Plant responses to spider mite oviposition

Autor: Ojeda Martínez, Dairon Antonio
Přispěvatelé: Díaz Rodríguez, Isabel, Santamaría Fernández, Mª Estrella
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Archivo Digital UPM
Universidad Politécnica de Madrid
Popis: Plants are sessile organisms permanently exposed to a combination of abiotic and biotic stresses. Therefore, their survival depends on their capacity to adapt to the myriad of events that they face constantly. Among them, arthropod herbivory has a heavy cost on plant biology, and on agricultural systems millions of euros are lost every year due to pest activity. On top of this, current global environmental changes are directly influencing agricultural systems and their dynamics, facilitating pest proliferation and dispersion. Oviposition by herbivore arthropods is a vital but understudied life stage, that represents the start of a new generation of pests. Although eggs might seem like a harmless developmental stage, they have the capacity to induce complex sets of plant defences. However, the underlying molecular events and the elicitors responsible for them remain poorly understood. To comprehend plant defences and the genetic and molecular mechanisms that participate during oviposition, we used Tetranychus urticae and Arabidopsis thaliana as a plantpest interaction models. The main objective of the present work is to identify and describe the defence pathways involved in the response of plants to the spider mite oviposition/egg extract. By providing this information, defence genes and pathways will be elucidated with potential to be used as new and environmentally friendly acaricides. To achieve this goal, several molecular and phenotypical experiments were done. A temporal analysis of the plant transcriptional response to the mite eggs was achieved using an RNA-seq assay. These results were then contextualised by a systematic review and re-analysis of the raw transcriptional data on arthropod oviposition. Comparisons to determine specific and general biological processes during plant response to oviposition events were determined from this research. Transcriptional dynamics were accompanied by a metabolomic study of the plant response. The plant-egg interphase was analysed to identify common oviposition processes like cell death, ROS production and other defence reactions. Spider mite bioassays showed that plant damage and mite biology are modified in plants previously treated with eggs. In addition, during this work a tool was developed to contribute to the mite-plant interaction biology studies. An AI-based method was developed that automatically identifies and measures the extent of damage produced by the sider mite feeding on plants. Overall, the present study revealed information on the complexity of plant response to pest oviposition. Their scope, intensity and possible significance is discussed in light of the known biology of such processes. Open questions remained on this complex subject, to which ongoing and future studies will answer. ----------RESUMEN---------- Las plantas son organismos sésiles que están permanentemente expuestos a una combinación de estreses bióticos y abióticos. Debido a ello, su supervivencia depende de su capacidad de adaptarse a los distintos estreses. Entre estos estímulos, la herbivoría por parte de artrópodos tiene un coste elevado en la biología vegetal, y en los sistemas agrícolas se pierden millones de euros cada año debido a la actividad de plagas. Además, el cambio climático global está impactando directamente en la agricultura y sus dinámicas, estimulando la proliferación y dispersión de la misma. Para ser capaces de afrontar tales eventos es imprescindible conocer la biología de la interacción planta-plaga. La oviposición por parte de artrópodos herbívoros es una fase vital pero poco estudiada, que representa el comienzo de una nueva generación de plagas. Aunque los huevos parezcan una fase inocua del desarrollo, tienen la capacidad de inducir complejos mecanismos de defensa en las plantas. Sin embargo, se sabe muy poco de los eventos moleculares desencadenados y los elicitores responsables de dicha actividad. Para estudiar los eventos genéticos y moleculares que ocurren durante la respuesta de la planta a la oviposición, en el presente trabajo utilizamos a Tetranychus urticae y Arabidopsis thaliana como modelos de estudio de la interacción planta-plaga. El objetivo principal del siguiente trabajo consiste en identificar y describir las rutas de defensa implicadas en la respuesta de las plantas a la oviposición/extracto de huevo del ácaro T. urticae. El conocimiento generado podría ser de gran ayuda en el diseño de nuevas estrategias de control de plagas no nocivas para el medio ambiente. Para alcanzar este objetivo, se realizaron múltiples experimentos moleculares y de fenotipado. Se desarrolló un análisis temporal de la respuesta transcripcional a los huevos del ácaro a través de un RNA-seq. Estos resultados se pusieron en contexto a través de un análisis sistemático de la literatura. A través de este estudio, se compararon nuestros resultados con los previamente obtenidos por otros investigadores permitiéndonos detectar especificidades y generalidades del proceso. Al estudio de la dinámica transcripcional, se añadió un análisis metabolómico de la respuesta de la planta. Se observó que la respuesta de la planta al extracto de huevo de T. urticae se caracterizaba por procesos previamente asociados a oviposición como muerte celular, producción de ROSs y otras reacciones de defensa. Además, el daño en planta y la capacidad de reproducción del acaro se veían modificados en plantas previamente expuestas al extracto de huevo. Adicionalmente, durante este trabajo se desarrolló una herramienta que contribuye al estudio de la biología de la interacción planta-ácaro. Se adaptó un método basado en IA capaz de identificar automáticamente y cuantificar la extensión del daño inducido por la alimentación del ácaro en plantas. De manera general, el presente estudio revela cuán complejos son los procesos de respuesta de las plantas a la oviposición de las plagas. La envergadura, intensidad y posible significado de las mismas se discute en el presente trabajo a la luz del conocimiento biológico disponible relacionado con estos procesos. Múltiples incógnitas quedan también planteadas y son discutidas, a las cuales experimentos en curso y futuros estudios darán respuesta.
Databáze: OpenAIRE
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