[論文レビュー] Exploring the Dynamics of Virulent and Avirulent Aphids: A Case for a "Within Plant" Refuge

Aniket Banerjee, Ivair Valmorbida+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2021

Insect and Pesticide Research参考文献 50被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、耐性を持つ枝豆の植物上で、強力な型と弱毒型の枝豆アブラムシが共存する仕組みを調査する非局所的微分方程式モデルを提案している。強力な型アブラムシが植物の生理的制御を介して抵抗性を抑制することで、『植物内』の避難所が形成され、弱毒型アブラムムシが存続可能となる。モデルは、強力な型アブラムシの定着が増加するほど、弱毒型の生存率が向上することを示しており、耐性の持続的維持に寄与する自己持続的避難所メカニズムが存在することを示唆している。これは、統合的害虫管理におけるアブラムシ耐性枝豆の耐久性を向上させる可能性を秘めている。

ABSTRACT

The soybean aphid, Aphis glycines (Hemiptera: Aphididae), is an invasive pest that can cause severe yield loss to soybeans in the northcentral United States. A tactic to counter this pest is the use of aphid-resistant soybean varieties. However, the occurrence of virulent biotypes can alter plant physiology and impair the use of this management strategy. Soybean aphids can alter soybean physiology primarily by two mechanisms, feeding facilitation and the obviation of resistance, favoring subsequent colonization by additional conspecifics. We developed a non-local, differential equation population model, to explore the dynamics of these biological mechanisms on soybean plants co-infested with virulent and avirulent aphids. We then use demographic parameters from laboratory experiments to perform numerical simulations via the model. These simulations successfully mimic various aphid dynamics observed in the field. Our model showed an increase in colonization of virulent aphids increases the likelihood that aphid-resistance is suppressed, subsequently increasing the survival of avirulent aphids, producing an indirect, positive interaction between the biotypes. These results suggest the potential for a "within plant" refuge that could contribute to the sustainable use of aphid resistant soybeans.

研究の動機と目的

• 宿主抵抗性があるにもかかわらず、弱毒型アブラムシがアブラムシ耐性枝豆植物に存続可能かどうかを調査すること。
• 強力な型アブラムシが植物生理をどのように変化させ、弱毒型系統との共存を可能にするかを検討すること。
• 弱毒型アブラムシが、強力な型アブラムシに起因する抵抗性の抑制によって、植物内に形成される『植物内』の避難所に存続可能であるかどうかを、統合的抵抗性管理（IRM）への持続的貢献を評価すること。
• Rag遺伝子に基づく抵抗性の長期的耐久性に、この避難所メカニズムが与える影響を評価すること。

提案手法

• 耐性あり・なしの枝豆植物におけるアブラムシ動態を模擬する非局所的微分方程式モデルを開発した。
• 2つの主要なメカニズムを組み込んだ：摂食促進（一般的な植物生理的変化）と抵抗性回避（特定の強力な型アブラムシに起因する植物抵抗性の抑制）。
• 感受性および耐性枝豆におけるアブラムシ個体群増加の実験データを用いて、モデルのパラメータをキャリブレーションした。
• 共存の閾値および個体群動態を評価するために、強力な型および弱毒型アブラムシの初期状態をさまざまに設定してシミュレーションした。
• 抵抗性閾値（R）を定義した。これは、摂食促進によって抵抗性抑制を引き起こすために必要な最小の弱毒型アブラムシ密度である。
• 初期個体群密度が共存結果およびピーク個体群時刻に与える影響を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力な型アブラムシが宿主に与える生理的変化により、弱毒型アブラムシが、もともと耐性のある枝豆植物上で生存し続けることができるか？
• RQ2 摂食促進によって抵抗性抑制を誘発するための、弱毒型アブラムシ密度の臨界閾値は何か？
• RQ3 強力な型アブラムシの存在が、耐性枝豆上で弱毒型アブラムシの個体群動態と生存にどのように影響を与えるか？
• RQ4 どの程度まで『植物内』の避難所が形成され、弱毒型アブラムシが耐性枝豆上で生育期間中を通じて存続可能になるか？
• RQ5 捕食者および寄生蜂などの自然天敵が、この植物内避難所の安定性と有効性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 強力な型アブラムシは、枝豆植物における抵抗性抑制の可能性を高め、結果として弱毒型アブラムシがもともと耐性のある宿主上で存続可能になる。
• 弱毒型アブラムシの密度が抵抗性閾値（R）を超えると、摂食促進により、強力な型系統と耐性枝豆上で持続的な共存が可能になる。
• 両系統のピーク個体群密度は、初期個体群比に関係なく同時に発生し、同期した動態を示している。
• 初期の強力な型アブラムシ密度が高くなると、全体の個体群密度も上昇するが、抵抗性閾値を満たしていれば、弱毒型個体群は依然として存続する。
• モデルは、現実的な生物学的条件下で『植物内』の避難所が成立可能であることを示しており、耐性枝豆上で弱毒型個体群の長期的存続を支援している。
• この結果は、このような避難所がIRMプログラムにおけるアブラムシ耐性枝豆の耐久性を高め、外部の避難所への依存を減らす可能性を示唆している。