Neuchatel, Switzerland
November 16, 2011
La chrysomèle des racines du maïs est un ravageur redoutable. Mais à quoi tient sa voracité ? Des biologistes de l’Université de Neuchâtel, au terme d’un projet soutenu par le Pôle de recherche national (NCCR) Survie des plantes, avancent une explication. Les larves de la chrysomèle détournent à leur profit les défenses naturelles de la plante censées les neutraliser pour localiser les parties les plus riches en nutriments. Publié dans la prestigieuse revue Ecology Letters, ce résultat ouvre de nouvelles perspectives de lutte contre ce ravageur.
La chrysomèle des racines du maïs préoccupe les agriculteurs. Aux Etats-Unis, elle cause des dégâts et implique des moyens de lutte à hauteur d’un milliard de dollars par an. A cette facture, on peut ajouter un demi-milliard d’euros par an sur le continent européen, région qui n’a été que récemment envahie par cet insecte. Réalisés en collaboration avec six autres laboratoires dans le monde, les travaux des chercheurs neuchâtelois proposent une explication pour le comportement vorace du ravageur sur le maïs.
« La plante défend en priorité les tissus qui lui sont les plus chers, illustre Christelle Robert, doctorante au laboratoire FARCE dirigé par Ted Turlings. Il s’agit des organes les plus riches en nutriments, qui sont également convoités par les insectes herbivores. Logiquement, c’est aussi dans ces organes que la plante produit les concentrations les plus élevées de toxines destinées à repousser ou à empoisonner les ravageurs qui s’en nourrissent.»
Les racines du maïs n’échappent pas à ce principe stratégique. Les plus précieuses d’entre elles - appelées racines adventives ou « crown roots » en anglais - forment une couronne sous la terre et contiennent de quoi faire saliver plus d’une larve en quête de nourriture.
« Par rapport aux racines primaires ou secondaires, les racines adventives sont plus riches en sucrose, une substance connue pour ouvrir l’appétit des insectes. Elles renferment également davantage de protéines et d’acides aminés libres, dont certains sont essentiels pour les insectes», énumère Christelle Robert.
Pour protéger ses tissus, le maïs produit une armada de substances toxiques qui se révèle dans la plupart des cas très efficace. « Nous avons démontré ceci sur des insectes herbivores généralistes qui peuvent également se nourrir d’autres plantes, précise la jeune biologiste. Cependant, lorsque nous avons testé l’effet de ces toxines les larves de la chrysomèle des racines du maïs, nous avons trouvé quelque chose de totalement différent. »
Les expériences imaginées par Christelle Robert et Matthias Erb actuellement en poste au Max Planck Institute for Chemical Ecology à Iéna (Allemagne) ont révélé que ces larves tolèrent non seulement le poison, mais qu’en plus elles s’en servent pour localiser les zones les mieux fournies en substances nutritives, en l’occurrence les racines adventives. Les insectes parviennent ainsi à détourner à leur profit des toxines censées les neutraliser. C’est la première fois qu’un tel phénomène est décrit au niveau des racines d’une plante.
Pour arriver à cette conclusion surprenante, les chercheurs ont profité de l’existence d’un mutant du maïs, qui n’est pas capable de produire les toxines. Ils ont offert aux larves de Dvv le choix entre des racines de plantes qui produisent ou non les substances toxiques. Contre toute attente, les préférences se portaient clairement vers les plantes aux défenses actives. Mais ce n’est pas tout : les chercheurs ont observé que sur des plantes produisant les toxines, les larves s’installaient en moins de trois heures puis se fixaient sur les racines adventives de façon permanente. Dans les plantes non toxiques en revanche, une fois placées sur les racines, les larves semblaient perdues passant continuellement d’un type de racine à l’autre.
« Nous en avons ainsi conclu que les toxines constituaient un indicateur indispensable dans la recherche de nourriture de la chrysomèle. Nous avons également démontré que les larves qui tiraient leur nourriture des racines adventives grandissaient mieux que celles qui étaient installées sur les racines primaires ou secondaires », s’enthousiasme Christelle Robert.
Reste aux chercheurs à découvrir le mécanisme grâce auquel les larves parviennent à tolérer le poison. La piste la plus prometteuse se trouverait dans une ou plusieurs enzymes que produirait l’insecte pour détoxifier les composés de défense des plantes.
A poison as an indicator of food
The western corn rootworm represents a formidable pest. But what is the cause of its voracity? Biologists at the University of Neuchâtel, within the framework of a project supported by the National Centre of Competence in Research (NCCR) Plant Survival, have put forth an explanation. The western corn rootworm larvae exploit the plant’s natural defences, which are supposed to deter them, to their benefit by using them to locate nutrient rich plant parts. The results published in the prestigious journal Ecology Letters open up new avenues for the control of this herbivorous pest.
The western corn rootworm is a real problem for farmers. In the USA, this pest causes about one billion dollars in damages and control measures per year. To this amount a half billion euros yearly can be added on the European continent, which was only recently invaded by the pest. The researchers in Neuchâtel, in collaboration with six other laboratories across the world, have found an explanation for the voracious behaviour of the rootworm on maize.
“The plant places its defence priorities on tissues that are valuable to it”, states Christelle Robert, PhD student in the FARCE laboratory under the supervision of Ted Turlings. “These are the most nutrient rich plant organs that are also coveted by herbivorous insects. Logically, it is in these organs that the plant produces the highest concentrations of toxins used to repel or poison pests that feed off them.” This strategy can also be seen in maize roots. The most precious of these are called crown roots, which form a crown in the soil that contain valuable nutrients for larvae in search of food.
“Compared to primary and secondary roots, crown roots are richer in sucrose, a substance known stimulate the appetites of insects. They also contain more proteins and free amino acids, of which certain are essential to insects”, explains Christelle Robert.
To protect its tissues, maize relies on a fleet of toxic substances that are in most cases very effective. “We showed this in tests with generalists herbivorous insects that can also feed on other plants, specifies the young biologist. However, when we tested the effect of these toxins on corn rootworm larvae, we found something quite different.”
The experiments, which were developed by Christelle Robert and Matthias Erb, who is currently at the Max Planck Institute for Chemical Ecology in Jena (Germany), revealed that the larvae not only tolerate the poison, but they even use it to locate the zones rich in nutritional substances, in this case crown roots. Hence, the insects use the toxins, which are supposed to deter them, to their benefit. It is the first time that such a phenomenon has been observed at the plant root level.
To arrive at this surprising conclusion, the researchers made use of a mutant maize plant that is incapable of producing the toxins in question. They offered the rootworm larvae a choice between roots from plants that can produce the toxic substances and those that cannot. Against all expectations, the larvae clearly preferred the plants with an active defence mechanism. Moreover, they observed the larvae on the toxin producing plants would settle on a plant within three hours and would fix themselves to the crown roots permanently. On the other hand, on non-toxic plants, the larvae seemed disoriented and wandered continuously from one type of root to the other.
“We have therefore concluded that the toxins are an indispensable indicator for rootworm in search of food. We also showed that the larvae that fed on crown roots developed better than larvae feeding on primary or secondary roots”, states Christelle Robert.
The researchers’ next step is to uncover the mechanism that enables the larvae to tolerate the poison. The most promising option are enzymes that the insect produces to detoxify the plant’s defence compounds.
Ein Toxin als Wegweiser zur Nahrung
Der Maiswurzelbohrer verursacht grosse Schäden in Maiskulturen. Worauf beruht die ausgeprägte Gefrässigkeit dieses Schadinsekts? Biologen an der Universität Neuenburg haben dafür im Rahmen eines vom NCCR Plant Survival unterstützen internationalen Forschungsprojekts eine erste Erklärung gefunden: Die Larven dieses Blattkäfers zweckentfremden die natürlichen Abwehrmechanismen von Maispflanzen. Sie nutzen das Gift, das eigentlich zu ihrer Abschreckung dienen sollte, zu ihren Gunsten, und können so die Pflanzenteile mit den meisten Nährstoffen finden. Dieses in der renommierten Fachzeitschrift Ecology Letters publizierte Ergebnis eröffnet neue Perspektiven zur Bekämpfung des Maiswurzelbohrers.
In den Vereinigten Staaten belaufen sich die durch den Maiswurzelbohrer verursachten Kosten auf über einer Milliarde Dollar pro Jahr. Es wird befürchtet, dass in Zukunft zu dieser Summe jährlich eine halbe Milliarde Euro auf dem europäischen Kontinent hinzugerechnet werden muss, da sich der Maiswurzelbohrer auch hier zu etablieren droht. In Zusammenarbeit mit sechs anderen Forschergruppen, verteilt über die ganze Welt, haben die Forscher in Neuchâtel eine Erklärung für das gefrässige Verhalten des Maiswurzelbohrers gefunden.
«Pflanzen verteidigen zuerst die für sie am wichtigsten Gewebe», erläutert Christelle Robert, Doktorandin am Labor FARCE, das von Ted Turlings geleitet wird. «Dies sind die Organe, in denen auch am meisten Nährstoffen vorhanden sind, auf welche es die Herbivoren abgesehen haben. Logischerweise produzieren Pflanzen die höchsten Konzentrationen an Toxinen in diesen Organen, damit Schädlinge, die sich davon ernähren, entweder abgewehrt oder vergiftet werden.»
Die Adventivwurzeln von Mais, die im Erdreich eine Krone bilden und wichtig sind für den Ertrag der Pflanzen, sind ein Beispiel für den engen Bezug zwischen Nährstoffen und Toxinen. «Im Verhältnis zu Primär- und Sekundärwurzeln ist der Gehalt an Saccharose in den Adventivwurzeln viel höher – und diese Substanz ist dafür bekannt, den Appetit der Insekten anzuregen. Adventivwurzeln enthalten auch mehr Proteine und freie Aminosäuren, wovon einige für Insekten essentiell sind», erklärt Christelle Robert.
Um seine wichtigsten Organe zu schützen, verlässt sich Mais auf eine ganze Armada an toxischen Substanzen, die meist sehr effizient sind. «Wir konnten das in Experimenten mit Insekten zeigen, die keine spezielle Präferenz für bestimmte Pflanzen haben, präzisiert die junge Biologin. Wenn wir den Effekt dieser Toxine am Maiswurzelbohrer erprobten, einem Insekt das sich auf Mais spezialisiert hat, war das Resultat ganz anders.»
Die Ideen für diese Experimente stammen von Christelle Robert und Matthias Erb, der gegenwärtig am Max Planck Institut für Chemische Ökologie in Jena (Deutschland) angestellt ist. Sie zeigen, dass die Larven des Maiswurzelbohrers das Toxin nicht nur tolerieren, sondern es sogar nutzen, um die Bereiche der Pflanze zu lokalisieren, welche am besten mit Nährstoffen versorgt sind, im vorliegenden Fall also die Adventivwurzeln. Den Insekten gelingt es auf diese Weise, das Gift, das sie abwehren soll, zu ihren Gunsten zu nutzen. Dies ist das erste Mal, dass ein solches Phänomen im Wurzelbereich von Pflanzen beschrieben wurde.
Um zu dieser überraschenden Schlussfolgerung zu gelangen, benutzten die Forschenden eine Mutante von Mais, welche die betreffenden Toxine nicht produzieren kann. Maiswurzelbohrer-Larven konnten dann zwischen den Wurzeln dieser Pflanzen und den Wurzeln von Pflanzen, welche die Toxine produzieren, wählen. Entgegen jeder Erwartung bevorzugten die Larven klar die Pflanzen mit aktiver Schädlingsabwehr. Das ist aber noch nicht alles: Die Beobachtung der Larven auf den toxinproduzierenden Pflanzen ergab, dass sich die Larven nach kaum drei Stunden auf den Adventivwurzeln festgesetzt hatten, von denen sie sich dann nicht mehr entfernten. Bei Pflanzen ohne toxische Abwehr hingegen schienen die Larven, die auf den Wurzeln ausgesetzt wurden, etwas verloren: sie wechselten von einem Wurzeltyp zum anderen.
«Daraus haben wir geschlossen, dass diese Toxine ein unerlässlicher Wegweiser für die Nahrungssuche des Maiswurzelbohrers sind. Wir konnten ebenfalls zeigen, dass Larven, die sich von Adventivwurzeln ernähren, schneller wachsen, als solche, die sich auf Primär- oder Nebenwurzeln niedergelassen haben», erklärt Christelle Robert.
Nun bleibt den Forschenden nur noch, den Mechanismus aufzudecken, mit dem es dem Maiswurzelbohrer gelingt, das Gift zu tolerieren. Ein vielversprechender Ansatz, den sie in Zukunft verfolgen werden, ist es, die Enzyme zu untersuchen, die der Schädling produziert, um die Pflanzenabwehrstoffe zu neutralisieren.
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