Interaction with plant defences in spider mites with different degrees of specialization

Abstract

As plantas evoluíram várias estratégias defensivas (ex. metabolitos secundários e inibidores de proteases) para diminuir os efeitos negativos causados pelos herbívoros. Em resposta, os herbívoros evoluíram estratégias para resistir às defesas das plantas. Enquanto que alguns evitam tecidos ricos em compostos tóxicos ou os digerem, outros conseguem manipular a indução da resposta defensiva das plantas, suprimindo ou mesmo reduzindo as defesas. Em alguns ácaros-aranha do género Tetranychus a indução e a redução das defesas do tomate foram descritas. Enquanto que T. urticae é conhecido por induzir as defesas relacionadas com o ácido jasmónico, T. evansi e T. ludeni conseguem reduzir essas defesas, aumentando a sua própria capacidade reprodutiva e a de competidores. Contudo, o método como estas espécies manipulam as defesas das plantas é ainda pouco conhecido. Em T. evansi, estudos anteriores observaram que esta espécie atua em defesas dependentes tanto do ácido jasmónico como do ácido salicílico. Contudo, estudos referentes a T. ludeni ainda não foram realizados. Para perceber se os alvos de manipulação são semelhantes para T. evansi e T. ludeni tomateiros com defesas modificadas foram utilizados: def-1, tomateiros em que a expressão génica associada à indução de defesas está mutada; e 35S::prosys, tomateiros em que a expressão génica associada à indução de defesas está constitutivamente expressa. Os resultados obtidos sugerem que T. evansi e T. ludeni parecem ter o mesmo alvo defensivo e que, provavelmente, T. ludeni poderá ainda modificar outros alvos defensivos independentes daquele já caracterizado. Apesar de, na maioria dos casos, T. urticae ser caracterizado como um indutor de defesas, em algumas populações desta espécie a supressão de defesas foi descrita. Esta variação intraespecífica e a evidência de redução de defesas nas outras duas espécies de ácaros-aranha, sugere que a capacidade de reduzir as defesas pode estar relacionada com a sua distribuição em diferentes hospedeiros. Sendo T. urticae uma espécie polifágica é provável que a sua estratégia manipulativa seja diferente consoante a família da planta em que se encontra. Por sua vez, em T. evansi e T. ludeni, o grau de redução de defesas poderá estar associado ao seu grau de especialização, sendo que a espécie especialista da família das Solanaceae (T. evansi) apresenta uma maior redução das defesas de tomate do que a espécies especialista da ordem das Solanales (T. ludeni). Estas evidências levantam as seguintes questões: (i) como é que diferentes graus de especialização pode influenciar a presença de redução de defesas; e (ii) como é que a variabilidade das defesas do hospedeiro podem influenciar e modular esta estratégia. Para perceber isto, estudámos a performance e a capacidade de redução de defesas em quatro plantas da família das Solanales, nomeadamente, tomate, datura, tabaco e purple (três Solanaceae e uma Convolvulaceae) e uma Fabaceae (feijão:outgroup). Primeiro, a performance das três espécies de ácaros-aranha nas diferentes plantas hospedeiras foi medida. Os resultados da performance demonstraram que T. evansi e T. ludeni estavam localmente adaptados a tomate e purple e que T. urticae não teve uma boa fecundidade em nenhuma das Solanales testadas, apresentado uma fecundidade mais elevada para feijão. Em datura, apesar dos seus elevados níveis de tropanos, a fecundidade das três espécies parece não ter sido afetada, sendo semelhante para T. ludeni e T. urticae e mais elevada em T. evansi. Isto sugere que tomate e datura têm um perfil químico semelhante, contudo menos tóxico que o de tomate para T. ludeni e T. urticae. Em tabaco, a fecundidade para as três espécies de ácaros-aranha foi, no geral, reduzida, sugerindo que esta planta pode ser altamente tóxica para estas espécies. Finalmente, em feijão, a fecundidade das três espécies foi semelhante. Contudo, o sex-ratio (proporção de fêmeas) de T. evansi nesta planta foi menor comparativamente às restantes espécies. Isto, juntamente com a baixa proporção de eclosão de ovos de T. evansi, comparativamente com T. urticae, poderá explicar o porquê desta espécie não ser encontrada em feijão na natureza e não ser possível mantê-la em feijão em laboratório. Para testar a presença ou ausência de redução das defesas, as várias plantas foram pré-infestadas com as três espécies de ácaros. Para tomate, em plantas pré-infestadas tanto por T. evansi, T.ludeni ou T. urticae não houve um aumento da performance dos con- ou heterospecíficos como sugerido anteriormente. Resultados referentes à actividade de inibidores de proteases demonstraram que uma redução das defesas não estava presente, mas sim uma supressão em todas as plantas pré-infestadas. Contudo, é importante referir que, devido à elevada mortalidade de T. ludeni em tomate, nenhumas conclusões concretas conseguiram ser delineadas. Por sua vez, o resultado obtido para T. urticae poderá ser explicado pela manutenção da população utilizada, por mais de 20 gerações, em tomate. Como sugerido em estudos anteriores, uma adaptação a este hospedeiro poderá levar ao aparecimento de supressão das suas defesas. Para datura e purple não se verificaram diferenças tanto ao nível da performance de con-ou heterospecíficos como na actividade dos inibidores de proteases para todas as plantas pré-infestadas. Isto sugere, novamente, uma supressão das defesas. Contudo, devido ao número reduzido de réplicas de datura e á grande mortalidade de T. evansi em purple, conclusões sobre todos os tratamentos de datura e sobre purple pré-infestada com T. evansi não poderam ser delineadas Em tabaco, apesar de não ser visível uma redução da performance dos conspecíficos, T. evansi induziu a actividade dos inibidores de proteases. Isto sugere que a manipulação das defesas é altamente dependente do hospedeiro em que o herbívoro se encontra. Para tabacos pré-infestados por T. ludeni ou T. urticae, houve um aumento da performance de heterospecíficios, contudo, a actividade dos inibidores de proteases apareceu tendencialmente induzida. Assim sendo, os resultados de performance poderão ter sido afetados pela grande variabilidade no crescimento destas plantas. Os resultados face ao tabaco sugerem que estas plantas possuem uma estrutura defensiva muito particular, impedindo a supressão das suas defesas por parte dos ácaros-aranha. Para complementar estes resultados, medições da refletância de folhas limpas e pré-infestadas foram realizadas. Os resultados mostraram uma redução da refletância na zona dos UV-B em todas as plantas pré-infestadas. Isto sugere que as plantas, independentemente do efeito supressor observado nos ácaros-aranha, conseguem induzir a produção de compostos secundários, como compostos fenólicos, respondendo à herbivoria. Assim, a capacidade manipulativa dos ácaros-aranha, parece estar restrita a um nível de defesas, não suprimindo outras respostas defensivas por parte das plantas. Adicionalmente, numa tentativa de perceber se a herbivoria por parte dos ácaros-aranha levava a uma modificação no metabolismo primário das plantas, vários índices de refletância baseados na concentração relativa de clorofilas e na eficiência do uso de radiação pelo fotossistema II foram calculados. Os resultados sugerem que, no geral, o metabolismo primário das plantas não foi modificado. Contudo, um dos índicies utilizados (Cig) revelou uma redução da concentração relativa da clorofila em plantas pré-infestadas com T. evansi. Isto pode sugerir um maior dano foliar por parte desta espécie. Finalmente, para perceber quais as consequências ecológicas da redução de defesas, testes de escolha entre plantas limpas ou infestadas com uma espécie indutora (T. urticae) ou redutora (T. evansi) de defesas foram realizados. Os resultados revelaram que, apesar dos benefícios previamente descritos da redução das defesas, os competidores preferem plantas previamente ocupadas por T. urticae. Isto poderá ser explicado pela: (i) ausência de evidências, ao longo deste projeto, da redução ou indução de defesas por T. evansi e T. urticae; (ii) grande produção de teias, por T. evansi, que afetam a capacidade reprodutiva dos competidores. Adicionalmente, também conspecíficos de T. evansi parecem preferir plantas pré-infestadas por T. urticae. Contudo, foi previamente observado que competidores interespecíficos tendem a preferir plantas pré-infestadas com T. urticae. No geral, não foram encontradas evidências de redução de defesas. Contudo, parece que todas as espécies de ácaros-aranha testadas possuem a capacidade de fazer supressão de defesas em algumas das cinco plantas hospedeiras testadas. Contudo, este resultado parece não ser dependente do grau de especialização dos ácaros testados. Adicionalmente, dados de refletância sugeriram que apesar da supressão da actividade dos inibidores de proteases, as plantas continuam a responder à herbivoria através de outras estratégias defensivas, como compostos secundários. Os resultados deste projeto sugerem que ambos herbívoro e planta possuem um papel activo na evolução da supressão das defesas. Assim sendo, uma abordagem co-evolutiva deste fenómeno complexo poderá ser a chave para perceber a evolução da supressão.

Plants have evolved several defensive strategies (e.g. secondary metabolites, wound-inducible proteins) to limit the damage caused by herbivory. However, some herbivores have evolved means to circumvent such plant defences. Indeed, while most herbivores trigger plant defences, some can suppress or even down-regulate them, and examples of this strategy have been mainly reported in herbivores interacting with plants from the Solanales order. Unlike Tetranychus urticae, a polyphagous spider-mite species that induces wound-responses on tomato plants, T. evansi and T. ludeni, specialists of the Solanaceae family and the Solanales order, respectively, can down-regulate such defences. However, little is still known about the defence targets of this manipulative ability. By using tomato plants with impaired defences, results shown that T. evansi and T. ludeni may manipulate similar defence targets. Additionally, to further understand how broad this down-regulation ability is and how different degrees of specialization (host range) can influence its presence and intensity down-regulation, four plants from the Solanales order, namely tomato, datura, tobacco and purple (three Solanaceae and one Convolvulaceae), and bean plants (Fabales: the outgroup) were selected. It was observed that T. evansi and T. ludeni were locally adapted to tomato and purple plants, respectively, and that T. urticae performed worse in Solanales order plants than in the outgroup. Moreover, no evidences of down-regulation were found contrarily to what was expected. Indeed, only suppression of plant defences was observed, being present for the three mite species on at least one of the five plants tested. Finally, to understand what may be the ecological consequences of down-regulation, choices between plants either clean or pre-infested with T. evansi and T. urticae were performed. This experiment revealed that, despite the benefits of down-regulation, spider mites preferred plants pre-infested with T. urticae. With this project, it was shown that the manipulation of plant defences is highly dependent on both host and herbivore, but not on the degree of specialization of the latter. As such, a co-evolutionary approach of this complex phenomenon can be the key to understand the evolution of defence manipulation.