Elevated CO2 releases a defense response in Brassicaceae plants through synergistic interaction with dual insect herbivore attacks = 이산화탄소 증가에 의한 식물 매개 초식 곤충 상호작용의 변화

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Rising atmospheric carbon dioxide (CO2) concentrations alter plant metabolism and may reshape plant-herbivore interactions. However, most studies have focused on simplified systems, such as a single plant-herbivore interaction, limiting our understanding of how entire ecosystems respond. To address this gap, we employed a multiple-herbivore system to investigate the effects of elevated CO2 on plant-mediated interactions between a leaf-chewer (Spodoptera litura) and a phloem-feeder (Myzus persicae) feeding on the model plant Arabidopsis thaliana. Elevated CO2 conditions (~540 ppm, WGIII C6 scenario) were simulated using open-top chambers (OTCs). We found that elevated CO2 enhanced plant resistance to the leaf-chewer, as indicated by greater biomass conservation and reduced leaf-chewer performance with dual herbivore attacks, a pattern that was not observed under single-species feeding. Untargeted metabolomic analysis revealed broad shifts in plant metabolites under elevated CO2, and specific chemical groups upregulated particularly under certain herbivory conditions may contribute to enhanced herbivore resistance. Moreover, the pattern of the reduced leaf-chewer performance was repeated in other Brassica species, Chinese cabbage and rapeseed. These findings suggest that rising CO2 could alter species diversity and coexistence patterns within herbivore communities through changes in plant physiology. Our study advances understanding of how complex herbivore communities may respond to elevated CO2 and highlights the potential of this knowledge to inform strategies for safeguarding food security under future climate change.

국문 초록 (Abstract)

인간 활동에 의한 대기 중 이산화탄소 농도의 증가는 식물의 대사를 변
화시키고, 식물-곤충 상호작용을 재구성할 수 있다. 그러나 기존의 많은
연구들은 단일 식물-단일 곤충 시스템과 같은 단순화된 상호작용만을
다루어, 현실적인 생태계 반응에 대한 이해를 제한해왔다. 이러한 한계
를 보완하기 위해, 우리는 다중 초식 곤충 시스템을 사용하여 높은 농도
의 이산화탄소가 식물 매개 곤충 상호작용을 어떻게 변화시키는지 연구
하였다. 모델 식물인 애기장대를 이용하여 식엽성(leaf-chewer) 곤충인
담배거세미나방과 흡즙성(phloem-feeder) 곤충인 복숭아혹진딧물에 의
한 초식 반응을 조사하였다. 고농도 이산화탄소 조건은 IPCC의 SPP2
시나리오에 따라 약 560 ppm으로 설정하였으며, Open-top chamber
(OTC)를 이용해 모의하였다. 연구 결과, 고농도 이산화탄소는 식물의
나방 애벌레에 대한 저항성을 증가시켰으며, 특히 이 현상은 두 곤충이
동시에 가해했을 때만 뚜렷하게 나타났고 개별적으로 처리했을 때는 관
찰되지 않았다. 비표적 대사체 분석(Untargeted metabolomics)을 통해
고농도 이산화탄소가 식물 대사체 전반에 광범위한 변화를 일으킴을 확
인하였으며, 특정 화학 그룹의 축적 증가가 이러한 저항성 향상에 기여
했을 가능성을 확인했다. 또한, 나방 애벌레의 성장이 저해되는 패턴은
다른 십자화과 작물인 배추와 유채에서도 동일하게 재현되었다. 본 연구
는 이산화탄소의 증가가 식물 생리의 변화를 통해 초식 곤충 군집 내 종
다양성과 공존 패턴을 변화시킬 수 있음을 시사한다. 나아가 기후변화에
따른 식물-곤충 상호작용을 연구할 때 다양한 생태적 맥락을 고려하는
것의 중요성을 강조하며, 미래 기후 환경에서의 작물 생산성과 식량 안
보를 위한 전략 수립에 시사점을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Plant-insect herbivore interactions 1
• 1.2 Effects of elevated CO2 on plant-insect interactions 2
• 1.3 Purpose of research 4
• 2. Material and Methods 6
• 2.1 Experimental setup and environmental monitoring 6
• 2.2 Plants materials and growth conditions 6
• 2.3 Insect colonies 7
• 2.4 Plant-herbivore bioassays 7
• 2.5 Sample harvesting and processing 8
• 2.6 Plant dry mass quantification 8
• 2.7 Carbon and nitrogen (C: N) analysis 8
• 2.8 Phytohormone quantification 8
• 2.9 Metabolite extraction 9
• 2.10 LC-MS analysis 10
• 2.11 Statistical analyses 10
• 3. Results 11
• 3.1 Elevated CO2 enhances plant resistance to S. litura specifically under dual herbivory 11
• 3.2 No increase in plant C: N ratio or jasmonic acid under elevated CO2 and dual herbivory 17
• 3.3 Untargeted metabolomics reveals metabolic re-programming in Arabidopsis thaliana under elevated CO2 20
• 3.4 The metabolomic response of A. thaliana to elevated CO2 depends on herbivory type 24
• 3.5 Elevated CO2 similarly enhanced resistance to dual herbivory in Brassica crops 26
• 4. Discussion 30
• 4.1 Elevated CO2 enhances plant resistance to S. litura specifically under dual herbivory 30
• 4.2 Nutrient dilution fails to account for enhanced resistance under dual herbivory and elevated CO2 30
• 4.3 Enhanced resistance under elevated CO2 and dual herbivory operates independently of phytohormonal signaling, involving specific metabolic reprogramming 31
• 4.4 Increased resistance against dual herbivory under elevated CO2 was also observed in Brassica plants, cabbage and rapeseed 32
• 5. Conclusion 33
• 6. Bibliography 35
• 국문초록 41
• Appendix 42