Недавние модели говорят нам, что по мере потепления климата травоядные и вредители будут наносить все больший ущерб сельскохозяйственным культурам. Одно исследование предсказало, что урожайность, теряемая насекомыми, увеличивается на 10-25 процентов при каждом повышении температуры на 1 градус Цельсия.
Ученые Мичиганского государственного университета считают, что эти модели неполны и что мы, возможно, недооцениваем потери. Новое исследование показывает, что зараженные растения томатов в борьбе с гусеницами плохо адаптируются к повышению температуры. Этот палка о двух концах снижает их продуктивность.
Согласно исследованию, в игру вступают два фактора. Во-первых, это повышение температуры. Метаболизм насекомых ускоряется при нагревании, и они едят больше. Кроме того, более высокие температуры могут открыть более широкий диапазон благоприятных мест обитания для насекомых.
Во-вторых, и это то, что современные модели игнорируют, это то, как зараженные растения реагируют на жару.
«Мы знаем, что существуют ограничения, которые не позволяют растениям справляться с двумя стрессами одновременно», - сказал Грегг Хоу, заслуженный профессор Университета в Лаборатории исследований растений МГУ-МЭ. «В данном случае мало что известно о том, как растения справляются с повышенной температурой и одновременным нападением насекомых, поэтому мы хотели попытаться заполнить этот пробел».
У растений есть системы для борьбы с различными угрозами. Атака гусеницы? Для этого есть система. Когда гусеница откусывает лист, растение вырабатывает гормон под названием жасмонат или JA. JA приказывает заводу быстро произвести защитные соединения, чтобы помешать гусенице.
Слишком жарко? У перегретых культур есть еще один набор трюков, чтобы охладиться. Очевидно, что они не могут убежать в привлекательную тень под деревом. Они отрывают листья от горячей почвы. Они также «потеют», открывая свои устьица - похожие на поры кожи - так что вода может испаряться, охлаждая листья.
Натан Хавко, исследователь с докторской степенью в лаборатории Хоу, совершил прорыв, когда вырастил помидоры в горячих ростовых камерах, которые поддерживаются при температуре 38 градусов по Цельсию. Он также выпускал на них голодных гусениц.
«Я был потрясен, когда открыл двери в камеру выращивания, где две группы растений росли при «нормальной» и «высокой» температуре», - сказал Хоу. «Гусеницы в более теплом месте были намного крупнее, они почти уничтожили растение».
«Когда температура выше, поврежденное растение помидора вырабатывает еще больше JA, что приводит к более сильной защитной реакции», - сказал Хавко.«Почему-то это не отпугивает гусениц. Более того, мы обнаружили, что JA блокирует способность растения охлаждаться, оно не может поднимать листья или потеть».
Возможно, растения закрывают свои поры, чтобы остановить потерю воды из поврежденных участков, но в конечном итоге они страдают от теплового удара. Возможно даже, что гусеницы хитры и наносят дополнительный ущерб, чтобы закрыть поры листа и повысить температуру листа, что ускорит рост и развитие насекомого.
И есть последствия.
«Мы видим, что фотосинтез, то есть то, как сельскохозяйственные культуры производят биомассу, у этих растений сильно нарушен», - сказал Хавко. «Ресурсы для производства биомассы есть, но почему-то они не используются должным образом, и урожайность снижается».
Есть много открытых вопросов, требующих решения, но на данный момент исследование предполагает, что при повышении глобальной температуры у растений может оказаться слишком много яиц, чтобы жонглировать ими.
«Я думаю, что нам еще предстоит оценить неожиданные компромиссы между защитными реакциями и продуктивностью растений, особенно когда присутствуют другие виды стресса окружающей среды», - сказал Хоу. «Включение защитной реакции может принести больше вреда, чем пользы, если растения столкнутся с высокими температурами или другими стрессами».
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. В исследовательскую группу из лаборатории Howe входят Майкл Дас, Джордж Капали, Натан Хавко и Грегг Хоу. Исследования фотосинтеза проводились при поддержке Алана Макклейна и Томаса Шарки из лаборатории Шарки.