En el calor, las plantas de tomate no pueden luchar contra el hambriento gusano del tabaco, Manduca sexta. Desde www.shutterstock.com
Durante milenios, los insectos y las plantas de las que se alimentan han participado en una batalla co-evolutiva: comer o no ser comido. Hasta hace poco, las dos partes antagónicas han mantenido un tipo de estancamiento. Sin embargo, con el cambio climático, las temperaturas más cálidas podrían inclinar la balanza a favor de los insectos y significar peligro para los cultivos y los agricultores que los atienden.
Nuestro equipo de investigación en la Universidad Estatal de Michigan Instituto de Resiliencia Vegetal vi lo que sucedió en un clima más cálido cuando orugas de gusano de cuerno atacaron una planta de tomate. El tomate perdió. Vimos una sorprendente compensación por parte de la planta durante la ola de calor: se defendió contra las orugas, pero este esfuerzo le impidió lidiar con los efectos nocivos del calor. Esto causó el sobrecalentamiento de la planta, lo que fortaleció la mano de las orugas.
Un estudio realizado por investigadores en 2018 predijo que cada grado de calentamiento global Aumentar la pérdida de cultivos por insectos en un 10% a 25% porque las poblaciones de insectos y su apetito aumentan en temperaturas cálidas. Es probable que otras variables relacionadas con el clima, incluidas las sequías o inundaciones prolongadas, agraven esas pérdidas.
Pero aunque los científicos han identificado estos variados desafíos para la producción de alimentos, todavía no saben mucho acerca de cómo la combinación de calor e insectos afectará los sistemas de defensa incorporados de las plantas.
Las plantas perciben y responden constantemente a los cambios en sus entornos, incluida la presencia de insectos que se alimentan de plantas.
Cómo las plantas combaten las plagas de insectos
A diferencia de los animales, las plantas no pueden correr ni esconderse de los depredadores. En cambio, las plantas producen un arsenal de químicos tóxicos que repelen el ataque de insectos y otros consumidores de plantas.
Producir estos compuestos es costoso y a menudo frena su crecimiento, por lo que las plantas despliegan este arsenal de defensa química solo cuando son dañadas por un insecto masticador. Este proceso es desencadenado por la hormona de la herida de la planta, el jasmonato, que controla estrictamente la biosíntesis, la distribución y el almacenamiento de compuestos de defensa química que repelen a los insectos.
Durante más de 20 años, hemos estudiado cómo jasmonar protege las plantas de herbívoros de insectos. Solo recientemente hemos comenzado a pensar en cómo el aumento de las temperaturas globales influye en este mecanismo común de defensa de las plantas.
El calor y la oruga hambrienta
En nuestro estudio nosotros plantas de tomate desafiadas con orugas de lombriz en condiciones normales de temperatura: 82 grados F días (aproximadamente 28 grados C) y 64 grados F noches (aproximadamente 18 grados C). También simulamos olas de calor, con temperaturas que aumentan a 100 F (38 C) durante el día y caen a 82 F (28 C) por la noche durante varios días.
Las plantas respondieron a las temperaturas más altas intensificando la producción de jasmonato y, como consecuencia, aumentando la producción de varios compuestos de defensa. Aun así, los insectos se comieron las plantas implacablemente en el calor.
Mientras tanto, un estudio paralelo de nuestro equipo encontró que aumentos moderados de temperatura acelerado el metabolismo de los insectos para que comieran más rápido e hicieran más daño a las plantas. Aunque las plantas de tomate lucharon duro con su respuesta química, no pudieron neutralizar el poderoso estímulo alimentario provocado por el calor de los insectos.
Los modelos pueden subestimar las pérdidas de cultivos debido al cambio climático porque no consideran cómo reaccionan las plantas infestadas al aumento de las temperaturas.
Insectos + calor = doble problema
Las plantas usan dos estrategias para enfriarse cuando las temperaturas son demasiado altas. Abrirán sus pequeños poros de las hojas, que se llaman estomas, liberando agua que los enfría tanto como la sudoración enfría a los humanos. Las plantas también combaten el estrés por calor levantando sus hojas del suelo caliente, tal vez en busca de una brisa fresca.
Descubrimos inesperadamente en nuestro trabajo que las plantas de tomate desafiadas por las orugas a una temperatura más cálida no hicieron estas cosas y, por lo tanto, no pudieron enfriar sus hojas.
En nuestros experimentos de seguimiento, descubrimos que cuando las orugas comieron sus hojas y la planta activó la hormona jasmonato, esto bloqueó la apertura de los pequeños estomas y también impidió que las hojas se elevaran para enfriarse. La planta no pudo desplegar su respuesta de enfriamiento, y al mismo tiempo se redujo la fotosíntesis (que produce alimentos a partir de la luz solar y el dióxido de carbono).
Estas circunstancias efectivamente retrasan el crecimiento de la planta. Por lo tanto, aunque las plantas de tomate pueden hacer frente bien a los ataques de insectos o temperaturas elevadas, si esas dos tensiones se producen al mismo tiempo, eso conlleva un doble problema. El resultado es una rápida defoliación por orugas hambrientas más sobrecalentamiento de las hojas.
¡Deja de comer mis plantas de tomate! # gusanos pic.twitter.com/qTP9QcuhKV
- Eeyore, PhD (@hellmart) 6 de junio de 2018
Estudiar plantas en ambientes reales.
Por qué el ataque de insectos evita que las plantas se enfríen sigue siendo un misterio. Sin embargo, cuando las plantas cierran sus estomas durante un ataque de insectos, conservan el agua al evitar que se evapore de las hojas heridas. Creemos que esta respuesta puede beneficiar a la planta cuando hay escasez de agua, que suele ser el caso durante las olas de calor.
Planeamos abordar esta pregunta estudiando las plantas que crecen en los entornos naturales, en lugar de en condiciones de laboratorio altamente controladas. Creemos que tales estudios son necesarios para desarrollar cultivos que puedan soportar tanto el calor como el estrés de la herida.
Hacer plantas más resistentes
Muchos expertos estiman que la productividad agrícola debe duplicarse en los próximos 30 años para satisfacer las demandas de un población en rápido crecimiento. Las trayectorias de rendimiento actuales para los principales cultivos, combinadas con los inciertos impactos de un entorno global cambiante, sugieren que el mundo no alcanzará esta demanda utilizando prácticas agrícolas convencionales.
El Reino Unido Real Sociedad y otras organizaciones científicas han pedido un Segunda revolución verde eso permitirá la intensificación sostenible de la agricultura mediante el desarrollo de cultivos que sean más resistentes frente a condiciones ambientales cada vez más duras.
Los recientes avances tecnológicos, desde la genómica y la edición de genes hasta los enfoques informáticos y de ciencia de datos, brindan a los investigadores oportunidades sin precedentes para trabajar hacia este objetivo. Para lograr una mejor comprensión de las complejas interacciones del calor y los ataques de insectos, esperamos que nuestra investigación pueda informar nuevas estrategias para aumentar la resistencia de las plantas en un mundo en calentamiento.
Sobre el Autor
Gregg Howe, profesor de bioquímica y biología molecular, Michigan State University y Nathan Havko, becario postdoctoral en investigación de plantas, Michigan State University
Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.
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