The role of terpenes in the defensive responses of conifers against herbivores and pathogens

Abstract

La condició sèssil de les plantes ha fet que desenvolupin un ampli ventall de defenses físiques i químiques per fer front a herbívors i patògens. Moltes plantes tenen reserves permanents de productes químics (defenses constitutives) per fer front a les agressions biòtiques immediatament, però aquestes defenses també poden augmentar o canviar proporcionalment davant d’un atac (defenses induïdes). Per altra part, podem distingir entre defenses directes, que frenen les agressions intoxicant o reduint el creixement d’herbívors i patògens, i defenses indirectes, que atreuen antagonistes dels atacants, normalment a partir d’emissions de volàtils. Dels més de 100.000 compostos químics que juguen papers defensius en les plantes, uns 20.000 són terpens, un tipus d’hidrocarburs amb un ampli ventall d’estructures i funcions. Les coníferes tenen els terpens com una de les seves principals defenses. Aquesta tesi té per objectiu descriure i aprofundir en el rol defensiu dels terpens en dues interaccions mediterrànies: pi roig (Pinus sylvestris) - processionària del pi (Thaumetopoaea pityocampa), i xiprer (Cupressus sempervirens) – xancre del xiprer (Seiridium cardinale). S’hi analitzen els terpens de teixits de plantes i fongs amb cromatografia de gasos – espectrometria de masses (GC-MS) i s’hi estudia l’expressió gènica de les sintases terpèniques amb qPCR. També s’han realitzat tests de laboratori per determinar l’impacte dels terpens sobre el creixement i la supervivència de la processionària i del xancre del xiprer. En el primer capítol es mostra que les concentracions foliars de terpens disminueixen i les emissions s’incrementen quan el pi roig és atacat per la processionària. Per saber si aquesta disminució de concentracions és deguda a la pèrdua per emissions o a una baixa biosíntesi de terpens, en el segon capítol s’estudia l’expressió gènica de dues sintases terpèniques, i es mostra que la defoliació causada per la processionària tendeix a disminuir l’expressió gènica d’aquestes sintases, fet que és poc habitual. En concordança, s’observa que les concentracions de terpens en fulles també disminueixen, suggerint una dèbil resposta defensiva del pi roig davant l’atac. En el capítol 3 s’estudien els canvis terpènics i nutricionals en fulles noves que han crescut després d’un episodi de defoliació, en dues subespècies diferents de pi roig. Una subespècie reacciona augmentant concentracions de terpens, canviant emissions i reduïnt nutrients, mentre que l’altra no mostra canvis significatius en cap paràmetre. Sorprenentment, aquestes reaccions tan diferents no semblen tenir efectes sobre la supervivència de la processionària, suggerint que aquest herbívor està adaptat a les respostes defensives dels pins. En el 4t capítol es monitoren les reaccions terpèniques en el floema i les fulles de xiprers infectats per Seiridium cardinale. Els resultats mostren fortes induccions de terpens en el floema, incloent la formació de terpens de novo i canvis en les proporcions d’aquests compostos. També es poden constatar canvis en les emissions foliars de terpens. En el 5è i últim capítol es comparen les respostes en el floema d’arbres resistents i no resistents al xancre del xiprer, i s’observa que la inducció terpènica és més forta en els arbres resistents. També es presenten els tests realitzats per veure la capacitat d’inhibició fúngica dels terpens del xiprer. En els resultats es pot apreciar que els terpens induïts per l’atac són molt inhibidors i que aquesta inhibició és més dependent de la concentració que en els terpens constitutius. Així mateix, es demostra que el fong és capaç de biotransformar i detoxificar tres terpens del xiprer, suggerint mecanismes d’adaptació a les defenses de l’arbre. Aquesta tesi aporta nova i valuosa informació sobre el rol dels terpens en dues interaccions mediterrànies, alhora que aprofundeix en alguns aspectes encara poc estudiats del rol defensiu dels terpens en les coníferes.

Plants, due to their sessile condition, have developed a plethora of physical and chemical defences to make front to herbivores and pathogens. Chemical defences are very versatile: permanent reserves of chemical compounds (constitutive defences) are useful to face aggressions immediately, but these defences can also increase or change when biotic aggressions are detected (induced defences). We can also distinguish between direct defences, which fight the aggressions by intoxicating or slowing the growth of the insects and pathogens, and indirect defences, which attract antagonists of the agents attacking the plant, usually by volatile cues. Terpenes, a type of hydrocarbons that has a very wide range of structures and functions, are known to be very important chemical defences of conifers. This thesis aimed to describe and deepen in the role that terpenes play in two Mediterranean interactions: Scots pine (Pinus sylvestris) – pine processionary moth (Thaumetopoea pityocampa, PPM) and Italian cypress (Cupressus sempervirens) – cypress canker (Seiridium cardinale). We analyzed the terpenes from plant and fungal tissues with Gas Cromatography – Mass Spectrometry (GC-MS) and quantified the gene expression of terpene synthases with qPCR. We also conducted laboratory bioassays that determined the impact that these defences have on survival and growth of insects and pathogens. In the first chapter we observed that two Scots pine subspecies coexisting in natural stands decrease their needle terpene concentrations and increase their foliar emissions when PPM feeds on them. To know wether the lower concentrations were due to a decrease in terpene biosynthesis or to high terpene emission losses, in chapter 2 we made use of qPCR, and we observed that PPM feeding tended to reduce the gene expression of terpene synthases of local and systemic needles. This was unexpected, as synthases are usually up-regulated in front of herbivory. Accordingly, needle terpene concentrations also decreased, suggesting a weak terpene response of Scots pine needles to PPM infestations. In chapter 3, conducted in the same study site as chapter 1, we studied the terpene and nutritional responses of new Scots pine needles to previous defoliation by the PPM. One Scots pine subspecies grew new needles with increased terpene concentrations, changes in terpene emissions and decreased concentrations of nutrients. Contrarily, the other subspecies did not show any clear response, indicating contrasting reactions to herbivory between the subspecies. Surprisingly, these contrasting reactions did not produce any difference in the survival of young PPM larvae, suggesting that PPM, a specialist herbivore, may be adapted to the defensive responses of pines. In the 4th chapter we monitored the reactions in the phloem and the leaves of cypresses infected by Seiridium cardinale. Results showed strong increases of terpene concentrations in infected phloem and foliar terpene emission increases after infection. Results suggested thus that terpenes play an important role in the defence of the Italian cypress. The 5th and final chapter compared the terpene phloem responses of resistant and non-resistant cypresses, observing a more intense response in resistant trees. We also tested the growth inhibition caused by Italian cypress defences, and found that many of the induced terpenes were very inhibitory and had more concentration-dependent inhibitions than the major, constitutive terpenes. We finally investigated the biotransformation capacities of S. cardinale, and observed that this fungus can biotransform and detoxify three cypress, indicating adaptation to tree defences. This thesis provides thus new and valuable information about two important Mediterranean interactions, but also deepens in some understudied features of terpene conifer defence, such as variety resistance, systemic defences or terpene biotransformation capacities of conifer pathogens.