Le colture potrebbero affrontare doppi problemi di insetti e un clima caldo

Le colture potrebbero affrontare doppi problemi di insetti e un clima caldo Nel caldo, le piante di pomodoro non possono combattere il verme del tabacco affamato, Manduca sexta. Da www.shutterstock.com

Per millenni, gli insetti e le piante di cui si nutrono sono stati impegnati in una battaglia coevolutiva: mangiare o non essere mangiati. Fino a poco tempo fa, le due parti antagoniste hanno mantenuto una specie di stallo. Con i cambiamenti climatici, tuttavia, le temperature più calde potrebbero rovesciare l'equilibrio a favore degli insetti e provocare il pericolo per le colture e gli agricoltori che si occupano di loro.

Il nostro team di ricerca presso la Michigan State University Istituto di resilienza delle piante guardato cosa è successo quando fa più caldo i bruchi di carpino hanno attaccato una pianta di pomodoro. Il pomodoro ha perso. Durante l'ondata di caldo abbiamo assistito a un sorprendente compromesso della pianta: si è difeso dai bruchi, ma questo sforzo gli ha impedito di affrontare gli effetti dannosi del calore. Ciò ha causato il surriscaldamento della pianta, rafforzando la mano dei bruchi.

Uno studio condotto da ricercatori nel 2018 ha previsto che ogni grado di riscaldamento globale lo farà aumentare la perdita di raccolto dagli insetti dal 10% al 25% perché le popolazioni di insetti e i loro appetiti aumentano a temperature calde. Altre variabili legate al clima, tra cui siccità o inondazioni prolungate, probabilmente aggraveranno tali perdite.

Ma sebbene gli scienziati abbiano identificato queste varie sfide alla produzione alimentare, non sanno ancora molto su come la combinazione di calore e insetti influenzerà i sistemi di difesa integrati delle piante.

Le piante rilevano e rispondono costantemente ai cambiamenti nei loro ambienti, inclusa la presenza di insetti che si nutrono di piante.

Come le piante combattono i parassiti degli insetti

A differenza degli animali, le piante non possono correre o nascondersi dai predatori. Invece, le piante producono un arsenale di sostanze chimiche tossiche che respingono l'attacco di insetti e altri consumatori di piante.

La produzione di questi composti è costosa e spesso ne rallenta la crescita, quindi le piante schierano questo arsenale di difesa chimica solo se danneggiate da un insetto da masticare. Questo processo è innescato dall'ormone della ferita della pianta, il jasmonate, che controlla strettamente la biosintesi, la distribuzione e la conservazione dei composti chimici di difesa che respingono gli insetti.

Per più di 20 anni, abbiamo studiato come jasmonate protegge le piante da erbivori da insetti. Solo di recente abbiamo iniziato a pensare a come l'aumento della temperatura globale influenza questo meccanismo comune di difesa delle piante.

Calore e bruco affamato

Nel nostro studio noi piante di pomodoro sfidate con trattori a cingoli di bachi di bue in condizioni di temperatura normale: 82 gradi F giorni (circa 28 gradi C) e 64 gradi F notti (circa 18 gradi C). Abbiamo anche simulato le ondate di calore, con temperature che salgono a 100 F (38 ° C) durante il giorno e scendono a 82 ° F (28 ° C) di notte per diversi giorni.

Le piante hanno risposto alle temperature più calde intensificando la produzione di jasmonate e, di conseguenza, aumentando la produzione di vari composti di difesa. Anche così, gli insetti hanno mangiato incessantemente le piante nel caldo.

Nel frattempo, uno studio parallelo condotto dal nostro team ha scoperto che moderati aumenti della temperatura accelerato il metabolismo degli insetti in modo che mangiassero più velocemente e facessero più danni alle piante. Sebbene le piante di pomodoro abbiano combattuto duramente con la loro risposta chimica, non sono state in grado di neutralizzare il potente stimolo alimentare innescato dal calore degli insetti.

I modelli possono sottovalutare le perdite di colture dovute ai cambiamenti climatici perché non considerano il modo in cui le piante infestate reagiscono all'aumento delle temperature.

Insetti + calore = doppio problema

Le piante usano due strategie per raffreddarsi quando le temperature diventano troppo alte. Apriranno i loro piccoli pori delle foglie, chiamati stomi, rilasciando acqua che li raffredda tanto quanto il sudore raffredda gli umani. Le piante combattono anche lo stress da calore sollevando le loro foglie dal terreno caldo, forse alla ricerca di una brezza fresca.

Nel nostro lavoro abbiamo scoperto inaspettatamente che le piante di pomodoro sfidate dai bruchi alla temperatura più calda non hanno fatto queste cose, e quindi non sono riuscite a raffreddare le loro foglie.

Nei nostri esperimenti di follow-up, abbiamo scoperto che quando i bruchi mangiavano le sue foglie e la pianta attivava l'ormone jasmonate, questo bloccava l'apertura dei piccoli stomi e impediva anche alle foglie di sollevarsi per raffreddarsi. L'impianto non è riuscito a dispiegare la sua risposta di raffreddamento e allo stesso tempo è stata ridotta la fotosintesi (produzione di cibo dalla luce solare e anidride carbonica).

Queste circostanze rallentano efficacemente la crescita della pianta. Pertanto, anche se le piante di pomodoro sono in grado di affrontare bene gli attacchi di insetti o la temperatura elevata, se questi due stress arrivano contemporaneamente, ciò comporta un doppio problema. Il risultato è una rapida defogliazione dei bruchi affamati più il surriscaldamento delle foglie.

Studiare piante in ambienti reali

Perché l'attacco degli insetti impedisce alle piante di raffreddarsi da soli rimane un mistero. Tuttavia, quando le piante chiudono gli stomi durante un attacco di insetto, conservano l'acqua impedendole di evaporare dalle foglie ferite. Riteniamo che questa risposta possa avvantaggiare la pianta quando l'acqua scarseggia, come spesso accade durante le ondate di calore.

Abbiamo in programma di rispondere a questa domanda studiando le piante coltivate in condizioni difficili di ambienti naturali, piuttosto che in condizioni di laboratorio altamente controllate. Riteniamo che tali studi siano necessari per sviluppare colture in grado di sopportare sia il calore che lo stress della ferita.

Produrre piante più resistenti

Molti esperti stimano che la produttività agricola dovrà raddoppiare nei prossimi 30 anni per soddisfare le esigenze di a popolazione in rapida crescita. Le attuali traiettorie di resa per le principali colture, combinate con gli impatti incerti di un ambiente globale in evoluzione, suggeriscono che il mondo sarà ben al di sotto di questa domanda usando le pratiche agricole convenzionali.

Il Regno Unito Royal Society e altre organizzazioni scientifiche hanno chiesto a Seconda rivoluzione verde ciò consentirà l'intensificazione sostenibile dell'agricoltura attraverso lo sviluppo di colture più resistenti di fronte a condizioni ambientali sempre più rigide.

I recenti progressi tecnologici, dalla genomica e l'editing genetico agli approcci computazionali e di scienza dei dati, offrono ai ricercatori opportunità senza precedenti per raggiungere questo obiettivo. Nel raggiungere una migliore comprensione delle complesse interazioni di attacchi di calore e insetti, speriamo che la nostra ricerca possa informare nuove strategie per aumentare la resilienza delle piante in un mondo in fase di riscaldamento.

Circa l'autore

Gregg Howe, professore di biochimica e biologia molecolare, Michigan State University e Nathan Havko, Postdoctoral Fellow in Plant Research, Michigan State University

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

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