With a growing world population and increasingly demanding consumers, the production of sufficient protein from livestock, poultry, and fish represents a serious challenge for the future. Approximately 1,900 insect species are eaten worldwide, mainly in ...Read More

Plant defenses against pathogens and insects are regulated differentially by cross-communicating signaling pathways in which salicylic acid (SA), jasmonic acid (JA), and ethylene (ET) play key roles. To understand how plants integrate pathogen- and insect-induced signals into specific defense responses, we monitored the dynamics of SA, JA, and ET signaling in Arabidopsis after attack by a set of microbial pathogens and herbivorous insects with different modes of attack. Arabidopsis plants were exposed to a pathogenic leaf bacterium (Pseudomonas syringae pv. tomato), a pathogenic leaf fungus (Alternaria brassicicola), tissue-chewing caterpillars (Pieris rapae), cell-content-feeding thrips (Frankliniella occidentalis), or phloem-feeding aphids (Myzus persicae). Monitoring the signal signature in each plant-attacker combination showed that the kinetics of SA, JA, and ET production varies greatly in both quantity and timing. Analysis of global gene expression profiles demonstrated that the signal signature characteristic of each Arabidopsis-attacker combination is orchestrated into a surprisingly complex set of transcriptional alterations in which, in all cases, stress-related genes are overrepresented. Comparison of the transcript profiles revealed that consistent changes induced by pathogens and insects with very different modes of attack can show considerable overlap. Of all consistent changes induced by A. brassicicola, Pieris rapae, and F. occidentalis, more than 50% also were induced consistently by P. syringae. Notably, although these four attackers all stimulated JA biosynthesis, the majority of the changes in JA-responsive gene expression were attacker specific. All together, our study shows that SA, JA, and ET play a primary role in the orchestration of the plant's defense response, but other regulatory mechanisms, such as pathway cross-talk or additional attacker-induced signals, eventually shape the highly complex attacker-specific defense response.

To understand the role of allelochemicals in predator-prey interactions it is not sufficient to study the behavioral responses of predator and prey. One should elucidate the origin of the allelochemicals and be aware that it may be located at another trophic level. These aspects are reviewed for predator-prey interactions in general and illustrated in detail for interactions between predatory mites and herbivorous mites. In the latter system there is behavioral and chemical evidence for the involvement of the host plant in production of volatile allelochemicals upon damage by the herbivores with the consequence of attracting predators. These volatiles not only influence predator behavior, but also prey behavior and even the attractiveness of nearby plants to predators. Herbivorous mites disperse away from places with high concentrations of the volatiles, and undamaged plants attract more predators when previously exposed to volatiles from infested conspecific plants rather than from uninfested plants. The latter phenomenon may well be an example of plant-to-plant communication. The involvement of the host plant is probably not unique to the predator-herbivore-plant system under study. It may well be widespread since it makes sense from an evolutionary point of view. If so, prospects for application in pest control are wide open. These are discussed, and it is concluded that crop protection in the future should include tactics whereby man becomes an ally to plants in their strategies to manipulate predator-prey interactions through allelochemicals.

Cabbage plants respond to caterpillar (Pieris brassicae) herbivory by releasing a mixture of volatiles that makes them highly attractive to parasitic wasps (Cotesia glomerata) that attack the herbivores. Cabbage leaves that are artificially damaged and subsequently treated with gut regurgitant of P. brassicae caterpillars release a volatile blend similar to that of herbivore-damaged plants. We demonstrate the presence of beta-glucosidase in P. brassicae regurgitant. Leaves treated with commercial beta-glucosidase (from almonds) release a volatile blend similar to that of leaves treated with P. brassicae regurgitant. In a flight bioassay, leaves treated with almond beta-glucosidase are highly attractive to the parasitic wasp C. glomerata. Furthermore, the wasps do not discriminate between cabbage leaves treated with almond beta-glucosidase and leaves treated with larval regurgitant. beta-Glucosidase was also recorded in cabbage leaf extract, but this is not as effective as caterpillar beta-glucosidase in eliciting the volatile production. Caterpillars that feed on a beta-glucosidase-free diet secrete the enzyme, and their regurgitant is an effective elicitor of the plant response. These findings show that beta-glucosidase is a P. brassicae-secreted elicitor of the defense response of cabbage plants to herbivore injury, inducing the emission of volatiles that are used by parasitoids of the herbivore to locate their victims.

Abstract Herbivorous and carnivorous arthropods use plant volatiles when foraging for food. In response to herbivory, plants emit a blend that may be quantitatively and qualitatively different from the blend emitted when intact. This induced volatile blend alters the interactions of the plant with its environment. We review recent developments regarding the induction mechanism as well as the ecological consequences in a multitrophic and evolutionary context. It has been well established that carnivores (predators and parasitoids) are attracted by the volatiles induced by their herbivorous victims. This concerns an active plant response. In the case of attraction of predators, this is likely to result in a fitness benefit to the plant, because through consumption a predator removes the herbivores from the plant. However, the benefit to the plant is less clear when parasitoids are attracted, because parasitisation does usually not result in an instantaneous or in a complete termination of consumption by the herbivore. Recently, empirical evidence has been obtained that shows that the plant's response can increase plant fitness, in terms of seed production, due to a reduced consumption rate of parasitized herbivores. However, apart from a benefit from attracting carnivores, the induced volatiles can have a serious cost because there is an increasing number of studies that show that herbivores can be attracted. However, this does not necessarily result in settlement of the herbivores on the emitting plant. The presence of cues from herbivores and/or carnivores that indicate that the plant is a competitor‐ and/or enemy‐dense space, may lead to an avoidance response. Thus, the benefit of emission of induced volatiles is likely to depend on the prevailing faunal composition. Whether plants can adjust their response and influence the emission of the induced volatiles, taking the prevalent environmental conditions into account, is an interesting question that needs to be addressed. The induced volatiles may also affect interactions of the emitting plant with its neighbours, e.g., through altered competitive ability or by the neighbour exploiting the emitted information. Major questions to be addressed in this research field comprise mechanistic aspects, such as the identification of the minimally effective blend of volatiles that explains the attraction of carnivores to herbivore‐infested plants, and evolutionary aspects such as the fitness consequences of induced volatiles. The elucidation of mechanistic aspects is important for addressing ecological and evolutionary questions. For instance, an important tool to address ecological and evolutionary aspects would be to have plant pairs that differ in only a single trait. Such plants are likely to become available in the near future as a result of mechanistic studies on signal‐transduction pathways and an increased interest in molecular genetics.

Phytophagous mites are a serious threat to their host plants; in absence of predators they tend to overexploit their food source. To prevent such a crash and maintain as much leaf area as possible host plants may defend themselves in various ways, one of which is to increase the effectiveness of natural enemies of the phytophagous mites. Predatory mites are considered to be very important natural enemies of plant-feeding mites and there is evidence for a mutualistic interaction with plants. Examples of how plants obtain and arrest predatory mites as bodyguards are discussed. It is known for a long time that some plant species provide pollen that appear to be a very profitable food source for some species of predatory mites: it does not only promote survival, but also allows development and egg production. In doing so, plants ensure themselves of bodyguards even before any damage is inflicted. Recently, evidence has been obtained that plants under attack by spider mites provide information by releasing a blend of volatile chemicals that are helpful to predatory mites in locating their prey. Plant-predator interactions are not always of a mutualistic nature. Some plant species invest in a rigorous defence against spider mites, even though this may be to the detriment of the predators: glandular hairs of some plant species entrap not only spider mites, but also their predators. The evolutionary implications of these various plant-predator interactions are discussed.

Herbivore-damaged plants release complex mixtures of volatiles that attract natural enemies of the herbivore. To study the relevance of individual components of these mixtures for predator attraction, we manipulated herbivory-induced volatiles through genetic engineering. Metabolic engineering of terpenoids, which dominate the composition of many induced plant volatile bouquets, holds particular promise. By switching the subcellular localization of the introduced sesquiterpene synthase to the mitochondria, we obtained transgenic Arabidopsis thaliana plants emitting two new isoprenoids. These altered plants attracted carnivorous predatory mites ( Phytoseiulus persimilis ) that aid the plants' defense mechanisms.

Abstract Transcript patterns elicited in response to attack reveal, at the molecular level, how plants respond to aggressors. These patterns are fashioned both by inflicted physical damage as well as by biological components displayed or released by the attacker. Different types of attacking organisms might therefore be expected to elicit different transcription programs in the host. Using a large-scale DNA microarray, we characterized gene expression in damaged as well as in distal Arabidopsis thaliana leaves in response to the specialist insect, Pieris rapae. More than 100 insect-responsive genes potentially involved in defense were identified, including genes involved in pathogenesis, indole glucosinolate metabolism, detoxification and cell survival, and signal transduction. Of these 114 genes, 111 were induced in Pieris feeding, and only three were repressed. Expression patterns in distal leaves were markedly similar to those of local leaves. Analysis of wild-type and jasmonate mutant plants, coupled with jasmonate treatment, showed that between 67 and 84% of Pieris-regulated gene expression was controlled, totally or in part, by the jasmonate pathway. This was correlated with increased larval performance on the coronatine insensitive1 glabrous1 (coi1-1 gl1) mutant. Independent mutations in COI1 and GL1 led to a faster larval weight gain, but the gl1 mutation had relatively little effect on the expression of the insect-responsive genes examined. Finally, we compared transcript patterns in Arabidopis in response to larvae of the specialist P. rapae and to a generalist insect, Spodoptera littoralis. Surprisingly, given the complex nature of insect salivary components and reported differences between species, almost identical transcript profiles were observed. This study also provides a robustly characterized gene set for the further investigation of plant–insect interaction.

Plants and carnivorous arthropods can interact mutualistically. A recent discovery is that such mutualisms can be mediated by volatile compounds — produced by plants in response to herbivore damage — that attract carnivores. However, after emission of these attractants, the plant has no control over their use. Thus, exploitation of the information may occur, to the detriment of the plant, leading to costs in addition to benefits. Although all plants studied to date become attractive to carnivorous arthropods after damage by herbivores, they do so in different ways and it is important to understand why this is so.