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Understanding and exploiting communication between cotton plants

English title Understanding and exploiting communication between cotton plants
Applicant Turlings Théodoor
Number 185319
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut de Biologie Université de Neuchâtel
Institution of higher education University of Neuchatel - NE
Main discipline Ecology
Start/End 01.10.2019 - 30.09.2023
Approved amount 964'338.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Ecology
Agricultural and Forestry Sciences

Keywords (8)

priming; plant domestication; herbivore-induced plant volatiles; plant resistance ; Gossypium hirsutum; defense signaling; pest control; plant-plant interactions

Lay Summary (German)

Lead
Wir möchten die Mechanismen und die ökologische Bedeutung des Informationsaustauschs zwischen Baumwollpflanzen mittels flüchtiger chemischer Signale besser verstehen. Dieses Grundlagenwissen soll in die Entwicklung neuer Strategien einfliessen, die darauf basieren, die natürlichen Abwehrreaktionen der Pflanze bei der Schädlingsbekämpfung auszunutzen.
Lay summary

Pflanzen sind fähig, auf den Befall durch Pflanzenfresser zu reagieren, indem sie chemische Abwehrmechanismen aktivieren, die sich in spezifischer Weise gegen die Angreifer richten. Dazu gehört die Freisetzung von Duftstoffen, die auf die Pflanzenfresser abstossend wirken oder deren natürliche Feinde anlocken können. Diese flüchtigen Stoffe werden auch von benachbarten Pflanzen wahrgenommen als Alarmsignal, das sie veranlasst, sich auf einen drohenden Angriff vorzubereiten. Bei effektivem Befall kann die Pflanze ihre Abwehr schneller hochfahren. Diese sogenannte Priming-Reaktion kann die Resistenz von Baumwollpflanzen gegen Schadinsekten stark erhöhen. Wir möchten herausfinden, ob die heute wichtigste kultivierte Baumwollart, Gossypium hirsutum, die Fähigkeit zu einer solchen «Kommunikation» zwischen Pflanzen via Duftstoffe teilweise verloren hat, verglichen mit den wilden Vorfahren in Mexiko, aus denen sie durch Domestikation hervorgegangen ist. Dabei soll auch die ökologische Bedeutung dieser chemischen Signale unter natürlichen Bedingungen ermittelt werden. Schliesslich möchten wir diejenigen Bestandteile im freigesetzten Duftstoffgemisch identifizieren, die dafür verantwortlich sind, dass benachbarte Pflanzen vor einem bevorstehenden Schädlingsbefall gewarnt werden.

Ein gutes Verständnis dieses Phänomens sollte für den Pflanzenschutz nutzbar sein, welcher bei der Baumwolle, der weltweit wichtigsten Faserpflanze, noch weitgehend auf Pestizideinsatz beruht. Dieser liesse sich verringern, wenn es gelingen sollte, die natürliche Resistenz der Baumwolle gegen Schädlinge wiederherzustellen bzw. zu verbessern. Das wäre auch deshalb wichtig, weil längerfristig davon auszugehen ist, dass die Baumwollpflanze auch als proteinreiche Nahrungsquelle erschlossen wird.

Direct link to Lay Summary Last update: 11.09.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
162860 Agricultural practices and the cascading effects of apparent competition: A case study of trophic interactions on cultivated maize and wild lima bean plants. 01.10.2016 Project funding (Div. I-III)
122132 Costs and benefits of tritrophic signalling between plants and parasitoids 01.10.2008 Project funding (Div. I-III)
58865 Herbivore-induced plant odors: their ecological significance and potential for exploitation in crop protection 01.07.2000 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Plants have the keen ability to respond to herbivore attack with the production of various chemical defenses that specifically target their attacker. These induced defenses also involve the release of numerous volatiles that can be toxic and/or repellent to the attackers and can serve as attractants to the natural enemies of the herbivores. These volatiles can also be detected by neighboring plants. These neighbors respond to the distress signals by preparing themselves for an attack. Recent field observations suggest that this so-called priming response can strongly enhance the resistance against pest insects in cultivated cotton plants. We envision that a good understanding of this phenomenon can be exploited for crop protection. This is particularly pertinent for cotton because it is world’s most important fiber crop, and current cotton cultivation relies heavily on pesticide applications to control insects and pathogens. Based on the recent field observations and our preliminary data, we propose that well-timed volatile signaling among cotton plants may induce natural resistance against these pests and can dramatically reduce the need for pesticides. As is generally the case for plant resistance traits, the ability to “communicate” may have been partially lost during the domestication of cotton, and we therefore wish to also study this phenomenon in wild cotton. This will allow us to study plant-plant interactions under natural conditions to unravel the true ecological significance and identify the key volatiles needed for optimal responses. This approach is expected to reveal ways to enhance the trait in cultivated varieties. The domestication of cotton occurred on several continents, with different cotton species. Gossypium hirsutum L., the most commonly cultivated cotton species, originates from Mexico. The proposed project will study the role of volatiles in inducible chemical defenses in different populations of wild cotton plants from the Mexican Yucatán peninsula, as well as in various cultivated varieties. We will compare the effectiveness of these defenses against common pests. Ultimately, we aim to exploit this fundamental understanding of cotton defense signaling to restore and enhance cotton resistance against pests in order to boost cotton production and reduce the need for pesticide application, in particular in developing countries. On the long-term, we envision that our scientific advances can contribute to enhanced cotton production, not only as a fiber crop, but also as a high-protein food plant.The project has four specific aims:- Identify the herbivore-induced cotton volatiles that alert neighboring plants to incoming attacks. - Test our hypothesis that wild cotton is better at this form of chemical signaling. - Determine the variability and ecological significance of these volatile-mediated plant-plant interactions.- Explore the possibility to restore and enhance these interactions in cultivated cotton and thereby improve its resistance against pests and diseases. In other words, we aim to gain a clear understanding of the mechanisms and ecological implications of information exchange between cotton plants, and to use this fundamental knowledge for the development of new strategies to exploit the plant’s natural chemical defense responses in pest management.
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