Plant Anti-Insect Armaments Because individual plants are unable to relocate, they are subject to extreme selection by the insects feeding upon them. One means by which plants suppress herbivory is to produce toxic compounds to deter feeding (see the Perspective by Hare ). Agrawal et al. (p. 113 ) compared pesticide–treated or untreated evening primroses. Over 5 years of pesticide treatment, the production of defensive chemicals in the fruit reduced and flowering times shifted, and the primrose's competitive ability against dandelions improved. Züst et al. (p. 116 ) examined large-scale geographic patterns in a polymorphic chemical defense locus in the model plant Arabidopsis thaliana and found that it is matched by changes in the relative abundance of two specialist aphids. Thus, herbivory has strong and immediate effects on the local genotypic composition of plants and traits associated with herbivore resistance.

Like other members of the Brassicaceae, plants in the wallflower genus (Erysimum) produce glucosinolates, which are potent defenses against a wide range of herbivores. As a more recently evolved second line of defense, Erysimum produces cardiac glycosides, which are allosteric inhibitors of Na+,K+-ATPases in animals. Cardiac glycoside biosynthesis has evolved in diverse lineages including foxglove (Digitalis, Plantaginaceae) and milkweeds (Apocynaceae), but the full biosynthetic pathway has not been described in any species. We identify and generate CRISPR/Cas9 knockouts of two cytochrome P450 monooxygenases involved in cardiac glycoside biosynthesis in wormseed wallflower (Erysimum cheiranthoides L.): EcCYP87A126, which cleaves the side chain from sterol precursors to initiate cardiac glycoside biosynthesis, and EcCYP716A418, which has a role in cardiac glycoside hydroxylation. In the EcCYP87A126 knockout lines, cardiac glycoside production is eliminated, effectively reversing Erysimum9s escape from herbivory. For the generalist herbivores green peach aphid (Myzus persicae Suzler) and cabbage looper (Trichoplusia ni Huebner), cardiac glycosides appear to be largely redundant with glucosinolates, having some effect in choice assays but little to no effect on insect performance. By contrast, the crucifer-feeding specialist cabbage butterfly (Pieris rapae L.), which will not oviposit or feed on wildtype E. cheiranthoides, is able to complete its life cycle on cardenolide-free E. cheiranthoides mutant lines. Thus, our study demonstrates in vivo that cardiac glycoside production allows Erysimum to escape from a specialist herbivore.

Abstract Many plants produce structurally related defensive metabolites with the same target sites in insect herbivores. Two possible drivers of this chemical diversity are: (i) interacting effects of structurally related compounds increase resistance against individual herbivores, and (ii) variants of the same chemical structures differentially affect diverse herbivore species or feeding guilds. Erysimum cheiranthoides L (Brassicaceae; wormseed wallflower) produces abundant and diverse cardenolide toxins, which are derived from digitoxigenin, cannogenol, and strophanthidin, all of which inhibit Na + /K + -ATPases in animal cells. Here we describe an E. cheiranthoides mutant with 66% lower cardenolide content, resulting from greatly decreased cannogenol- and strophanthidin-derived cardenolides, partially compensated for by increases in digitoxigenin-derived cardenolides. This compositional change created a more even cardenolide distribution, decreased the average cardenolide polarity, but did not impact glucosinolates, a different class of chemical defenses. Growth of generalist herbivores from two feeding guilds, Myzus persicae Sulzer (Hemiptera: Aphididae; green peach aphid) and Trichoplusia ni Hübner (Lepidoptera: Noctuidae; cabbage looper), was decreased on the mutant line compared to wildtype. Both herbivores accumulated cardenolides in proportion to plant content, with T. ni accumulating higher total concentrations than M. persicae. Helveticoside, an abundant cardenolide in E. cheiranthoides , was absent in M. persicae , suggesting that this compound is not present in the phloem. Our results support the hypothesis that cardenolide diversity protects plants against different herbivores, with digitoxigenin-derived compounds providing better protection against insects like M. persicae and T. ni , whereas cannogenol and strophanthidin provide better protection against other herbivores of E. cheiranthoides. Funding This research was funded by US National Science Foundation awards 1907491 to AAA and 1645256 to GJ and AAA, Swiss National Science Foundation grant PZ00P3-161472 to TZ, and a Triad Foundation grant to GJ.