¿Las plantas atacadas por herbívoros producen sustancias que son más efectivas contra los atacantes de manera selectiva, o son cambios inducidos por herbívoros en el metabolismo de las plantas al azar, lo que podría frustrar el desempeño de los herbívoros? Los científicos del Instituto Max Planck de Ecología Química enJena, Alemania, y en el Instituto de Biología Molecular de Plantas del CNRS / Universidad de Estrasburgo, Francia, probaron por primera vez estas hipótesis de larga data utilizando el tabaco de coyote Nicotiana attenuata y sus parientes cercanos. Combinaron extensas mediciones de plantas conocidas y desconocidasmetabolitos usando espectrometría de masas con medidas estadísticas derivadas de la teoría de la información. Los resultados muestran que las plantas regulan su metabolismo direccionalmente para producir defensas efectivas. Además, un enfoque comparativo usando diferentes poblaciones y especies estrechamente relacionadas demostró que la cantidad de ciertas hormonas vegetales es crucial paradireccionalidad de la respuesta de la planta a su enemigo.
Todos los organismos vivos en la tierra se pueden dividir en dos grupos principales: los que producen sus propios alimentos a partir de fuentes abióticas, como la luz, y los que se alimentan de otros organismos. Estas diferentes formas de alimentación afectan el metabolismo de un organismo. Plantas, queobtienen su energía de la luz, producen una diversidad de metabolitos mucho mayor que los animales. Los científicos se han preguntado durante mucho tiempo qué fuerzas evolutivas están detrás de esta diferencia. Ya en la década de 1950, los investigadores asumieron que la capacidad de las plantas para producir ciertas sustancias para defenderellos mismos podrían ser una razón. Hay dos teorías diferentes sobre cómo se regula la producción de tales sustancias defensivas en una planta: una posibilidad es que las plantas adapten su metabolismo de tal manera que produzcan compuestos con funciones defensivas de acuerdo con la probabilidad deataque futuro. Esta teoría se llama "Defensa óptima". En contraste, una segunda teoría asume que las plantas cambian su metabolismo al azar. Para herbiPor ejemplo, estos cambios aleatorios no serían predecibles y, por lo tanto, no pueden adaptarse a la defensa de una planta.Esta suposición se llama la teoría de un Objetivo Móvil, porque la estrategia de defensa no está dirigida, sino que ataca a los atacantes al azar.
Aunque muchas sustancias defensivas individuales que las plantas producen después de ser atacadas ya se han caracterizado bien, aún no ha sido posible probar experimentalmente cuál de las dos teorías se aplica en una amplia escala metabólica. Para responder a esta pregunta, los científicos del MaxEl Planck Institute for Chemical Ecology y el CNRS Institute of Plant Molecular Biology / University of Strasbourg han estudiado la planta modelo ecológica Nicotiana attenuata después del ataque de dos herbívoros diferentes. Las larvas de la polilla del halcón del tabaco son especialistas que solo se alimentan de plantas de sombra y songeneralmente bien adaptados a las defensas de sus plantas alimenticias, mientras que las orugas de la lombriz africana son generalistas y pueden alimentarse de muchas plantas diferentes; sin embargo, están menos adaptadas a las especies de plantas individuales y sus compuestos defensivos. Los científicos utilizaron la espectrometría de masas paraanalizar los metabolitos conocidos, así como los nuevos y desconocidos que las plantas formaron después del ataque de herbívorosd utilizó principios estadísticos de la teoría de la información para su evaluación de datos.Los métodos modernos de espectrometría de masas permiten una medición imparcial de tantas sustancias como sea posible."Lo que se necesita es definir una media de puntuación estadística de la diversidad metabólica dentro de un extracto de planta y compararla a través de múltiples condiciones experimentales y para diferentes especies de plantas. Además, es crucial identificar los compuestos presentes en una muestra de planta dada que sigue siendo una piedra angulardesafío en la metabolómica. En este estudio, proporcionamos un enfoque que combina innovaciones en la metabolómica computacional y el uso de conceptos estadísticos desarrollados como parte de la teoría de la información y aplicamos este enfoque para probar las predicciones de las teorías de defensa de las plantas ", explica Emmanuel Gaquerel, unode los líderes del estudio.
"El flujo de trabajo computacional que permitió un análisis imparcial y holístico del metabolismo de las plantas descrito en nuestro artículo muestra claramente que los cambios metabólicos de Nicotiana attenuata cuando son atacados por orugas generalistas y especialistas es altamente direccional", resume Ian Baldwin, uno de los autores principales,Los resultados del estudio. El estudio respalda así la teoría de la defensa óptima: las plantas reorganizan su metabolismo de una manera que sea direccional hacia la formación de sustancias defensivas.
"Nos sorprendió que los índices estadísticos obtenidos para los perfiles metabólicos resultantes de la alimentación de los dos herbívoros, un generalista de alimentación nocturna y un especialista en sombreado nocturno, se superpusieran en gran medida a pesar de sus distintos comportamientos de alimentación", Dapeng Li, el primer autor dedice el estudio. Para descubrir cómo evolucionó esta estrategia de defensa y qué compuestos proporcionan una contribución crucial para su éxito, los científicos utilizaron plantas en las que un rasgo había sido modificado genéticamente, así como poblaciones de plantas de la misma especie y variosespecies estrechamente relacionadas. Descubrieron que los cambios metabólicos en respuesta al ataque de herbívoros están principalmente controlados por modificaciones marginales en la cascada de señalización de las hormonas vegetales, en particular del ácido jasmónico.
En otros experimentos, los investigadores quieren aplicar este flujo de trabajo computacional para comprender cómo los patrones circadianos y diurnos influyen en el metabolismo. Este es un problema fundamental para todos los organismos que dependen directamente de la luz solar para su nutrición, pero que solo está disponible en ciertos momentosdel día, debido a la rotación de la tierra alrededor del sol.
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Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Ecología Química . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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