Защита томата

Когда на растение нападают травоядные насекомые, оно сопротивляется. В его арсенале есть разные химические средства, позволяющие отогнать вредителя, умерить его аппетиты или приманить хищников. Возможно, скоро растения начнут стравливать своих поедателей друг с другом. Такой метод защиты в естественных условиях пока не описан, однако в лаборатории о нем уже задумываются.

Одно из эффективных средств защиты от травоядных насекомых — жасмоновая кислота. В «мирной жизни» это фитогормон, регулирующий образование семян, рост корней, развитие пыльцы и созревание плодов. Повреждение листьев тоже вызывает синтез жасмоновой кислоты, и тогда это соединение стимулирует образование защитных ферментов: полифено-локсидазы и ингибиторов протеиназы. Эти ферменты мешают нормальному пищеварению травоядных вредителей, которые в результате недополучают белков, медленно растут и меньше съедают. Жасмоновая кислота — летучее соединение. Высвобождаясь из надкушенных листьев, оно по воздуху достигает соседних растений и предупреждает их, что враг у ворот. Получив такой сигнал, растения заблаговременно начинают синтезировать защитные белки и к моменту появления вредителей располагают некоторым их запасом.

У травоядных насекомых свои проблемы. Им нужно расти, и, если пищи не хватает, они используют резервный источник белка — собратьев по виду, которые кормятся на том же листе. Факультативный каннибализм описан у многих видов: муравьев, пчел, кузнечиков, ручейников, жуков и гусениц, но это явление изучено плохо. Как правило, его вызывает чрезмерно высокая плотность насекомых одного вида.

Исследователь из Висконсинского университета Джон Оррок (John Orrock) задался вопросом, может ли растение с помощью средств химической защиты сделаться настолько несъедобным, что травоядные насекомые предпочтут поедать друг друга. Взяв в помощь студента и аспиранта, он приступил к проверке своей гипотезы.

Исследователи работали с трехнедельными растениями томата Solanum lycopersicum, на которых уже появилось по 3–4 листа, и с гусеницами малой совки Spodoptera exigua. Каннибализм у этих гусениц описали еще 40 лет назад. Томаты опрыскивали метилжасмонатом — производным жасмоновой кислоты, которое вызывает синтез тех же защитных ферментов.

Ученые поставили два эксперимента. В первом опыте они выясняли, как защитные реакции растения, индуцированные метилжасмонатом, влияют на каннибализм вредителей. Томаты обрабатывали раствором метилжасмоната в концентрациях 0,1, 1,0 или 10 мМ. Четвертую, контрольную группу опрыскивали буфером без метилжасмоната. Спустя час на растения сажали по 8 гусениц малой совки одного возраста. Каждый томат находился в закрытом цилиндре, чтобы метилжасмонат не улетучился и чтобы гусеницы не расползались. На контрольных растениях и растениях, обработанных раствором в низкой концентрации, гусеницы ели листья и в конце концов обглодали всё дочиста. Друг друга они стали пожирать, когда листьев осталось мало (рис. 1). На томатах, обработанных метилжасмонатом в средней и высокой концентрациях, картина была иной: листья оказались для гусениц малосъедобными, и вредители уже в первый день перешли к каннибализму, а к концу эксперимента разница в биомассе между контрольными растениями и растениями, обработанными 10 мМ метилжасмонатом, была пятикратной (рис. 2). Сам опыт продлился неделю — до последней гусеницы.

Итак, защита, вызванная индуктором в средней и высокой концентрациях, действительно стимулирует каннибализм и защищает растения. В какой степени индуцированный каннибализм помогает сохранить листья, исследователи уточнили во втором эксперименте. Растения томатов дважды опрыскивали 1 мМ раствором метилжасмоната или буфером. После этого с каждого томата оборвали листья и поместили в пластиковую чашку вместе с одной гусеницей. Кроме того, в половину чашек положили животную пищу — по восемь гусениц, убитых быстрым замораживанием при –80 °С, а затем оттаявших. Провиант выглядел как живой.

Если рядом находятся такие свежие, аппетитные гусеницы, как же их не есть! И живые совки их лопали и на контрольных листьях, и на обработанных метилжасмонатом. Но в контрольных чашках они еще и зеленью питались, и за двое суток уничтожили изрядное ее количество (рис. 3). Зато на обработанных листьях гусеницы почти не трогали невкусную растительность, пробавлялись каннибализмом и нормально при этом развивались. Если же другой пищи, кроме обработанных листьев, не было, приходилось довольствоваться ими, и вредители их основательно попортили. Однако листья эти не питательны, отчего гусеницы практически не росли.

Ученые пришли к выводу, что метилжасмонат в достаточной концентрации оказывает двойное действие. Индуцированный каннибализм позволяет сократить численность вредителей и сохранить биомассу обработанных растений, потому что, имея другую пищу, гусеницы едят меньше листьев.

Контрольные растения, когда гусеницы начинали их есть, тоже начинали выделять метилжасмонат, но было слишком поздно. Растения не успевали насинтезировать нужное количество ферментов и были съедены. А листья с более высоким уровнем индуцированной защиты уже к началу нападения смогли вызвать ранний каннибализм, что позволило растению спастись. Поскольку индуцированная защита свойственна многим растениям, а факультативный каннибализм — многим травоядным насекомым, можно надеяться, что описанный метод защиты окажется эффективным и в естественных условиях. Впрочем, это дело будущего. Джон Оррок справедливо отмечает, что необходимо прежде всего проверить, как гусеницы поведут себя в поле, когда не будут заперты в контейнере с единственным обработанным растением. Исследователи также намерены выяснить, как индуцированный каннибализм повлияет на плотность вредителей, распространение их паразитов и численность хищников.

Вопрос о том, что будет, если опрыскивание сельскохозяйственных растений метилжасмонатом примет промышленные масштабы и вредители приобретут к нему устойчивость, авторы работы не обсуждают.

Наталья Резник

1. Orrock J., Connolly B., Kitchen A. Induced defences in plants reduce herbivory by increasing cannibalism // Nature Ecology & Evolution. 2017. DOI:10.1038/s41559-017-0231-6