейл от антибиотици (ампицилин, цефотаксим и гентомицин), прилагани през растението гостоприемник. Тези антибиотици не увреждат задължителния първичен симбионт Buchnera aphidicola. Нови симбионтни инфекции са създадени чрез микроинжектиране на хемолимфа от донорска въшка в приемния клонинг, който не носи естествени факултативни симбионти. Всички експерименти са извършени най-малко 10 поколения листни въшки след манипулация. Преди експериментите съставът на симбионта беше проверен с помощта на диагностични PCR. Допълнителни подробности за експерименталните процедури могат да бъдат намерени в референции. 18, 46,], докато обобщение на листните въшки и симбионтите, използвани в това проучване, е дадено в Таблица 1 .

маса 1

Използвани щамове симбионт и биотип на листната въшка Acyrthosiphon pisum, от който са елиминирани с антибиотици или получени при микроинжектиране