农作物可能面临昆虫和气候变暖的双重麻烦

农作物可能面临昆虫和气候变暖的双重麻烦 在高温下,番茄植株无法抵御饥饿的烟草天蛾曼杜卡六分。 来自www.shutterstock.com

几千年来,昆虫和它们赖以为生的植物一直在共同发展:吃还是不吃。 直到最近,两个敌对方面都一直处于僵局。 但是,随着气候变化,温度升高可能会使昆虫趋于平衡,从而有利于昆虫,并对趋向于这种昆虫的农作物和农民构成危险。

我们在密歇根州立大学的研究团队 植物抗逆研究所 看着天气炎热时发生了什么 角虫毛虫袭击了番茄植株。 番茄丢了。 在热浪中,我们看到了植物出人意料的折衷方案:它可以防御毛毛虫,但这种努力使植物无法处理热的有害影响。 这导致植物过热,从而增强了毛毛虫的手。

研究人员在2018年进行的一项研究预测,全球变暖的每个程度将 使昆虫的农作物损失增加10%至25% 因为在温暖的温度下,昆虫的种群及其食欲激增。 其他与气候有关的变量,包括长时间的干旱或洪水,可能使这些损失更加复杂。

但是,尽管科学家们已经确定了粮食生产面临的各种挑战,但他们仍然对热和昆虫的结合将如何影响植物的内置防御系统一无所知。

植物不断地感知并响应其环境的变化,包括以植物为食的昆虫的存在。

植物如何抵抗害虫

与动物不同,植物不能逃避或躲避捕食者。 相反,植物会产生大量有毒化学物质,以抵御昆虫和其他植物消费者的攻击。

生产这些化合物的成本很高,而且通常会阻碍其生长,因此,植物只有在被咀嚼的昆虫破坏后才会部署这种化学防御武器。 该过程由植物伤口激素茉莉酸酯触发,该激素紧密控制排斥昆虫的化学防御化合物的生物合成,分布和储存。

二十多年来,我们一直研究茉莉 保护植物 来自昆虫食草动物。 直到最近,我们才开始考虑不断升高的全球温度如何影响这种常见的植物防御机制。

热和饥饿的毛毛虫

在我们的研究中 挑战番茄植株 在正常温度条件下使用虫毛虫:82华氏度(约28摄氏度)和64华氏度的夜晚(约18摄氏度)。 我们还模拟了热浪,白天的温度连续几天上升到100 F(38 C),晚上下降到82 F(28 C)。

这些植物通过提高茉莉酸酯的产量来应对高温,从而增加了各种防御化合物的产量。 即使这样,昆虫仍会在高温下无情地吞食植物。

同时,我们小组进行的一项平行研究发现,温度适度升高 加快昆虫的新陈代谢 这样它们吃得更快,对植物的伤害也更大。 尽管番茄植物通过化学反应进行了艰苦的努力,但它们并不能抵消昆虫强大的热触发饮食刺激。

模型可能会低估由于气候变化而造成的农作物损失,因为它们没有考虑被侵染的植物对温度升高的反应。

昆虫+热量=双重麻烦

温度过高时,植物会使用两种策略进行降温。 它们会打开被称为气孔的细小叶孔,释放出的水会像出汗使人凉爽一样使它们凉爽。 植物还可以通过将叶子从热土上抬起来对抗热胁迫,也许是为了寻找凉风。

我们在工作中意外地发现,在高温下被毛毛虫攻击的番茄植株没有做这些事情,因此未能冷却其叶片。

在我们的后续实验中,我们发现当毛毛虫吃掉它的叶子并且植物激活了茉莉酸激素时,这阻止了微小气孔的开放,还阻止了叶子升起来变凉。 该植物无法利用其冷却反应,与此同时,光合作用(由阳光和二氧化碳制成食物)也减少了。

这些情况有效地减缓了植物的生长。 因此,尽管番茄植物可以很好地应对昆虫的袭击或高温,但是如果这两个压力同时出现,那将带来双重麻烦。 结果是饥饿的毛毛虫加上叶片过热迅速脱叶。

在真实环境中研究植物

为什么昆虫会阻止植物自身冷却仍然是一个谜。 但是,当植物在昆虫入侵期间关闭气孔时,它们通过防止水分从受伤的叶子中蒸发而节约了水。 我们认为这种响应在水短缺时可能有益于工厂,这在热浪期间通常是这样。

我们计划通过研究在自然环境中而不是在严格控制的实验室条件下生长的植物来解决这个问题。 我们认为,这样的研究对于开发能够承受高温和创伤压力的作物是必要的。

制作更有韧性的植物

许多专家估计,在未来30年中,农业生产力必须翻番才能满足农业生产的需求 快速增长的人口。 当前主要农作物的产量轨迹,再加上全球环境变化带来的不确定影响,表明使用传统的农业做法,世界将远远无法满足这一需求。

英国的 英国皇家学会 和其他科学组织呼吁 第二次绿色革命 通过发展在面对日益严峻的环境条件时更具韧性的农作物,可以实现农业的可持续集约化。

从基因组学和基因编辑到计算和数据科学方法的最新技术进步为研究人员提供了实现该目标的前所未有的机会。 为了更好地理解高温和昆虫袭击的复杂相互作用,我们希望我们的研究可以为在变暖的世界中提高植物抗逆性的新策略提供参考。

关于作者

Gregg Howe,生物化学与分子生物学教授, 密歇根州立大学 和植物研究博士后Nathan Havko, 密歇根州立大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

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