作物は、昆虫と温暖化気候からの二重の問題に直面する可能性があります

作物は、昆虫と温暖化気候からの二重の問題に直面する可能性があります 暑さの中で、トマト植物は空腹なタバコのスズメガ、Manduca sextaを撃退することができません。 www.shutterstock.comから

数千年の間、昆虫とそれらが食べる植物は、共進化の戦いに従事してきました:食べるか食べないか。 最近まで、XNUMXつの敵対的な側面は、ある種の行き詰まりを維持してきました。 しかし、気候変動により、気温が高くなると、昆虫に有利なバランスが崩れ、作物やその傾向のある農家に危険がもたらされます。

ミシガン州立大学の私たちの研究チーム 植物弾性研究所 暑い季節に何が起こったかを見て スズメガの幼虫がトマトを襲った。 トマトがなくなった。 熱波の間、植物は驚くべきトレードオフを見た:それは毛虫から身を守ったが、この努力はそれが熱の有害な影響に対処することを妨げた。 これにより、植物が過熱し、幼虫の手が強くなりました。

2018年の研究者による研究は、地球温暖化の各程度が 昆虫による作物の損失を10%から25%増加させる 昆虫の個体群とその食欲が暖かい温度で急上昇するためです。 干ばつや洪水が長引くなど、気候に関連する他の変数がこれらの損失を悪化させる可能性があります。

しかし、科学者たちは食物生産に対するこれらのさまざまな課題を特定しましたが、熱と昆虫の組み合わせが植物の組み込み防御システムにどのように影響するかについてはまだよくわかっていません。

植物は絶えず植物を食べる昆虫の存在を含め、環境の変化を感知し、それに反応します。

植物が害虫を撃退する方法

動物とは異なり、植物は捕食者から逃げたり隠れたりすることはできません。 代わりに、植物は昆虫や他の植物の消費者による攻撃を撃退する有毒化学物質の武器を生産します。

これらの化合物の生産はコストがかかり、成長を阻害することが多いため、植物は噛む昆虫によって損傷を受けた場合にのみ、この化学防御兵器を配備します。 このプロセスは、植物を傷つけるホルモン、ジャスモン酸によって引き起こされます。ジャスモン酸は、昆虫を撃退する化学防御化合物の生合成、分布、および貯蔵をしっかりと制御します。

20年以上にわたり、私たちはジャスモン酸をどのように研究してきました 植物を守る 昆虫草食動物から。 最近になって、地球の気温上昇がこの一般的な植物防御メカニズムにどのように影響するかについて考え始めました。

熱と空腹の毛虫

私たちの研究では チャレンジしたトマト ホルムワームキャタピラーの場合、通常の温度条件:華氏82度(日数約28度)、華氏64度(夜間約18度)。 また、日中は気温が100°F(38°C)に上昇し、夜間に数日間82°F(28°C)に下がる熱波もシミュレーションしました。

植物はジャスモン酸の生産を強化し、その結果、さまざまな防御化合物の生産量を増加させることにより、より高温に対応しました。 それでも、昆虫は熱の中で植物を執拗に食べました。

一方、私たちのチームによる並行した研究では、温度の穏やかな上昇が見られました 昆虫の代謝をスピードアップ 彼らはより速く食べ、植物により多くのダメージを与えた。 トマトはその化学反応で一生懸命戦いましたが、昆虫の強力な熱誘発食欲を中和することはできませんでした。

モデルは、出没する植物が気温の上昇にどのように反応するかを考慮していないため、気候変動による作物の損失を過小評価している可能性があります。

昆虫+熱=二重トラブル

植物は、温度が高くなりすぎたときに冷却するためにXNUMXつの方法を使用します。 彼らは気孔と呼ばれる小さな葉の毛穴を開き、発汗が人間を冷やすのと同じくらいそれらを冷やす水を放出します。 植物はまた、おそらく涼​​しい風を求めて、葉を高温の土壌から持ち上げて熱ストレスと闘います。

予想外のことですが、高温のキャタピラーにチャレンジされたトマトはこれらのことを行わず、葉を冷やすことができなかったことが、私たちの研究で思いがけず発見されました。

私たちの追跡実験では、毛虫が葉を食べ、植物がジャスモン酸ホルモンを活性化すると、これが小さな気孔の開口部をブロックし、葉が冷えて上がらないようにすることもわかりました。 植物はその冷却応答を展開できず、同時に光合成(太陽光と二酸化炭素から食物を作る)が減少しました。

これらの状況は、植物の成長を効果的に遅らせます。 したがって、トマト植物は昆虫の攻撃や高温にうまく対処できますが、これらXNUMXつのストレスが同時に発生すると、二重の問題を引き起こします。 その結果、空腹の毛虫と葉の過熱による急速な落葉が起こります。

実環境での植物の研究

なぜ昆虫の攻撃で植物が冷えないのかは謎のままです。 しかし、植物が昆虫の攻撃中に気孔を閉じると、傷ついた葉から気化しないようにして水を節約します。 水が不足している場合、この反応はプラントに利益をもたらす可能性があると考えています。これは、熱波の場合によく見られます。

高度に制御された実験室条件下ではなく、荒々しい自然環境で育った植物を研究することで、この問題に対処する予定です。 このような研究は、熱と傷のストレスの両方に耐えることができる作物を開発するために必要であると私たちは信じています。

より弾力性のある植物を作る

多くの専門家は、農業の生産性が次の30年間で倍増し、 急増する人口。 主要作物の現在の収量軌道は、変化する地球環境の不確実な影響と相まって、世界が従来の農業慣行を使用したこの需要に十分に及ばないことを示唆しています。

イギリスの 王立協会 他の科学機関は、 第二次グリーン革命 これは、ますます過酷な環境条件に直面してもより回復力のある作物の開発を通じて、農業の持続可能な強化を可能にします。

ゲノミクスや遺伝子編集から計算およびデータサイエンスアプローチまでの最近の技術進歩は、研究者にこの目標に向けて取り組む前例のない機会を提供します。 熱と昆虫の攻撃の複雑な相互作用をよりよく理解する上で、私たちの研究が温暖化の世界における植物の回復力を高めるための新しい戦略に役立つことを願っています。

著者について

生化学と分子生物学の教授、グレッグ・ハウ ミシガン州立大学 植物研究ポスドク研究員のネイサン・ハブコ氏は、 ミシガン州立大学

この記事はから再公開されます 会話 クリエイティブコモンズライセンスの下で 読む 原著.

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