農作物可能面臨昆蟲和氣候變暖的雙重麻煩

農作物可能面臨昆蟲和氣候變暖的雙重麻煩 在高溫下,番茄植株無法抵禦飢餓的煙草天蛾曼杜卡六分。 來自www.shutterstock.com

幾千年來,昆蟲和它們賴以為生的植物一直在共同發展:吃還是不吃。 直到最近,兩個敵對方面都一直處於僵局。 但是,隨著氣候變化,溫度升高可能會使昆蟲趨於平衡,從而有利於昆蟲,並對趨向於這種昆蟲的農作物和農民構成危險。

我們在密歇根州立大學的研究團隊 植物抗逆研究所 看著天氣炎熱時發生了什麼 角蟲毛蟲襲擊了番茄植株。 番茄丟了。 在熱浪中,我們看到了植物出人意料的折衷方案:它可以防禦毛毛蟲,但這種努力使植物無法處理熱的有害影響。 這導致植物過熱,從而增強了毛毛蟲的手。

研究人員在2018年進行的一項研究預測,全球變暖的每個程度將 使昆蟲的農作物損失增加10%至25% 因為在溫暖的溫度下,昆蟲的種群及其食慾激增。 其他與氣候有關的變量,包括長時間的干旱或洪水,可能使這些損失更加複雜。

但是,儘管科學家們已經確定了糧食生產面臨的各種挑戰,但他們仍然對熱和昆蟲的結合將如何影響植物的內置防禦系統一無所知。

植物不斷地感知並響應其環境的變化,包括以植物為食的昆蟲的存在。

植物如何抵抗害蟲

與動物不同,植物不能逃避或躲避捕食者。 相反,植物會產生大量有毒化學物質,以抵禦昆蟲和其他植物消費者的攻擊。

生產這些化合物的成本很高,而且通常會阻礙其生長,因此,植物只有在被咀嚼的昆蟲破壞後才會部署這種化學防禦武器。 該過程由植物傷口激素茉莉酸酯觸發,該激素緊密控制排斥昆蟲的化學防禦化合物的生物合成,分佈和儲存。

二十多年來,我們一直研究茉莉 保護植物 來自昆蟲食草動物。 直到最近,我們才開始考慮不斷升高的全球溫度如何影響這種常見的植物防禦機制。

熱和飢餓的毛毛蟲

在我們的研究中 挑戰番茄植株 在正常溫度條件下使用蟲毛蟲:82華氏度(約28攝氏度)和64華氏度的夜晚(約18攝氏度)。 我們還模擬了熱浪,白天的溫度連續幾天上升到100 F(38 C),晚上下降到82 F(28 C)。

這些植物通過提高茉莉酸酯的產量來應對高溫,從而增加了各種防禦化合物的產量。 即使這樣,昆蟲仍會在高溫下無情地吞食植物。

同時,我們小組進行的一項平行研究發現,溫度適度升高 加快昆蟲的新陳代謝 這樣它們吃得更快,對植物的傷害也更大。 儘管番茄植物通過化學反應進行了艱苦的努力,但它們並不能抵消昆蟲強大的熱觸發飲食刺激。

模型可能會低估由於氣候變化而造成的農作物損失,因為它們沒有考慮被侵染的植物對溫度升高的反應。

昆蟲+熱量=雙重麻煩

溫度過高時,植物會使用兩種策略進行降溫。 它們會打開被稱為氣孔的細小葉孔,釋放出的水會像出汗使人涼爽一樣使它們涼爽。 植物還可以通過將葉子從熱土上抬起來對抗熱脅迫,也許是為了尋找涼風。

我們在工作中意外地發現,在高溫下被毛毛蟲攻擊的番茄植株沒有做這些事情,因此未能冷卻其葉片。

在我們的後續實驗中,我們發現當毛毛蟲吃掉它的葉子並且植物激活了茉莉酸激素時,這阻止了小氣孔的開放,也阻止了葉子升起來變涼。 該植物無法利用其冷卻反應,與此同時,光合作用(由陽光和二氧化碳製成食物)也減少了。

這些情況有效地減緩了植物的生長。 因此,儘管番茄植物可以很好地應對昆蟲的襲擊或高溫,但是如果這兩個壓力同時出現,那將帶來雙重麻煩。 結果是飢餓的毛毛蟲加上葉片過熱迅速脫葉。

在真實環境中研究植物

為什麼昆蟲會阻止植物自身冷卻仍然是一個謎。 但是,當植物在昆蟲入侵期間關閉氣孔時,它們通過防止水分從受傷的葉子中蒸發而節約了水。 我們認為這種響應在水短缺時可能有益於工廠,這在熱浪期間通常是這樣。

我們計劃通過研究在自然環境中而不是在嚴格控制的實驗室條件下生長的植物來解決這個問題。 我們認為,這樣的研究對於開發能夠承受高溫和創傷壓力的作物是必要的。

製作更有韌性的植物

許多專家估計,在未來30年中,農業生產力必須翻一番才能滿足農民的需求。 快速增長的人口。 當前主要作物的產量軌跡,再加上不斷變化的全球環境帶來的不確定影響,表明使用傳統的農業做法,世界將遠遠無法滿足這一需求。

英國的 皇家社會 和其他科學組織呼籲 第二次綠色革命 通過發展在面對日益嚴峻的環境條件時更具韌性的農作物,可以實現農業的可持續集約化。

從基因組學和基因編輯到計算和數據科學方法的最新技術進步為研究人員提供了實現該目標的前所未有的機會。 為了更好地理解高溫和昆蟲襲擊的複雜相互作用,我們希望我們的研究可以為在變暖的世界中提高植物抗逆性的新策略提供參考。

關於作者

Gregg Howe,生物化學與分子生物學教授, 密歇根州立大學 和植物研究博士後Nathan Havko, 密歇根州立大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.

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