Mecanismos de resistencia a insectos en pastos que forman simbiosis con hongos endofitos

La herbivoría es una de las principales amenazas para las plantas teniendo impactos negativos no solo en los sistemas naturales sino también en los agro-ecosistemas. De la coevolución con los insectos han surgido en las plantas numerosas estrategias para sortear las amenazas como barreras físicas y bioquímicas. Además, muchas plantas establecen relaciones simbióticas con microorganismos, como los hongos micorrízicos, rizobacterias y hongos endofitos, los cuales inducen los mecanismos de defensa de las plantas, o aportan mecanismos adicionales de defensa como los alcaloides producidos por los hongos endofitos en pastos. Para el caso en particular de la simbiosis pasto-endofito, no existen trabajos que exploren la posibilidad de que ambos mecanismos (los alcaloides fúngicos y los cambios inducidos por el simbionte sobre los mecanismos de resistencia de la planta) funcionen de forma conjunta frente al ataque de insectos. En esta tesis buscamos comprender la interacción entre los mecanismos de resistencia conferidos por la simbiosis con los endofitos y el sistema inmune de la planta frente al ataque de insectos herbívoros. Para ello, avanzamos en un modelo teórico que incorpora conjuntamente el impacto potencial de los endofitos sobre los mecanismos de defensa de las plantas, específicamente el de las homonas ácido salicílico y ácido jasmónico, y los compuestos tóxicos sintetizados por el hongo (i.e. alcaloides). La validación del modelo propuesto es abordada a través de dos aproximaciones. Primero, una síntesis y análisis cuantitativo de la información existente en la literatura. Segundo, las hipótesis del modelo serán puestas a prueba a través de experimentos manipulativos del estado de la simbiosis y de las hormonas, complementado con la evaluación del crecimiento y/o desarrollo de distintas especies de insectos herbívoros. Combinando experimentos fácticos con herramientas de la química ecológica, este proyecto constituye el primer esfuerzo en integrar el mecanismo de resistencia conferido por los hongos endofitos con los mecanismos de defensa de las plantas

Mecanismos de resistencia a insectos en pastos que forman simbiosis con hongos endofitos

La herbivoría es una de las principales amenazas para las plantas teniendo impactos negativos no solo en los sistemas naturales sino también en los agro-ecosistemas. De la coevolución con los insectos han surgido en las plantas numerosas estrategias para sortear las amenazas como barreras físicas y bioquímicas. Además, muchas plantas establecen relaciones simbióticas con microorganismos, como los hongos micorrízicos, rizobacterias y hongos endofitos, los cuales inducen los mecanismos de defensa de las plantas, o aportan mecanismos adicionales de defensa como los alcaloides producidos por los hongos endofitos en pastos. Para el caso en particular de la simbiosis pasto-endofito, no existen trabajos que exploren la posibilidad de que ambos mecanismos (los alcaloides fúngicos y los cambios inducidos por el simbionte sobre los mecanismos de resistencia de la planta) funcionen de forma conjunta frente al ataque de insectos. En esta tesis buscamos comprender la interacción entre los mecanismos de resistencia conferidos por la simbiosis con los endofitos y el sistema inmune de la planta frente al ataque de insectos herbívoros. Para ello, avanzamos en un modelo teórico que incorpora conjuntamente el impacto potencial de los endofitos sobre los mecanismos de defensa de las plantas, específicamente el de las homonas ácido salicílico y ácido jasmónico, y los compuestos tóxicos sintetizados por el hongo (i.e. alcaloides). La validación del modelo propuesto es abordada a través de dos aproximaciones. Primero, una síntesis y análisis cuantitativo de la información existente en la literatura. Segundo, las hipótesis del modelo serán puestas a prueba a través de experimentos manipulativos del estado de la simbiosis y de las hormonas, complementado con la evaluación del crecimiento y/o desarrollo de distintas especies de insectos herbívoros. Combinando experimentos fácticos con herramientas de la química ecológica, este proyecto constituye el primer esfuerzo en integrar el mecanismo de resistencia conferido por los hongos endofitos con los mecanismos de defensa de las plantas

Jasmonic acid regulation of the anti-herbivory mechanism conferred by fungal endophytes in grasses

The most studied mechanism of protection against herbivores in grasses associated with Epichloë fungal endophytes has been the fungal production of alkaloids. However, the contribution of the plant immune response on the level of resistance to herbivores in symbiotic grasses has been poorly explored. We studied the relationship between the plant hormone, jasmonic acid (JA) and Epichloë fungal endophytes on herbivore defences in symbiotic grasses. We hypothesized that an exogenous application of methyl jasmonate (MeJA), an activator of the plant JA defence response, would increase the level of resistance of endophyte-symbiotic and non-symbiotic plants to a chewing insect. As Epichloë endophytes produce alkaloids, an enhancement of the JA defence would complement the resistance given by these alkaloids. Lolium multiflorum plants symbiotic and non-symbiotic with the endophyte Epichloë occultans were subjected to an exogenous application of MeJA followed by a challenge with the generalist chewing insect Spodoptera frugiperda. We measured the level of plant resistance to chewing insects, and the defences conferred by host plants and fungal endophytes. Symbiotic plants were more resistant to S. frugiperda than their non-symbiotic counterparts. However, despite the fact that the concentration of JA significantly increased in all plants exposure to MeJA, neither endophyte-symbiotic nor non-symbiotic plants showed an enhanced resistance to insects. Unexpectedly, the exposure of endophyte-symbiotic plants to MeJA led to a reduction in the concentration of loline alkaloids (i.e. N-formyllolines and N-acetylnorlolines), consequently decreasing the level of plant resistance to the herbivore. Synthesis. Our results suggest that, rather than complementing the alkaloid-based defence, the jasmonic acid hormone weakens the anti-herbivore mechanism conferred by Epichloë endophytes. The present study highlights that the interaction between the jasmonic acid hormone and the presence of leaf fungal endophytes can be of importance for the effectiveness of the anti-herbivore defences of symbiotic plants.Fil: Bastias Campos, Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura; ArgentinaFil: Martinez-Ghersa, Maria Alejandra. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura; ArgentinaFil: Newman, Jonathan A.. University of Guelph; CanadáFil: Card, Stuart D.. AgResearch; Nueva ZelandaFil: Mace, Wade J.. AgResearch; Nueva ZelandaFil: Gundel, Pedro Emilio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura; Argentin

Metabolism or behavior: explaining the performance of aphids on alkaloid-producing fungal endophytes in annual ryegrass (Lolium multiflorum)

Plant–herbivore interactions are often mediated by plant microorganisms, and the “defensive mutualism” of epichloid fungal endophytes of grasses is an example. These endophytes synthesize bioactive alkaloids that generally have detrimental effects on the performance of insect herbivores, but the underlying mechanisms are not well understood. Our objective was to determine whether changes in the physiology and/or behavior of aphids explain the changes in performance of insects feeding on endophytic plants. We studied the interaction between the aphid Rhopalosiphum padi and the annual ryegrass Lolium multiflorum symbiotic (E+) or not symbiotic (E−) with the fungus Epichloë occultans that can synthesize loline alkaloids. We hypothesized that aphids feeding on E+ plants have higher energetic demands for detoxification of fungal alkaloids, thereby negatively impacting the individual performance, population growth, and structure. Aphids growing on E+ plants had lower values in morphometric and functional variables of individual performance, displayed lower birth rate, smaller population size, and dramatic structural changes. However, aphids exhibited lower values of standard metabolic rate (SMR) on E+ plants, which suggests no high costs of detoxification. Behavioral variables during the first 8 h of feeding showed that aphids did not change the phloem sap ingestion with the presence of fungal endophytes. We hypothesize that aphids may maintain phloem sap ingestion according to their fungal alkaloid tolerance capacity. In other words, when alkaloid concentrations overcome tolerance threshold, ingestion of phloem should decrease, which may explain the observed lower values of SMR in E+ feeding aphids.Fil: Bastias Campos, Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía; ArgentinaFil: Ueno, Andrea Celeste. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía; ArgentinaFil: Machado Assefh, Cristina Renata. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Salta; Argentina. Universidad Nacional de Salta. Facultad de Ciencias Naturales. Escuela de Biología. Cátedra de Química Biológica; ArgentinaFil: Alvarez, Adriana Elisabet. Universidad Nacional de Salta. Facultad de Ciencias Naturales. Escuela de Biología. Cátedra de Química Biológica; ArgentinaFil: Young, Carolyn A.. The Samuel Roberts Noble Foundation; Estados UnidosFil: Gundel, Pedro Emilio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía; Argentin

Epichloë Fungal Endophytes and Plant Defenses: Not Just Alkaloids

Although the role of fungal alkaloids in protecting grasses associated with Epichloë fungal endophytes has been extensively documented, the effects of the symbiont on the host plant's immune responses have received little attention. We propose that, in addition to producing protective alkaloids, endophytes enhance plant immunity against chewing insects by promoting endogenous defense responses mediated by the jasmonic acid (JA) pathway. We advance a model that integrates this dual effect of endophytes on plant defenses and test its predictions by means of a standard meta-analysis. This analysis supports a role of Epichloë endophytes in boosting JA-mediated plant defenses. We discuss the ecological scenarios where this effect of endophytes on plant defenses would be most beneficial for increasing plant fitness. To achieve a well-established symbiosis, plants and beneficial microorganisms engage in a complex molecular dialog that affects several plant functions, including resource allocation and the expression of plant defenses. Beneficial microorganisms such as rhizobia and mycorrhizal fungi can enhance the defenses of their host plants, thereby increasing plant resistance to a broad spectrum of attackers. Recent studies reveal that Epichloë fungal endophytes can also induce changes in molecular components associated with defense signaling in the host plant. These changes could have impacts on the plant's resistance to attackers.Fil: Bastias Campos, Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura; ArgentinaFil: Martinez-Ghersa, Maria Alejandra. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura; ArgentinaFil: Ballare, Carlos Luis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas "Dr. Raúl Alfonsín" (sede Chascomús). Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas "Dr. Raúl Alfonsín" (sede Chascomús); ArgentinaFil: Gundel, Pedro Emilio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura; Argentin

The plant hormone salicylic acid interacts with the mechanism of anti‐herbivory conferred by fungal endophytes in grasses

The plant hormone salicylic acid (SA) is recognized as an effective defence against biotrophic pathogens, but its role as regulator of beneficial plant symbionts has received little attention. We studied the relationship between the SA hormone and leaf fungal endophytes on herbivore defences in symbiotic grasses. We hypothesize that the SA exposure suppresses the endophyte reducing the fungal‐produced alkaloids. Because of the role that alkaloids play in anti‐herbivore defences, any reduction in their production should make host plants more susceptible to herbivores. Lolium multiflorum plants symbiotic and nonsymbiotic with the endophyte Epichloë occultans were exposed to SA followed by a challenge with the aphid Rhopalosiphum padi. We measured the level of plant resistance to aphids, and the defences conferred by endophytes and host plants. Symbiotic plants had lower concentrations of SA than did the nonsymbiotic counterparts. Consistent with our prediction, the hormonal treatment reduced the concentration of loline alkaloids (i.e., N‐formyllolines and N‐acetylnorlolines) and consequently decreased the endophyte‐conferred resistance against aphids. Our study highlights the importance of the interaction between the plant immune system and endophytes for the stability of the defensive mutualism. Our results indicate that the SA plays a critical role in regulating the endophyte‐conferred resistance against herbivores.Fil: Bastias Campos, Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura; ArgentinaFil: Martinez-Ghersa, Maria Alejandra. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura; ArgentinaFil: Newman, Jonathan A.. University of Guelph; CanadáFil: Card, Stuart D.. Grasslands Research Centre; Nueva ZelandaFil: Mace, Wade J.. Grasslands Research Centre; Nueva ZelandaFil: Gundel, Pedro Emilio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas Vinculadas a la Agricultura; Argentin