Induction of plant responses by a sequestering insect: Relationship of glucosinolate concentration and myrosinase activity

SummaryInduction of plant allelochemicals is of particular ecological importance for interactions with herbivores that can make use of induced metabolites by incorporating them for their own defence. Induction patterns in white mustard, Sinapis alba, were investigated following herbivory of the turnip sawfly, Athalia rosae, which sequesters plant glucosinolates. Larvae of different age were allowed to feed for 24 h on young leaves of premature, non-flowering plants. Changes in primary and secondary metabolites were recorded in the damaged leaves (local) and in the adjacent leaves and stems (systemic) for several days. Organ- and time-specific patterns were evident. Local responses included increases in glucosinolate concentrations, soluble and insoluble myrosinase activity and glucose levels, while systemic responses in leaves were restricted to increases in myrosinase activities and glucose. All effects were strongest immediately after feeding and declined mostly within a day. Stems had overall lower constitutive levels of glucosinolates and myrosinase activities than leaves. Feeding by one large larva had a greater impact on the plant's physiology than feeding by three small ones, even though both treatments resulted in quantitatively similar leaf destruction. Local increase in glucosinolate concentration could be beneficial for larvae, while conspecifics feeding on induced adjacent leaves might be negatively affected due to higher myrosinase activity levels. The results are discussed in the context of the ‘optimal defence theory’ and the ‘lethal plant defence paradox’.

ZusammenfassungDie Induktion pflanzlicher Allelochemikalien ist vor allem für Interaktionen mit Herbivoren von ökologischer Bedeutung, die diese induzierten Metabolite zu ihrer eigenen Verteidigung in ihr Körpergewebe einbauen. Reaktionen des weißen Senfs Sinapis alba auf den Fraß von Larven der Blattwespe Athalia rosae wurden ort- und zeitabhängig untersucht. Die Larven zeichnen sich durch die Fähigkeit aus, Glucosinolate zu sequestrieren. Junge Blätter von nicht blühenden Pflanzen wurden für 24 Std. von Larven unterschiedlichen Alters befressen. Anschließend wurden Veränderungen von Primär- und Sekundärmetaboliten in lokalen befressenen, sowie in benachbarten systemischen Blättern und Sprossabschnitten an den vier folgenden Tagen untersucht. Die gefundenen Reaktionen waren zeitabhängig und spezifisch für das jeweils betrachtete Organ. Lokale Reaktionen umfassten Anstiege im Gehalt von Glucosinolaten, löslichen und unlöslichen Myrosinaseaktivitäten und Glucose, während sich systemische Antworten in Blättern auf Anstiege in Myrosinaseaktivität und Glucosegehalt beschränkten. Alle gefundenen Effekte waren direkt nach der Fraßperiode am stärksten und nahmen in den meisten Fällen bis zum Folgetag ab. Sprossachsenabschnitte hatten niedrigere konstitutiv vorhandene Konzentrationen an Glucosinolaten und Myrosinaseaktivitäten als Blattgewebe. Der Fraß einzelner größerer Larven zeigte stärkeren Einfluss auf die Pflanzenphysiologie als der von Gruppen kleiner Larven, obwohl beide Behandlungen zu einer quantitativ ähnlichen Blattbeschädigung führten. Der lokale Anstieg von Glucosinolaten könnte für die Larven vorteilhaft sein, während Artgenossen, die an induzierten benachbarten Blättern fressen, möglicherweise durch erhöhte Myrosinaseaktivitäten beeinträchtigt werden. Die Ergebnisse werden vor dem Hintergrund der ‘optimal defence theory’ und dem ‘lethal plant defence paradox’ diskutiert.