As culturas podem enfrentar problemas duplos de insetos e um clima mais quente

As culturas podem enfrentar problemas duplos de insetos e um clima mais quente No calor, as plantas de tomate não conseguem combater o verme do tabaco com fome, Manduca sexta. De www.shutterstock.com

Por milênios, os insetos e as plantas em que se alimentam estão envolvidos em uma batalha co-evolutiva: comer ou não ser comido. Até recentemente, os dois lados antagônicos mantinham um tipo de impasse. Com as mudanças climáticas, no entanto, as temperaturas mais altas podem mudar o equilíbrio em favor dos insetos e significar perigo para as culturas e para os agricultores que cuidam delas.

Nossa equipe de pesquisa da Michigan State University Instituto de Resiliência de Plantas assistiu o que aconteceu no tempo mais quente quando lagartas hornworm atacaram uma planta de tomate. O tomate perdeu. Vimos uma troca surpreendente pela planta durante a onda de calor: ela se defendeu das lagartas, mas esse esforço a impediu de lidar com os efeitos nocivos do calor. Isso causou o superaquecimento da planta, o que fortaleceu a mão das lagartas.

Um estudo realizado por pesquisadores em 2018 previu que cada grau de aquecimento global será aumentar a perda de insetos em 10% a 25% porque as populações de insetos e seu apetite aumentam em temperaturas quentes. Outras variáveis ​​relacionadas ao clima, incluindo secas prolongadas ou inundações, provavelmente comporão essas perdas.

Mas, embora os cientistas tenham identificado esses variados desafios à produção de alimentos, eles ainda não sabem muito sobre como a combinação de calor e insetos afetará os sistemas de defesa embutidos nas plantas.

As plantas constantemente sentem e respondem a mudanças em seus ambientes, incluindo a presença de insetos que comem plantas.

Como as plantas combatem pragas de insetos

Ao contrário dos animais, as plantas não podem fugir ou se esconder dos predadores. Em vez disso, as plantas produzem um arsenal de produtos químicos tóxicos que repelem o ataque de insetos e outros consumidores de plantas.

A produção desses compostos é cara e muitas vezes atrapalha seu crescimento, de modo que as plantas implantam esse arsenal de defesa química somente quando danificadas por um inseto mastigador. Esse processo é desencadeado pelo hormônio da ferida da planta, o jasmonato, que controla fortemente a biossíntese, a distribuição e o armazenamento de compostos de defesa química que repelem os insetos.

Por mais de 20 anos, estudamos como o jasmonato protege plantas de herbívoros de insetos. Somente recentemente começamos a pensar em como o aumento da temperatura global influencia esse mecanismo comum de defesa das plantas.

Calor e a lagarta faminta

Em nosso estudo, nós plantas de tomate desafiadas com lagartas de hornworm sob condições normais de temperatura: 82 graus F dias (cerca de 28 graus C) e 64 graus F noites (cerca de 18 graus C). Também simulamos ondas de calor, com temperaturas subindo para 100 F (38 C) durante o dia e caindo para 82 F (28 C) à noite por vários dias.

As plantas reagiram às temperaturas mais altas intensificando a produção de jasmonato e, como conseqüência, aumentando a produção de vários compostos de defesa. Mesmo assim, os insetos comiam as plantas incansavelmente no calor.

Enquanto isso, um estudo paralelo de nossa equipe descobriu que aumentos moderados na temperatura acelerou o metabolismo dos insetos para que comessem mais rápido e causassem mais danos às plantas. Embora as plantas de tomate tenham lutado muito com sua resposta química, elas não conseguiram neutralizar o poderoso estímulo alimentar acionado pelo calor dos insetos.

Os modelos podem subestimar as perdas das culturas devido às mudanças climáticas, porque não consideram como as plantas infestadas reagem ao aumento da temperatura.

Insetos + calor = problema duplo

As plantas usam duas estratégias para esfriar quando as temperaturas ficam muito altas. Eles abrirão seus minúsculos poros foliares, chamados estômatos, liberando água que os resfria tanto quanto a transpiração resfria os humanos. As plantas também combatem o estresse térmico, levantando as folhas do solo quente, talvez em busca de uma brisa fresca.

Descobrimos inesperadamente em nosso trabalho que as plantas de tomate desafiadas por lagartas em temperaturas mais quentes não faziam essas coisas e, portanto, deixavam de esfriar suas folhas.

Em nossos experimentos de acompanhamento, descobrimos que quando as lagartas comiam suas folhas e a planta ativava o hormônio jasmonato, isso bloqueava a abertura dos estômatos minúsculos e também impedia que as folhas subissem para esfriar. A planta não conseguiu implantar sua resposta de resfriamento e, ao mesmo tempo, a fotossíntese (produzindo alimentos da luz solar e do dióxido de carbono) foi reduzida.

Essas circunstâncias efetivamente retardam o crescimento da planta. Assim, embora as plantas de tomate possam lidar bem com ataques de insetos ou com temperaturas elevadas, se essas duas tensões ocorrerem ao mesmo tempo, isso significa um duplo problema. O resultado é uma rápida desfolha por lagartas famintas e superaquecimento das folhas.

Estudo de plantas em ambientes reais

Por que o ataque de insetos impede que as plantas se resfriem permanece um mistério. No entanto, quando as plantas fecham seus estômatos durante um ataque de inseto, elas economizam água, impedindo que ela evapore das folhas feridas. Achamos que essa resposta pode beneficiar a usina quando a água é escassa, o que geralmente ocorre durante as ondas de calor.

Planejamos abordar essa questão estudando plantas cultivadas em ambientes naturais, e não sob condições laboratoriais altamente controladas. Acreditamos que tais estudos são necessários para desenvolver culturas capazes de suportar tanto o calor quanto o estresse das feridas.

Tornando plantas mais resilientes

Muitos especialistas estimam que a produtividade agrícola deve dobrar nos próximos 30 anos para atender às demandas de um população em rápido crescimento. As trajetórias atuais de produtividade das principais culturas, combinadas com os impactos incertos de um ambiente global em mudança, sugerem que o mundo ficará aquém dessa demanda usando práticas agrícolas convencionais.

O Reino Unido Royal Society e outras organizações científicas pediram uma Segunda Revolução Verde isso permitirá a intensificação sustentável da agricultura através do desenvolvimento de culturas mais resilientes diante das condições ambientais cada vez mais severas.

Os recentes avanços tecnológicos, da genômica e edição de genes às abordagens computacional e de ciência de dados, oferecem aos pesquisadores oportunidades sem precedentes para trabalhar em direção a esse objetivo. Para entender melhor as complexas interações entre ataques de calor e insetos, esperamos que nossa pesquisa possa informar novas estratégias para aumentar a resiliência das plantas em um mundo em aquecimento.

Sobre o autor

Gregg Howe, Professor de Bioquímica e Biologia Molecular, Michigan State University e Nathan Havko, bolsista de pós-doutorado em pesquisa de plantas, Michigan State University

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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