Cum se apără plantele de insecte. Rolul izoprenului în activarea hormonilor JA

Creșterea temperaturilor agravează problema. Metabolismul insectelor accelerează la căldură. Consumul de țesut vegetal crește. Se estimează că pierderile de recoltă pot crește cu 10% până la 25% pentru fiecare grad de încălzire globală.

Aceste efecte pun presiune pe securitatea alimentară. Costurile de producție cresc. Calitatea biomasei scade. Utilizarea pesticidelor devine tot mai intensă. Acest lucru afectează și mediul. Din acest motiv, cercetătorii caută plante mai rezistente la insecte. Un rol important îl au compușii volatili produși de plante. Printre aceștia se află terpenele și izoprenul.

Izoprenul, moleculă de apărare și semnal biologic

Izoprenul este un hemiterpen emis de multe plante. El reprezintă o parte semnificativă din emisiile globale de hidrocarburi naturale. În atmosferă, izoprenul reacționează și contribuie la formarea de radicali liberi, ozon și aerosoli în prezența oxizilor de azot.

În plante, rolul său este diferit. Izoprenul ajută la protecția împotriva stresului abiotic. Acesta include căldura, seceta și stresul oxidativ.

Izoprenul este produs în cloroplaste. Procesul implică calea metabolică MEP. Din fotosinteză rezultă precursori precum gliceraldehid-3-fosfat și piruvat. Aceștia conduc la formarea DMADP, transformat în izopren prin enzima izopren sintază. Procesul este energetic costisitor. Fiecare moleculă de izopren necesită 14 NADPH și 20 ATP. Cu toate acestea, beneficiile par să justifice costul energetic.

Izoprenul nu este doar un compus volatil. El acționează și ca moleculă de semnalizare. Influențează expresia genelor, proteinele și metabolismul plantelor. Astfel, crește rezistența la stres.

Hormonii plantelor și răspunsul la insecte

Plantele folosesc mecanisme complexe de apărare. Un rol central îl are hormonul jasmonic (JA). Acesta este activat rapid după atacul insectelor, în aproximativ 2 ore.

După infestare, nivelul de JA și derivatul său JA-Ile crește. Plantele cu deficiență de jasmonat sunt mai vulnerabile la insecte. Studiul arată că plantele care emit izopren au răspuns hormonal mai puternic. Genele implicate în biosinteza JA sunt mai active. De asemenea, multe gene responsive la izopren sunt conectate la elemente de reglare asociate cu semnalizarea JA.

În plantele emitente de izopren, sunt activate și alte căi de apărare. Acestea includ metaboliți precum glucosinolatele, poliaminele, oxilipinele și fenilpropanoidele. Insectele preferă plantele care nu emit izopren. Omizile de tip Manduca sexta consumă mai puțin din plantele emitente. Greutatea larvelor este mai mică atunci când se hrănesc cu aceste plante.

Efecte asupra hrănirii și metabolismului plantelor

Experimentele arată diferențe clare între plantele emitente și cele non-emitente de isopren. Plantele emitente sunt mai puțin afectate de consumul insectelor. Fotosinteza este redusă mai puțin în plantele cu izopren. Aceasta se datorează unei închideri stomatale mai reduse. Activitatea rubisco și regenerarea RuBP rămân similare între grupuri.

După vătămare mecanică, emisia de izopren crește rapid. Creșterea începe în primul minut și se stabilizează după aproximativ 30 de minute.

Metaboliții din calea MEP cresc după rănire. Se observă creșteri în MEcDP și HMBDP. De asemenea, piruvatul crește, ceea ce indică un flux crescut de carbon din fotosinteză către calea MEP. Hormonul JA crește din nou după rănire. Profilul hormonal este similar cu cel observat în atacul insectelor.

Studiul din Science Advances arată că izoprenul nu are doar rol în protecția împotriva stresului de mediu. El joacă și un rol important în apărarea împotriva insectelor.

Izoprenul activează răspunsul hormonal bazat pe jasmonat. Acest lucru crește rezistența plantelor la atacul insectelor. Rezultatele sugerează că această trăsătură ar putea fi introdusă în culturi agricole. Scopul ar fi reducerea pierderilor cauzate de dăunători și diminuarea utilizării pesticidelor.