Hoe herkennen planten een schadelijk insecten-ei?

In een nieuw NWO/STW VIDI-project willen onderzoekers van Wageningen University & Research proberen gewassen te helpen bij het herkennen van eitjes van schadelijke insecten. Effectieve herkenning biedt immers mogelijkheden voor het verbeteren van de weerbaarheid van planten, maar ook voor betere biologische bestrijding van plagen.

Verschillende planten kennen een unieke verdediging tegen insecten, nog vóór die schade kunnen aanrichten: ze bestrijden hun eieren. Zo kunnen de eitjes van verschillende vlinders of motten een overgevoeligheidsreactie bij een plant in gang zetten. Door die reactie sterft het weefsel rond een eitje op gecontroleerde wijze af, waardoor het eitje verdroogt en van de plant afvalt. Op die manier komen er minder rupsen uit die de plant kunnen beschadigen. Bovendien scheiden die planten op hetzelfde moment vaak stoffen uit die parasitaire insecten aantrekken. Die kunnen vervolgens de eitjes onschadelijk maken die nog wél op de plant achterblijven; een dubbelloops eerste verdedigingslinie dus.

Doel van het onderzoek

Het primaire doel van ons onderzoek is: ontdekken hoe planten de eitjes van schadelijke insecten herkennen zodat ze hun dubbele defensie in werking kunnen zetten. Zijn er specifieke stoffen of signalen die de reactie op het ei in gang zetten? Het is al mogelijk gebleken om de natuurlijke afweer van planten tegen insecten te versterken door gebruik te maken van kunstmatige signalen. Ook de aantrekkingskracht van een plant op biologische bestrijders lijkt kunstmatig verhoogd te kunnen worden.

Preventieve defensie

Het versterken van de natuurlijke reactie van planten op potentieel schadelijke eitjes is een aantrekkelijke optie om schade aan gewassen te voorkomen. Er zijn al verschillende concepten die gebruik maken van natuurlijke vijanden van plaaginsecten, of die de natuurlijke weerstand van planten tegen plagen proberen te verhogen. Maar in die gevallen zullen plagen bijna altijd nog schade aan kunnen richten. Door de eieren te bestrijden grijpt de plant in nog vóór er schadelijke rupsen uit kunnen komen.

‘Slimme’ vlinders veroorzaken veel schade

In ons onderzoek kijken we vooral naar de orde van de lepidoptera: ‘schubvleugelen’ zoals vlinders en motten. Deze insecten kunnen grote schade aanrichten in bossen, graanopslag en in vezel- en voedselgewassen. Door de domesticatie van wilde planten hebben we in veel gevallen onbedoeld ook hun gevoeligheid voor deze schadelijke insecten verhoogd. De bittere smaak van veel koolsoorten bijvoorbeeld, wordt veroorzaakt door mosterdoliën. De consument houdt daar niet van, maar schadelijke insecten ook niet. Door de bittere smaak uit het gewas te veredelen, zijn de planten dus aantrekkelijker geworden voor consumenten én plaaginsecten.

De klassieke manier om de insecten te bestrijden is via insecticiden, maar veel plaagdieren zijn slim genoeg gebleken om resistentie te ontwikkelen tegen deze middelen. Herbivore insecten hebben in veel gevallen speciale enzymen ontwikkeld die de gifstoffen, zowel die uit de plant als die uit insecticiden, onschadelijk kunnen maken. Daarnaast komen schadelijke insecten steeds vaker in invasies voor, waardoor ze veel schade aanrichten.

Genetisch potentieel

In sommige planten zijn al genen gevonden die afweer reguleren tegen insecten die de bast van planten aantasten. Vergelijkbare genen die de afweer tegen rupsenvraat reguleren zijn evenwel nog niet bekend. Hier liggen dan ook belangrijke onderzoeksvragen: hoe ontwijken insecten de verdediging van planten en hoe bestrijden planten de eitjes nog vóór die rupsen kunnen produceren?

Hoe eerder hoe beter

Voor de meeste herbivore insecten - zeker voor motten en vlinders – begint de kolonisatie van een waardplant met het leggen van eitjes. Vanuit de optiek van de plant is dat dan ook het beste moment om in actie te komen. In de literatuur zijn verschillende reacties beschreven van planten op het leggen van eitjes door plaaginsecten. Die variëren van het direct doden van de eitjes, tot een bestrijding van de larven die feitelijk al door de detectie van de eitjes door de plant in gang wordt gezet. Planten kunnen ook de hulp van parasitaire insecten inroepen, zoals ook in het WUR programma BINGO wordt onderzocht.
In lijn met dat onderzoek willen wij nu de wapenwedloop tussen vlinders en motten aan de ene kant en de plant aan de andere kant verder ontrafelen.

De plant als ei-doder

Voor de start van ons NWO/STW Vidi project Pest killing plants: Unravelling a programmed cell death response lethal to insect eggs, is al gezien dat de eitjes van verschillende vlinders en motten en ook van de Colorado aardappelkever weefselsterfte kunnen induceren bij planten. Deze zogenoemde overgevoeligheidsreactie komt bij verschillende planten en dieren voor in reactie op ziekteverwekkers. Wanneer deze reactie rond een insecteneitje optreedt, sterft dat ei doorgaans af door uitdroging op het dode plantenweefsel.

In eerder onderzoek hebben wij laten zien dat de eitjes van koolwitjes een vergelijkbare overgevoeligheidsreactie uitlokken op het weefsel van een wilde variant van onze koolsoort: zwarte mosterd (Brassica nigra). We zagen daarbij een behoorlijke (fenotypische) variatie, zowel tussen als binnen planten. Verschillende genotypen konden geen, een milde of juist een sterke reactie op eitjes van de witjes vertonen. Bovendien zagen we dat de overgevoeligheidsreactie gepaard ging met het uitstoten van vluchtige stoffen die parasitaire insecten aantrekt.
Deze dubbele verdediging zorgde voor een sterfte onder de eitjes tot wel 80%. Daarmee is het een aantrekkelijk mechanisme om in te zetten bij de bescherming van gewassen tegen plagen.

In dit VIDI-project willen we de genetische basis achter de reactie op insecteneitjes ontrafelen. Daartoe zullen we de interacties tussen raapzaad (Brassica rapa) en koolwitjes bestuderen. Van raapzaad zijn veel variëteiten beschikbaar, inclusief de bijbehorende genetische informatie. Bovendien is de overgevoeligheidsreactie een bekende eigenschap in deze soort. Verder kent de plant een kort generatie-interval en een aanzienlijke economische waarde, wat het een aantrekkelijk modelgewas maakt.

Omdat de necrose van het plantenweefsel in reactie op eitjes sterk lijkt op de weefselsterfte na besmetting met ziekteverwekkers zoals virussen, zullen we ook specifiek kijken naar de mogelijke rol van bacteriën die de insecten bij zich dragen, in het opwekken van een overgevoeligheidsreactie. Mogelijk wordt de weefselsterfte geïnduceerd door die bacteriën.

Dit project wordt ondersteund door de zaad- en veredelingsbedrijven Hazera, Syngenta, Bayer Crop Science, RijkZwaan, en Keygene

Publications:

Prospects of pest-killing defenses for sustainable crop protection
Fatouros, N.E., Cusumano, A., Danchin, E.G.J., and Colazza, S. P. Ecology and Evolution, 6, 6906-18