Enhancement of defence potential of crop plants for insect pests by application of LED generated narrow bandwidth light (NBL)
Final Report Abstract
Die im Rahmen des Projektes durchgeführten Studien zeigen sehr spezifische, direkte Lichteffekte unterschiedlicher Lichtqualitäten und -quantitäten auf unterschiedliche Pflanzenarten und indirekte Lichteffekte auf ausgewählte herbivore Insektenarten mit unterschiedlichen Nahrungsstrategien. Kürzere Wellenlängen, wie z.B. UV-B, besitzen ein deutlich höheres Potential die Pflanzen sowohl in ihrem Wachstum und damit in ihren morphologischen Eigenschaften als auch in ihrem sekundären Metabolismus und damit auch indirekt in ihrer Nahrungsqualität für herbivore Insekten zu beeinflussen als längere Wellenlängen, wie z.B. rot. Am Beispiel von Brokkoli und Rosenkohlpflanzen konnte gezeigt werden, dass sich der sekundäre Metabolismus gezielt durch Behandlung mit unterschiedlichen Lichtqualitäten, generiert mit LEDs in der Klimakammer oder im Gewächshaus, verändern lässt. Induzierbar waren sowohl eine Abnahme als auch eine Zunahme - je nach Lichtqualität - der Gehalte spezifischer Flavonole und Glucosinolate. Bestimmungen dieser Inhaltsstoffe mit dem dafür im Projekt angeschafften Dualex Messgerät ermöglichten zwar einen Überblick über relative Gesamtgehalte von Stoffgruppen ohne destruktive Analysen, konnten aber eine Einzelstoffanalyse mittels HPLC Analyse nicht ersetzen. Die hohe Spezifität der induzierten Reaktionen auf Pflanzenebene wurde beispielhaft an Brokkoli anhand sortenspezifischer Reaktionen gezeigt werden. Diese Spezifität wurde auch auf Ebene der Herbivoren deutlich: Entsprechend der Strategie der Nahrungsaufnahme und der Wirtsspezialisierung ergaben sich sowohl bei beißend-kauenden als auch bei stechend-saugenden Insektenarten unterschiedliche indirekte Lichteffekte auf deren Entwicklungsparameter und Wahlverhalten gegenüber Wirtspflanzen. Beispielsweise mieden spezialisierte adulte Schmetterlinge eher UV-B beleuchtete Pflanzen für die Eiablage und deren Larven entwickelten sich auf unbehandelten Pflanzen besser, während Raupen von generalisierten Schmetterlingen nicht unterschiedliche Lichtbehandlungen reagierten. Generalisierte Aphiden entwickelten sich sogar besser auf Pflanzen mit UV-B Bestrahlung während spezialisierte Aphiden auf diesen Pflanzen verringerte Reproduktionsraten aufwiesen. Spezialisierte Insekten scheinen ein größeres Problem mit der veränderten Nahrungsqualität nach Lichtbehandlungen zu haben. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich die induzierte Lichtresistenz systemisch in der Pflanze von UV-B bestrahlten zu bestrahlten Bereichen ausbreiten kann. Das verminderte Pflanzenwachstum sowie die sorten- (Pflanzen) und artspezifischen (Herbivoren) Reaktionen und deren zusätzliche Abhängigkeit von Lichtqualität und -intensität, erschweren aber eine generalisierte praktische Anwendung in der Nutzpflanzenproduktion und das Verhalten unterschiedlicher Pflanzen und Schädlingen muss noch vertieft unter realistischen Lichtszenarien praxiskonform untersucht werden. Im Projekt wurde aufgrund der hohen Variabilität bezüglich der Pflanzen- und Herbivorenarten und der Bedeutung von quantitativen Analysen von Einzelsubstanzen ein Schwerpunk noch auf eher beschreibende Daten gelegt, um zu gesicherten Ergebnissen zu kommen. Dies erfolgte auf Kosten der ursprünglich geplanten PCR-Analyse von vermeintlich verantwortlichen Resistenzgenen, was in weiteren Studien neben vertieften Studien zur Signaltransduktion und zu „trade-off" Effekte zwischen Wachstum und Resistenz realisiert werden könnte.
Publications
- Deutsche Gesellschaft für allgemeine und angewandte Entomologie - Tagung in Frankfurt: "Impact of different light qualities on the performance of Brevicoryne brassicae and Myzus persicae on broccoli"
Ole Rechner
- (2016) Different narrowband light ranges alter plant secondary metabolism and plant defense response to aphids. Journal of Chemical Ecology 42(10):989-1003
Rechner O, Neugart S, Schreiner M, Wu S, Poehling HM
(See online at https://doi.org/10.1007/s10886-016-0755-2) - (2016) Effects of light-emitting diode treatments on Brevicoryne brassicae performance mediated by secondary metabolites in Brussels sprouts. Journal of Plant Diseases and Protection 123:321-330
Acharya J, Rechner O, Neugart S, Schreiner M, Poehling HM
(See online at https://doi.org/10.1007/s41348-016-0029-9) - International Congress of Entomology - Florida, Orlando, Symposium "Optical Manipulation of Arthropod Pests and Beneficials": "Induced resistance in plants against pests with specific photon fluxes generated using LEDs
Ole Rechner
- (2017) Can narrow-bandwidth light from UV-A to green alter secondary plant metabolism and increase Brassica plant defenses against aphids? PLoS ONE 12(11): e0188522
Rechner O, Neugart S, Schreiner M, Wu S, Poehling HM
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.pone.0188522) - Deutsche Gesellschaft für allgemeine und angewandte Entomologie - Tagung in Freisingen: "Light-induced resistance: Additional UV-B radiation changes the host plant attractiveness to Pieris brassicae"
Mirko Rakoski
- Tagung der Gesellschaft für Pflanzenzüchtung e.V. PZ AG 18 (Zierpflanzen) - Lehr- und Versuchsanstalt Gartenbau (LVG) Erfurt - Thema: „Insektenresistenz": „Light Induced Defense Against Herbivores Under Protected Cultivation"
Ole Rechner, Mirko Rakoski
