В новом исследовании, опубликованном в журнале Ecology Letters, исследователи из Института химической экологии Макса Планка и Кильского университета (Германия) сообщают о влиянии эндофитного гриба рода Cladosporium на защиту черных тополей от травоядных насекомых.
Оказалось, что гриб, живущий внутри листьев и вредящий сельхозкультурам, не только увеличивает выработку защитных веществ в деревьях тополя, но и сам вырабатывает алкалоид, который защищает деревья от повреждения при питании гусениц.
Исследовательская группа также показала в полевых исследованиях, что присутствие гриба влияет на состав сообществ насекомых в молодых черных тополях. Например, тля, живущая на деревьях, может выделять защитное вещество гриба в свою медвяную росу и, следовательно, реже посещаться своими защитниками муравьями.
Эндофиты - это микроорганизмы, живущие внутри растений. Некоторые из этих организмов, в основном бактерии или грибы, делают растения больными, в то время как другие не оказывают никакого вредного воздействия или даже полезны. Предыдущие исследования некоторых эндофитных грибов, живущих внутри определенных злаков, показали, что эти грибы обеспечивают злакам защиту от травоядных насекомых.
Однако мало что известно о том, относится ли это также к деревьям. Текущее исследование изучало влияние эндофитного гриба рода Cladosporium на защиту от листогрызущих насекомых черного тополя Populus nigra, а также воздействие на сообщества насекомых, которые живут на тополях.
«Мы исследовали влияние эндофита на химическую защиту черных тополей и последствия для пищевых предпочтений и приспособленности травоядных насекомых, а также состав сообщества насекомых на молодых деревьях в поле. Выяснилось, что колонизация грибным эндофитом усилила естественную защиту тополей и защиту. В лабораторных экспериментах личинки непарного шелкопряда Lymantria dispar, универсала на различных деревьях, предпочитали незараженные листья и лучше себя чувствовали там. Нам удалось показать, что Cladosporium помогает растению защищаться от листогрызущих. Для этого гриб изменяет профиль химической защиты растения, а также поддерживает его с помощью самопроизведенного защитного вещества», - говорит первый автор Кристин Вальтер.
Используя современный метод химического анализа, известный как метаболомика, который анализирует продукты метаболизма в листьях, ученые смогли показать, что заражение грибом изменяет метаболом тополя, то есть вещества, вырабатываемые в тополе. Конкретные защитные вещества, такие как салициноиды (салицин, ниграцин) и фенольные кислоты (кофейная кислота), вырабатывались в более высоких концентрациях в присутствии гриба.
Вместе с танинами салициноиды являются важнейшими естественными защитными веществами, вырабатываемыми тополями для самозащиты. Салициноиды особенно эффективны против насекомых-полифагов, которые не только специализируются на тополях, но и являются вредителями других растений. Помимо отпугивания вредителей, они также оказывают отрицательное воздействие на приспособленность насекомых, питающихся химически защищенными листьями.
Анализ показал, что сам гриб производит эффективное защитное соединение — алкалоид стахидрин. Тесты со стахидрином показали, что активное вещество эндофита отпугивает как универсалов, таких как древесная моль Orgyia antiqua, так и специалистов по тополям, таких как тополиный листоед Chrysomela tremulae.
«Для нас было особенно волнительно увидеть, что гриб может вырабатывать алкалоид, который мы можем обнаружить в растительной матрице и, таким образом, использовать в качестве маркера присутствия гриба. Мы даже обнаружили это вещество в листьях старых деревьев в поле», - говорит руководитель исследования Сибилла Ансикер, возглавлявшая группу по взаимодействию растений и окружающей среды в Институте химической экологии Общества Макса Планка и являющаяся профессором Кильского университета с 2023 года.
Ученые применили целостный подход к своему исследованию. В дополнение к химическому анализу лабораторных растений с эндофитным грибом и без него и связанным с ним экспериментам по питанию, они исследовали в полевых условиях, как Cladosporium влияет на химическую экологию черных тополей.
Другим интересным результатом этого исследования является наблюдение, которое исследователи сделали в полевых условиях. Эндофитный гриб также, по-видимому, изменяет взаимодействие между тлями и муравьями, которые колонизируют молодые черные тополя. Отношения муравей-тля являются мутуализмом, симбиозом, который приносит пользу как муравьям, которые пьют медвяную росу тлей, так и тлям, которых муравьи защищают от хищников.
Растения, которые ранее были инфицированы эндофитом, чаще колонизировались тлями, но реже муравьями. Вероятно, это связано с концентрацией стахидрина в их медвяной росе. «Гриб, похоже, даже способен манипулировать мутуалистическими отношениями между муравьями и тлями. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы точно выяснить, что происходит», - говорит Вальтер.
Муравьи и тля на листе тополя: когда тля заражает растения, муравьи часто также присутствуют. Муравьи не охотятся на мелких насекомых, но интересуются их медвяной росой. Взамен они даже защищают тлю от хищников. Наблюдения показали, что меньше муравьев колонизировало тополя, когда внутри листьев можно было обнаружить эндофитные грибы Cladosporium. Это может быть связано с защитным веществом стахидрин, которое вырабатывают грибы и которое тля выделяет с медвяной росой. Автор фото: Кристин Вальтер, Университет Кристиана Альбрехта в Киле, Германия.
Изучение микробиома дерева, всей совокупности микроорганизмов, связанных с деревом, важно для понимания сложности совместной эволюции деревьев и других организмов, с которыми они взаимодействуют.
Текущее исследование является лишь началом обширной области исследований, которая поднимает множество других интересных вопросов. Например, дальнейшие исследования будут посвящены тому, как гриб распространяется по растению и защищает ли он растение не только от повреждений насекомыми, но, возможно, и от патогенов.
Еще один интересный вопрос: являются ли отношения между черным тополем и Cladosporium симбиотическими, и получает ли гриб выгоду от сосуществования с деревом, или существуют условия, при которых он превращается из партнера в угрозу для дерева.
«Появляется все больше доказательств в пользу того, чтобы рассматривать деревья как холобионты, как сообщества различных организмов. Дерево никогда не является отдельной особью, а сложным метаорганизмом, колонизированным микроорганизмами и членистоногими во всех его органах. Для нас волнующий вопрос заключается в том, как микроорганизмы способствуют совместной эволюции деревьев и травоядных насекомых. Наши результаты, безусловно, являются лишь небольшим вкладом в понимание этих сложных взаимодействий», - заключает Ансикер.
Источник: Max Planck Society.
На заглавном фото - несколько эндофитных грибов, которые были выделены из листа тополя. Текущее исследование изучает влияние эндофита рода Cladosporium на химическую защиту черного тополя и на сосуществование насекомых на дереве.
Источник фото: Sybille Unsicker, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Germany.
