DOI: https://doi.org/10.3389/fsci.2024.1407410
تاريخ النشر: 2024-10-15
المؤلف: Vı́ctor Flors وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات النباتات والميكروبات والمناعة
نظرة عامة
تتناول هذه المراجعة مفهوم المقاومة المستحثة (IR) في النباتات، والتي تعزز من مناعتها ضد الآفات والجراثيم، مع تسليط الضوء على إمكانياتها في حماية المحاصيل. على الرغم من مزاياها، مثل الدفاع واسع النطاق والقيمة الغذائية المحسنة، لا تزال تطبيقات IR محدودة مقارنة بالمبيدات التقليدية وجينات المقاومة الفردية. يقوم المؤلفون بفحص التقدم العلمي الرئيسي في استراتيجيات IR الداخلية (المناعية) والخارجية (البيئية)، مع تحديد الحواجز أمام التبني الواسع.
تقترح المراجعة أن مستقبل حماية المحاصيل المستدامة لا يمكن أن يعتمد فقط على التقنيات ذات الاستخدام الواحد. تدعو إلى دمج IR في الأطر الحالية لحماية المحاصيل من خلال الاستفادة من النتائج العلمية الحديثة، خاصة من خلال الأساليب الإبيجينية لفهم آليات IR بشكل أفضل. من خلال تعزيز جدول بحث شامل يجمع بين IR واستراتيجيات أخرى، يهدف المؤلفون إلى تعزيز مستقبل زراعي مرن ومستدام بيئيًا وقابل للحياة اقتصاديًا، مما يعزز في النهاية صحة المحاصيل.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التأثير التاريخي للآفات والأمراض النباتية على المجتمع البشري، مشيرة إلى أحداث مهمة مثل مجاعة البطاطس الأيرلندية، التي أدت إلى جوع واسع النطاق وهجرة. ينتقد النص الاعتماد الزراعي الحالي على الزراعة الأحادية والمبيدات، مؤكدًا عدم استدامة هذا النهج بسبب المخاوف البيئية، وظهور آفات مقاومة، والمخاطر الصحية المرتبطة بمتبقيات المواد الكيميائية. استجابةً لذلك، تهدف السياسات الزراعية العالمية، مثل “الصفقة الخضراء الأوروبية” للجنة الأوروبية ومبادرات مماثلة في اليابان والولايات المتحدة، إلى تقليل استخدام المبيدات بنسبة 50% بحلول عام 2030.
تؤكد الورقة على الحاجة الملحة لبدائل موثوقة للمبيدات للتخفيف من المخاطر على الأمن الغذائي. إحدى الاستراتيجيات الواعدة هي المقاومة المستحثة (IR)، التي تعزز من مناعة النباتات من خلال محفزات متنوعة، مما يوفر حماية واسعة النطاق ضد الآفات والأمراض. من خلال الاستفادة من IR جنبًا إلى جنب مع التقدم في استراتيجيات الدفاع النباتي، يمكن للقطاع الزراعي تقليل الاعتماد على المبيدات، مما يساهم في إدارة إمدادات الغذاء المستدامة والأمن الغذائي العالمي لعدد متزايد من السكان.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون استراتيجيات الدفاع المتعددة التي تستخدمها النباتات ضد الآفات والجراثيم، مع التأكيد على أدوار المناعة الفطرية، والمقاومة المستحثة (IR)، والآليات الإبيجينية. تستخدم النباتات طبقتين رئيسيتين من المناعة الفطرية: المناعة المستحثة بالنمط (PTI) والمناعة المستحثة بالعوامل (ETI). توفر PTI دفاعًا واسعًا ولكنه ضعيف نسبيًا ضد الهجمات العامة، بينما تقدم ETI، التي تتوسطها جينات المقاومة (R)، استجابة أقوى ومحددة ضد الجراثيم المتخصصة. ومع ذلك، تواجه كل من PTI وETI تحديات، مثل تطور العوامل الضارة التي يمكن أن تتجاوز هذه الدفاعات. لتعزيز مرونتها، يمكن للنباتات تطوير IR، والتي تتميز بـ “تهيئة الدفاع”، مما يعدها للهجمات المستقبلية من خلال تفعيل مسارات استجابة الإجهاد بشكل أكثر فعالية عند التحديات اللاحقة.
يبرز المؤلفون أهمية التغيرات الإبيجينية في الحفاظ على IR على المدى الطويل، بما في ذلك التعديلات في ميثيل الحمض النووي والأسيتيل في الهيستون التي تنظم التعبير عن جينات الدفاع. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للنباتات الانخراط في “الدفاع المستحث غير المباشر” من خلال إطلاق مركبات عضوية متطايرة (VOCs) تجذب الكائنات المفيدة لمكافحة العواشب. على الرغم من إمكانية IR في تقليل الاعتماد على المبيدات الكيميائية وتعزيز مرونة المحاصيل، لا يزال اعتمادها محدودًا بسبب التكاليف المرتبطة باللياقة والحاجة إلى مزيد من البحث في تحسين تطبيقها في الممارسات الزراعية. يدعو المؤلفون إلى دمج IR مع استراتيجيات حماية المحاصيل الحالية لتحسين الفعالية والاستدامة في إدارة صحة النباتات.
القيود
يسلط قسم القيود الضوء على عدة تحديات حرجة مرتبطة بتفعيل المقاومة المستحثة (IR) في النباتات. إحدى القضايا الرئيسية هي تخصيص الطاقة والموارد المطلوبة لآليات الدفاع، مما يمكن أن يؤدي إلى عقوبة نمو، تُعرف بتكلفة اللياقة المخصصة. يمكن أن تؤثر التركيزات العالية من هرمونات الدفاع، مثل ميثيل الجاسمنات (MeJA) وحمض الساليسيليك (SA)، سلبًا على نمو النباتات وتطورها، مما قد يؤدي إلى زيادة القابلية لمختلف الضغوط البيئية. تعتمد فعالية IR أيضًا على السياق، متأثرة بعوامل مثل جينوم النبات، والعمر، والظروف البيئية، مما يمكن أن يعقد تنفيذها في الممارسات الزراعية.
علاوة على ذلك، يؤكد القسم على إمكانية حدوث آثار غير مستهدفة، حيث قد يؤدي تفعيل IR عن غير قصد إلى زيادة القابلية لبعض الجراثيم أو الآفات. على سبيل المثال، بينما قد تتحكم بعض العلاجات بشكل فعال في أمراض معينة، يمكن أن تجعل النباتات أكثر عرضة لأخرى. تتطلب التباينات في فعالية IR اختيارًا دقيقًا لجرعات العلاج والتركيبات، فضلاً عن فهم شامل للآليات الأساسية. لمعالجة هذه القيود، يقترح المؤلفون مزيدًا من البحث في الجوانب الجزيئية والإبيجينية لـ IR، بالإضافة إلى دمج استراتيجيات IR في أطر إدارة الآفات المتكاملة (IPM) لتحسين النتائج الزراعية مع تقليل الآثار السلبية على العائد.
DOI: https://doi.org/10.3389/fsci.2024.1407410
Publication Date: 2024-10-15
Author(s): Vı́ctor Flors et al.
Primary Topic: Plant-Microbe Interactions and Immunity
Overview
This review discusses the concept of induced resistance (IR) in plants, which enhances their immunity against pests and pathogens, highlighting its potential in crop protection. Despite its advantages, such as broad-spectrum defense and improved nutritional value, the application of IR remains limited compared to traditional pesticides and single resistance genes. The authors examine key scientific advancements in both internal (immunological) and external (ecological) IR strategies, identifying barriers to widespread adoption.
The review suggests that the future of sustainable crop protection cannot rely solely on single-use technologies. It advocates for integrating IR into existing crop protection frameworks by utilizing recent scientific findings, particularly through epigenetic approaches to better understand IR mechanisms. By promoting a comprehensive research agenda that combines IR with other strategies, the authors aim to foster a resilient, environmentally sustainable, and economically viable agricultural future, ultimately enhancing crop health.
Introduction
The introduction highlights the historical impact of plant pests and diseases on human society, citing significant events like the Irish Potato Famine, which led to widespread hunger and migration. The text critiques the current agricultural reliance on monocultures and pesticides, emphasizing the unsustainability of this approach due to environmental concerns, the emergence of resistant pests, and the health risks associated with chemical residues. In response, global agricultural policies, such as the European Commission’s “European Green Deal” and similar initiatives in Japan and the United States, aim to reduce pesticide use by 50% by 2030.
The paper underscores the urgent need for reliable alternatives to pesticides to mitigate risks to food security. One promising strategy is induced resistance (IR), which enhances plant immunity through various stimuli, offering broad-spectrum protection against pests and diseases. By leveraging IR alongside advancements in plant defense strategies, the agricultural sector can reduce pesticide dependence, thereby contributing to sustainable food supply management and global food security for an increasing population.
Discussion
In this section, the authors discuss the multifaceted defense strategies employed by plants against pests and pathogens, emphasizing the roles of innate immunity, induced resistance (IR), and epigenetic mechanisms. Plants utilize two primary layers of innate immunity: pattern-triggered immunity (PTI) and effector-triggered immunity (ETI). PTI provides a broad but relatively weak defense against general attacks, while ETI, mediated by resistance (R) genes, offers a stronger, race-specific response against specialized pathogens. However, both PTI and ETI face challenges, such as the evolution of virulence effectors that can bypass these defenses. To enhance their resilience, plants can develop IR, characterized by “defense priming,” which prepares them for future attacks by activating stress response pathways more effectively upon subsequent challenges.
The authors highlight the significance of epigenetic changes in maintaining long-term IR, including modifications in DNA methylation and histone acetylation that regulate defense gene expression. Additionally, plants can engage in “indirect induced defense” by releasing volatile organic compounds (VOCs) that attract beneficial organisms to combat herbivores. Despite the potential of IR to reduce reliance on chemical pesticides and enhance crop resilience, its adoption remains limited due to associated fitness costs and the need for further research into optimizing its application in agricultural practices. The authors advocate for integrating IR with existing crop protection strategies to improve efficacy and sustainability in managing plant health.
Limitations
The section on limitations highlights several critical challenges associated with the activation of induced resistance (IR) in plants. One primary concern is the energy and resource allocation required for defense mechanisms, which can result in a growth penalty, termed the allocation fitness cost. High concentrations of defense hormones, such as methyl jasmonate (MeJA) and salicylic acid (SA), can negatively impact plant growth and development, potentially leading to increased susceptibility to various environmental stresses. The efficacy of IR is also context-dependent, influenced by factors such as plant genotype, age, and environmental conditions, which can complicate its implementation in agricultural practices.
Moreover, the section emphasizes the potential for off-target effects, where the activation of IR may inadvertently increase susceptibility to certain pathogens or pests. For instance, while some treatments may effectively control specific diseases, they can also render plants more vulnerable to others. The variability in IR efficacy necessitates careful selection of treatment doses and combinations, as well as a thorough understanding of the underlying mechanisms. To address these limitations, the authors suggest further research into the molecular and epigenetic aspects of IR, as well as the integration of IR strategies into integrated pest management (IPM) frameworks to optimize agricultural outcomes while minimizing negative impacts on yield.