Antioxidant Enzyme Responses Induced by Whiteflies in Tobacco Plants in Defense against Aphids: Catalase May Play a Dominant Role

Abstract

BackgroundBemisia tabaci MEAM1 (Middle East-Asia Minor 1) feeding alters antioxidative enzyme activity in some plant species. Infestation of B. tabaci nymphs decreases Myzus persicae performance on systemic, but not local leaves of tobacco plants. However, it is unclear if B. tabaci nymphs induced antioxidant activities contributing to the aphid resistance.Methodology/Principal FindingsWe investigated the relationship between antioxidants induced by nymphs of B. tabaci feeding on tobacco and aphid resistance. The activities of catalase (CAT), peroxidase (POD), superoxide dismutase (SOD) and the concentration of hydrogen peroxide (H2O2) were assayed in tobacco leaves at different feeding times following infestation of B. tabaci nymphs. The infestation altered the activities of CAT and POD, but had no significant effect on SOD activity. The highest CAT activity was observed at 15 d after infestation. This was 98.2% greater than control systemic leaves, but 32.6% lower than the control in local leaves. Higher POD activity was recorded in local vs. systemic leaves after 15 d of infestation. POD activity was 71.0% and 112.9% higher in local and systemic leaves, respectively, than in the controls. The changes of CAT, but not POD or SOD activity were correlated to levels of aphid resistance. H2O2 levels were higher in local than in systemic leaves in contrast to CAT activity. Tobacco curly shoot virus mediated virus-induced gene silencing was employed to determine if CAT activation was involved in the aphid resistance induced by B. tabaci nymphs. B. tabaci induced CAT activity decreased when the Cat1 expression was silenced. The performance assay indicated that Cat1 silencing made B. tabaci infested plants a more suitable host for aphids than infested control plants. The aphid survival rate was reduced by 40.4% in infested control plants, but reduced by only 26.1% in Cat1-silenced plants compared to uninfested controls. Also, qPCR results showed that silencing of Cat1 led to the suppression of the B. tabaci mediated PR-2a expression.Conclusions/SignificanceAphid resistance in plants infested with B. tabaci nymphs is associated with enhanced antioxidant activities in which CAT may play a dominant role. This resistance probably acted via interactions with SA-mediated defense responses.

Soil Pollution by Petroleum-Derived Substances and its Bioremediation: The Effect on Aphis fabae Scop. Infestation and Antioxidant Response in Vicia faba L.

“…In the available literature on the topic of the relationships between the activity of antioxidating enzymes and antioxidant content in plants, which were previously changed as a result of the stress factors, information on the infestation of plants by aphids is very scarce, and with respect to contaminants, there is no data at all. In their analysis of the relationship between antioxidants induced by nymphs of B. tabaci feeding on tobacco and aphid resistance, Zhao et al [22] point at CAT as the main enzyme responsible for inducing tobacco resistance to aphids. Next, He et al [21] indicated SOD and POD as the enzymes responsible for the resistance of two varieties of chrysanthemum to aphids.…”

Incidencia de Trialeurodes vaporariorum (Hemiptera: Aleyrodidae) y mecanismos de defensa en Gerbera hybrida

“…La presencia de T. vaporariorum en gerbera ha sido documentada por varios autores (Berndt y Meyhöfer, 2008;Parrella et al, 2014;Rojas et al, 2018). La variación en la respuesta entre genotipos pudiera atender a diferencias en características morfológicas de las plantas, las cuales pueden actuar como barreras físicas a los insectos (Taggar y Gill, 2012; Belete, 2018) y a factores relacionados con el metabolismo de las plantas y mecanismos antioxidantes tales como la participación de metabolitos secundarios (Zhang et al, 2017) y la actividad de ciertas enzimas (Taggar et al, 2014;Zhao et al, 2016). A este respecto, estudios en gerbera, destacan la variación entre genotipos en la síntesis de metabolitos secundarios como respuesta al ataque de plagas (Krisps et al, 2001), los cuales constituyen un elemento de importancia para su aprovechamiento en el desarrollo de variedades resistentes (Broekgaarden et al, 2011;Mitchell et al, 2016;Hoshino et al, 2017).…”

“…Resultados similares a esta investigación sobre el incremento de la actividad enzimática de la POX con la incidencia de la mosca blanca se obtuvieron en genotipos de lenteja negra (Vigna mungo L.) afectados por Bemisia tabaci, donde aquellos más resistentes al estrés por el insecto mostraron un mayor incremento en AePOX que aquellos susceptibles (Taggar et al, 2014). Zhao et al (2016) reportaron un incremento en la actividad enzimática de POX y catalasa en plantas de tabaco después de la presencia de B. tabaci, en comparación de las plantas control. Por otro lado, la capacidad de Mor de promover la AePOX con la alta incidencia de T. vaporariorum, sugiere la participación de la enzima como mecanismo de defensa.…”

“…En otras especies como tabaco (Nicotiana tabacum L.), la infestación de mosca blanca aumentó los niveles de H2O2 un 77.3% más que en las plantas control (Zhao et al, 2016). El H2O2, además de ser una molécula de señalización en condiciones de estrés y en los procesos fisiológicos de las plantas (Sharma et al, 2012), es utilizada como sustrato por las peroxidasas tanto para la lignificación y suberización de la pared celular, como para la oxidación de compuestos fenólicos durante las lesiones por insectos, lo que indirectamente la convierte en una enzima antioxidante (He et al, 2011).…”

“…En este sentido, se han reportado variaciones entre genotipos de gerbera y crisantemo en la síntesis de metabolitos secundarios y de enzimas antioxidantes como mecanismos de defensa en respuesta al ataque de plagas(Krisps et al, 2001;He et al, 2011).Por ejemplo, Sierra et al (2014) mencionan que la presencia de ciertos metabolitos secundarios en las plantas causa que los insectos, como la mosca blanca tengan preferencia por ciertas plantas y repelencia por otras debido a variaciones en compuestos como cumarinas, terpenos y esteroides. En especies vegetales, el estrés causado por insectos induce enzimas antioxidantes como las peroxidasas, que participan en el mecanismo de defensa con la síntesis de polímeros de pared celular como lignina y suberina, barreras físicas naturales(Dicko et al, 2005;Zhao et al, 2016).…”