Μηχανισμοί άμυνας των φυτών ενάντια εντόμων

Τα φυτά και τα φυτοφάγα έντομα ζουν μαζί στη Γη εδώ και περισσότερα από 400 εκατομμύρια χρόνια (War et al., 2012). Και οι δύο οργανισμοί έχουν εξελίξει στρατηγικές για να αποφεύγουν τα αμυντικά συστήματα ο ένας του άλλου προκειμένου να επιβιώσουν.

Σε κάθε φυτικό οργανισμό, το αμινοξύ φαινυλαλανίνη  βοηθάει τόσο στην ανάπτυξη όσο και στην άμυνα των φυτών. Αυτό σημαίνει ότι η χρησιμοποίησή του από το φυτό γίνεται και για τις 2 διεργασίες με έναν ανταγωνιστικό τρόπο (Karabourniotis et al.,2012).

Σε πολλές περιπτώσεις, η εξημέρωση φυτικών ειδών (σύγχρονες καλλιέργειες) οδηγεί στην απώλεια ή μείωση έντασης έκφρασης των χαρακτηριστικών εκείνων που σχετίζονται με την άμυνα ενάντια στους «εχθρούς» (Mitchell et al., 2016). Αυτό, μπορεί να συνέβη επειδή οι βελτιωτές εστίαζαν περισσότερο σε άλλα εμπορικά σημαντικά χαρακτηριστικά όπως η αυξημένη παραγωγικότητα των φυτών. Ταυτόχρονα, η χρήση εντομοκτόνων αντιστάθμιζε αυτή την απώλεια, βοηθώντας στον έλεγχο των εχθρών και μειώνοντας την ανάγκη τα φυτά να φέρουν συστήματα ανθεκτικότητας. Πλέον όμως, η ευαισθησία των σύγχρονων καλλιεργειών, σε συνδυασμό με την αυξημένη σοβαρότητα της ζημιάς που προκαλούν τα φυτοφάγα  έντομα και η ανάγκη μείωσης της εξάρτησης από τη χημική αντιμετώπιση, έχει οδηγήσει τους βελτιωτές πίσω στους άγριους συγγενείς των καλλιεργειών και στα χαρακτηριστικά τους που σχετίζονται με τους αμυντικούς μηχανισμούς  του φυτού έναντι των παρασίτων.

Άμυνα έναντι εντόμων: Επισκόπηση

Στρατηγικές που ακολουθούν τα φυτά για να προστατεύονται από τα έντομα

Τα φυτά ακολουθούν δύο κύριες στρατηγικές για να αμύνονται εναντίον των εχθρών τους:

• Η Ανθεκτικότητα προκύπτει όταν τα δομικά ή χημικά χαρακτηριστικά του φυτού που εμποδίζουν τα έντομα να τρέφονται με το φυτό, μειώνουν την πεπτικότητα-γευστικότητα των φυτικών ιστών (λόγω της παραγωγής τοξικών ενώσεων όπως αλκαλοειδή, τερπενοειδή ή γλυκοζινολικές ενώσεις). Αυτό ελαχιστοποιεί την ποσότητα της ζημιάς στο φυτό από φυτοφάγα έντομα.
• Η Ανοχή (ή Ανεκτικότητα) προκύπτει όταν τα χαρακτηριστικά των φυτών επιτρέπουν στα έντομα να τρέφονται από αυτά, αλλά το φυτό ελέγχει-περιορίζει το επίπεδο της βλάβης (ανά μονάδα εντόμου που υπάρχει) και διαθέτει ισχυρούς μηχανισμούς ανάκαμψης.

Και οι δύο στρατηγικές περιλαμβάνουν δύο επίπεδα άμυνας:

• Η θεμελιώδης ή προϋπάρχουσα άμυνα περιλαμβάνει όλα τα φυτικά χαρακτηριστικά- φυσικά και χημικά εμπόδια-που προστατεύουν συνεχώς το φυτό. Τέτοια παραδείγματα θα μπορούσαν να είναι ένας σκληρός φυτικός ιστός (πηκτίνη, κυτταρίνη και λιγνίνη), κηρώδεις εφυμενίδες, τριχώματα κ.α. Οι περισσότεροι από αυτούς τους προστατευτικούς μηχανισμούς είναι αποτελεσματικοί για μια μεγάλη ποικιλία εχθρών και περιλαμβάνονται στην άμυνα ευρέος φάσματος.
• Η επαγόμενη άμυνα περιλαμβάνει όλα τα φυτικά χαρακτηριστικά που ενεργοποιούνται μόνο όταν το φυτό αναγνωρίζει την απειλή των εντόμων μέσω της ύπαρξης ενός συστήματος επιτήρησης. Αυτός ο τύπος άμυνας μπορεί να εξοικονομήσει τους πόρους του φυτού μέχρι να χρειαστούν κρίσιμα για την επιβίωση του. Μερικά παραδείγματα επαγόμενης άμυνας στα φυτά, αποτελούν η ενίσχυση του κυτταρικού τοιχώματος (καλλόζη + εναπόθεση λιγνίνης), η παραγωγή τοξικών μεταβολιτών και ο τοπικός κυτταρικός θάνατος μέσω της αντίδρασης υπερευαισθησίας(HR).

Τέλος, μια κατηγοριοποίηση που μπορεί να γίνει για τους τύπους άμυνας των φυτών είναι η άμεση και η έμμεση άμυνα.

• Άμεση άμυνα είναι η άμυνα κατά την οποία τα φυτά χρησιμοποιούν τα δικά τους εργαλεία για άμυνα έναντι των εντόμων.
• Έμμεση άμυνα είναι η άμυνα κατά την οποία τα φυτά έχουν την ικανότητα να προσελκύουν φυσικούς εχθρούς των φυτοφάγων εντόμων. Οι φυσικοί εχθροί στη συνέχεια μειώνουν τον πληθυσμό των επιβλαβών εντόμων, ώστε τα φυτά να μην κινδυνεύουν πλέον.

Μηχανισμοί ανθεκτικότητας

1) Δομικά χαρακτηριστικά: Τα φυτά διαθέτουν χαρακτηριστικά όπως τρίχωμα και κηρώδεις εφυμενίδες που δημιουργούν προβλήματα στην προσκόλληση, την τροφοληψία και την εναπόθεση ωών των αρθρόποδων-εχθρών (Mitchell et al., 2016). Για παράδειγμα, ο ευρέως διαδεδομένος εχθρός Tetranychus urticae μειώθηκε σημαντικά σε γονότυπους βατόμουρου με υψηλή πυκνότητα τριχώματος στα φύλλα. Επιπλέον, τα φυτά αναπτύσσουν σκληρεγχυματικούς ιστούς στα όργανά τους, οι οποίοι δυσκολεύουν τα εντόμα να τα καταναλώσουν και να τα πέψουν (λόγω της υψηλής συγκέντρωσης λιγνίνης). Με αυτόν τον τρόπο, τα εντόμα αποτρέπονται από το να καταναλώνουν το φυτό.

Εικόνα 1: Διαφορετική πυκνότητα τριχώματος μεταξύ ποικιλιών του είδους Rubus idaeus. Όσο πιο πυκνό το τρίχωμα, τόσο πιο δύσκολο για τον δίστιχτο τετράνυχο να εγκατασταθεί.

2) Χημικά χαρακτηριστικά: Η χημική άμυνα των φυτών είναι ένα πολύ ενδιαφέρον και πλούσιο πεδίο έρευνας. Τα φυτά διαθέτουν ενώσεις που διαφέρουν ανά φυτικό είδος και μπορούν να είναι τοξικές ή να προκαλούν προβλήματα στη συμπεριφορά ή την αναπαραγωγή των εντόμων εχθρών. Οι πιο δημοφιλείς ομάδες τέτοιων μορίων είναι τα αλκαλοειδή, οι γλυκοσινολικές ενώσεις και οι τερπενοειδείς ενώσεις. Ένα πολύ δημοφιλές μόριο είναι η γκοσσυπόλη που υπάρχει στο βαμβάκι και χρησιμεύει για να προστατεύει το φυτό.

3) Αλλαγές στην έκφραση γονιδίων: Τα φυτά που υποφέρουν από φυτοφάγα έντομα παράγουν αμυντικές και τραυματικές πρωτεΐνες (Systemic Wound Response Proteins) (Karabourniotis et al., 2012), όπως λεκτίνες και χιτινάσες. Ο ρόλος αυτών των πρωτεϊνών είναι να αναστέλλουν συγκεκριμένα ένζυμα των φυτοφάγων οργανισμών, ώστε να καθιστούν επώδυνη τη διαδικασία της πέψης.

Επιπλέον, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τα φυτά έχουν τη δυνατότητα να εκπέμπουν στο περιβάλλον μόρια που προσελκύουν φυσικούς εχθρούς και ταυτόχρονα  λειτουργούν ως σήματα για γειτονικά φυτά, προκειμένου να ενεργοποιήσουν την επαγόμενη άμυνά τους.

Εικόνα 3:  Παράδειγμα επαγόμενης άμυνας. Το φυτό προσελκύει ένα φυσικό εχθρό της κάμπιας απελευθερώνοντας συγκεκριμένα μόρια στο αέριο περιβάλλον. Αυτά τα μόρια ενημερώνουν το παρασιτοείδες της κάμπιας και αυτό ακολουθεί την πηγή των εκπομπών τους (Διαχείριση παρασίτων και ασθενειών στη γεωργία)

Μηχανισμοί ανοχής των φυτών ενάντια στα έντομα

• Ενίσχυση της φωτοσύνθεσης και της ανάπτυξης: Ορισμένα έντομα προκαλούν αύξηση του ρυθμού φωτοσύνθεσης και διαφοροποιούν την φυσιολογία του αζώτου εντός των φυτών. Χάρη σε αυτούς τους μηχανισμούς, τα φυτά είναι ικανά να αντιμετωπίζουν τις αρνητικές επιπτώσεις της φυτοφαγίας, δημιουργώντας νέα φύλλα και βλαστούς. Ως αποτέλεσμα, συνεχίζουν να είναι παραγωγικά.
• Φαινολογικός κύκλος: Ορισμένα φυτά έχουν εξελιχθεί ώστε να καθυστερούν την ανάπτυξη, την ανθοφορία ή την παραγωγή καρπών τους μέχρι να περάσει η απειλή της επίθεσης (Mitchell et al., 2016). Για παράδειγμα, τα φυτά καλαμποκιού φαίνεται να αναβάλλουν τη διατροφή των ριζών τους για να αποφύγουν το μέγιστο του πληθυσμού του εντόμου Diabrotica virgifera.

Επίλογος

Συμπερασματικά, είναι εμφανές ότι τα φυτά έχουν την ικανότητα να αμυνθούν εναντίον των εντόμων που θεωρούμε σημαντικά για τη γεωργική παραγωγή. Η βελτίωση των φυτών πρέπει να επικεντρωθεί στην αναζήτηση γνωρισμάτων που προστατεύουν τις καλλιέργειες από συγκεκριμένα έντομα και στη μελέτη του πώς οι περιβαλλοντικές συνθήκες επηρεάζουν την έκφρασή τους (Mitchell et al., 2016). Επίσης, πρέπει να γίνουν έρευνες για το πώς ορισμένα έντομα καταφέρνουν να ξεπεράσουν τους μηχανισμούς άμυνας των φυτών. Οπωσδήποτε, η φύση έχει πάντα την απάντηση…

Βιβλιογραφία

• War, A. R., Paulraj, M. G., Ahmad, T., Buhroo, A. A., Hussain, B., Ignacimuthu, S., & Sharma, H. S. (2012). Mechanisms of plant defense against insect herbivores. PMC, 7(10), 1306–1320.
• Plant Defenses. (n.d.). https://learn.genetics.utah.edu/content/herbivores/defenses
• Mitchell, C. M., Brennan, R. M., Graham, J., & Karley, A. J. (2016). Plant Defense against Herbivorous Pests: Exploiting Resistance and Tolerance Traits for Sustainable Crop Protection. Frontiers in Plant Science, 7.
• Karabourniotis, G., Liakopoulos, G., Nikolopoulos, D., & Agricultural University of Athens. (2012). Plant Stress Physiology: Plant Functions under Adverse Environmental Conditions (Vol. 1). Embryo.