Практическая ценность этого исследования Гёттингенского университета (опубликованного под руководством Шахинура Рахмана) заключаются в изучении биохимических механизмов взаимодействия растений и вредителей в условиях меняющегося климата.
Свекловичная минирующая муха представляет серьезную экономическую угрозу для сахарной свеклы, особенно в начале вегетации, на этапе всходов и в фазе 2–4 пар настоящих листьев. Если личинки уничтожают семядоли и первые листья, растение либо погибает, либо сильно отстает в росте, что снижает массу корнеплода. Личинка питается внутри листа (в минах), где она защищена от обычных контактных инсектицидов. Если упустить момент массового лёта мухи и откладки яиц, бороться с ней становится гораздо сложнее и дороже. Прогрызая ходы, личинки заносят в ткани листа бактериальные и грибные инфекции, что еще сильнее бьет по урожайности.
Исторически нашествие вредителя сдерживалось за счет протравливания семян (обработки неоникотиноидами перед посевом). Это защищало молодые всходы без необходимости опрыскивать поля.
Запрет на использование неоникотиноидов при протравке семян стал одним из самых сильных регуляторных шоков для европейской свекловичной отрасли. Начиная с 2018 года, когда Евросоюз полностью запретил применение трех основных неоникотиноидов (имидаклоприд, клотианидин и тиаметоксам) на открытом грунте из-за их токсичности для пчел, отрасль столкнулась с затяжным кризисом. В первые же сезоны без протравителей (особенно в засушливый 2020 год) Франция и Великобритания потеряли от 25% до 30% всего национального урожая сахарной свеклы. В связи с этим проводится много исследований, как защитить сахарную свеклу от свекловичной мухи.
Ученые Гёттингенского университета выяснили, как засуха меняет внутренний состав сахарной свеклы и как это помогает или мешает выживать свекловичной минирующей мухе. Они подвергли растения сахарной свеклы воздействию умеренной или сильной засухи. Эти условия сочетались с заражением свекловичной минирующей мухой. Затем исследователи проанализировали различные показатели продуктивности растений, а также развитие насекомых и их поведение при откладывании яиц.
Результат во многом зависел от степени стресса: как правило, засуха снижала рост сахарной свеклы, площадь листьев и скорость фотосинтеза. Однако при умеренной засухе концентрация некоторых питательных веществ в листьях увеличивалась. Это означало, что личинки развивались особенно хорошо и наносили растению более серьёзный ущерб. Однако в условиях сильной засухи содержание воды в растениях и их физиологические показатели значительно снижались, что существенно ограничивало развитие личинок.
Химическая коммуникация растения также пострадала. «Мы наблюдали, что засуха изменяет как состав, так и количество выделяемых растениями летучих соединений, которые свекловичная минирующая муха использует для поиска подходящих растений-хозяев для своих личинок», — объясняет доктор Шахинур Рахман, проводивший исследование в рамках своей докторской диссертации на кафедре растениеводства Гёттингенского университета.
«Кроме того, самки откладывали меньше яиц на растениях, испытывающих сильный стресс», — добавляет Рахман. Эти результаты дают новое понимание того, как изменения климата влияют на взаимодействие сельскохозяйственных культур и вредителей, и могут помочь в разработке будущих стратегий для создания более устойчивых систем земледелия.
Итак, при умеренной засухе свекла включает защитные механизмы и начинает экстренно перестраивать метаболизм. В ее листьях резко повышается концентрация питательных веществ (аминокислот и органических кислот). Для личинок мухи это превращается в «шведский стол»: они получают сверхпитательную среду, растут быстрее, вырастают крупнее и наносят растению больший ущерб.
При сильной засухе растение истощается, в нем падает уровень воды и нарушается фотосинтез. Личинкам нечего есть, и они гибнут. Также Ученые сильный стресс меняет состав летучих органических соединений (ЛОС) — запаха, который выделяет свекла. Из-за этого изменения самки мухи теряют способность находить растение по запаху и откладывают на него значительно меньше яиц
Эта работа имеет практическое значение для производителей сахарной свеклы, пересматривая стратегию защиты культуры. Раньше считалось, что любой стресс ослабляет растение и делает его легкой добычей. Теперь агрономы знают: если наступила легкая или средняя засуха, жди резкой вспышки численности вредителя. Защитные обработки нужно начинать раньше, не дожидаясь критического ущерба.
Исследование объясняет, как изменения климата (нерегулярные осадки, периоды засухи) ломают привычные пищевые цепочки «растение-насекомое». Оно помогает моделировать, какие регионы пострадают от вредителей сильнее всего при росте средних температур.
Расшифровка метаболических сдвигов и изменений в профиле ЛОС (летучих органических соединений) сахарной свеклы открывает новые перспективы для маркер-ориентированной селекции. Конечной целью является выведение инновационных гибридов, способных блокировать накопление свободных аминокислот при умеренном дефиците влаги (лишая личинок сверхпитательной среды) и превентивно активировать синтез репеллентных летучих соединений, маскирующих плантации от яйцекладущих самок Pegomya cunicularia.
Например, создать такие гибриды, которые при дефиците влаги будут использовать другие, альтернативные механизмы защиты клеток (синтезировать сахара или специальные белки-дегидрины), но при этом не будут накапливать привлекательные для вредителя свободные аминокислоты. Запрограммировать новые сорта свеклы так, чтобы они начинали выделять маскирующий или отпугивающий (репеллентный) химический сигнал уже при первых признаках умеренной засухи, а не тогда, когда растение уже почти погибло от сильного обезвоживания
По статье Гёттингенского университета. На заглавном фото: самка свекловичной мухи, откладывающая яйца на нижней стороне листьев. Автор фото: Шахинур Рахман.
