昆虫の草食は揮発性を媒介とした植物と植物のコミュニケーションを選択する

Insect Herbivory Selects for Volatile-Mediated Plant-Plant Communication.

• Aino Kalske
• Kaori Shiojiri
• Akane Uesugi
• Yuzu Sakata
• Kimberly Morrell
• André Kessler

抄録

植物の揮発性有機化合物（VOC）は、生物間の情報伝達の主要な手段であり、多くの生態学的相互作用を媒介している [1-3]。草食動物の被害に反応してVOCの放出を変化させることは、後続の草食動物を抑止したり[4]、草食動物の天敵を引き付けたり[5]、あるいは同じ植物の遠く離れた部分間で攻撃に関する情報を伝達したり[6-9]、というように、適応的であるとの仮説が立てられている。また、隣接する植物は、迫り来る草食に対して自らの防御力を高めることで、これらのVOCの合図に反応し、将来の被害を軽減することもある[10-12]。しかし、このような情報共有がどのような条件でエミッター植物のフィットネスに利益をもたらすのか、また、草食者による選択がこのようなVOCシグナル伝達の進化に影響を与えるのかどうかについては、まだ明らかになっていない[13]。そこで本研究では、植物の情報共有に有利な選択環境を明らかにするために、親族選択仮説と相互利益仮説[14]の2つの代替仮説の予測を検証した。自然淘汰への反応を測定したところ、Solidago altissimaでは、植物が隣人とコミュニケーションをとる方法に草食が強い影響を与えていることがわかった。昆虫の草食による淘汰を受けた個体群の植物では，空気中の合図によって隣接するすべての同種の植物に抵抗性が誘導されたのに対し，草食排除を受けた個体群の植物では，同じ遺伝子型を持つ隣接する植物にのみ抵抗性が誘導された。さらに、情報を共有している植物は、被害を受けた際に、共通の空気中VOCシグナルに収束していた。本研究では、草食が空気中の合図を介して植物間のコミュニケーションの進化を促進することを明らかにし、植物が生物間の情報共有とコミュニケーションを理解するためのモデルシステムであることを示唆している。

Plant volatile organic compounds (VOCs) are major vehicles of information transfer between organisms and mediate many ecological interactions [1-3]. Altering VOC emission in response to herbivore damage has been hypothesized to be adaptive, as it can deter subsequent herbivores [4], attract natural enemies of herbivores [5], or transmit information about attacks between distant parts of the same plant [6-9]. Neighboring plants may also respond to these VOC cues by priming their own defenses against oncoming herbivory, thereby reducing future damage [10-12]. However, under which conditions such information sharing provides fitness benefits to emitter plants, and, therefore, whether selection by herbivores affects the evolution of such VOC signaling, is still unclear [13]. Here, we test the predictions of two alternative hypotheses, the kin selection and mutual benefits hypotheses [14], to uncover the selective environment that may favor information sharing in plants. Measuring the response to natural selection in Solidago altissima, we found strong effects of herbivory on the way plants communicated with neighbors. Plants from populations that experienced selection by insect herbivory induced resistance in all neighboring conspecifics by airborne cues, whereas those from populations experiencing herbivore exclusion induced resistance only in neighbors of the same genotype. Furthermore, the information-sharing plants converged on a common, airborne VOC signal upon damage. We demonstrate that herbivory can drive the evolution of plant-plant communication via induction of airborne cues and suggest plants as a model system for understanding information sharing and communication among organisms in general.

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