Trichoderma confers resistance to tomato plants against Spodoptera littoralis larvae by disrupting the symbiotic role of their gut microbiota

Beneficial fungi belonging to the genus Trichoderma are important biocontrol agents of fungal pathogens and promotes plant growth. Here we investigate how the interaction between tomato plants and a phytophagous insect, Spodoptera littoralis (Lepidoptera, Noctuidae), can be driven by hidden interactions involving their respective microbiotas. We describe the mechanism underlying this insect-plant interaction as modulated by the colonization of tomato roots by strain T22 of Trichoderma afroharzianum (T22-plants). Larvae fed with T-22-plant leaves show a marked and significant reduction of their growth, delayed development and a much higher mortality, compared to controls. Since the observed negative effects on survival and development could be mediated by the fungal induction of plant defense barriers targeting midgut functionality and thus its physiology, the midgut structure, its enzymatic profile and transcriptional activity were investigated as well as the composition and functional properties of gut microbiota. The changes induced in tomato plant by the fungus do not cause structural damage to the gut and/or alterations of its digestive capacity, but mediate gut dysbiosis in S. littoralis larvae. This dysbiosis is largely responsible for the reduced nutritional support by the gut microbiota to the host and the consequent negative impact on insect development and survival. Indeed, this phenotype can be fully rescued by oral administration of the functional S. littoralis gut microbiota or of the bacterial species Enterococcus casseliflavus, the symbiont that accounts for most of the changes in the metatranscriptomic analysis of the microbiota. Our results shed new light on the role played by a soil microorganism in the modulation of an interkingdom competition influencing nutritional resource allocation, laying the foundation for the development of sound strategies for the sustainable management of agroecosystems and for an in- depth assessment of the ecological impact by biocontrol agents.

I funghi benefici del genere Trichoderma sono importanti agenti di biocontrollo di patogeni e promuovono la crescita delle piante. In questo lavoro si dimostra che l’interazione tra la pianta di pomodoro e la larva del lepidottero Spodoptera littoralis (Lepidoptera, Noctuidae) viene modulata dal loro microbiota. In particolare, viene descritto il meccanismo grazie al quale la colonizzazione radicale da parte del ceppo T22 di Trichoderma afroharzianum è in grado di conferire alla pianta resistenza nei confronti dell’insetto fitofago. Le larve alimentate con piante di pomodoro colonizzate da T22 mostrano una significativa riduzione della crescita, un marcato ritardo nello sviluppo e una elevata mortalità rispetto ai controlli. Per comprendere le basi funzionali delle alterazioni fenotipiche osservate nelle larve di S. littoralis, che potrebbero essere determinate da una ridotta funzionalità intestinale del fitogafo causata dall’induzione fungina delle barriere di difesa della pianta, sono state valutate le possibili alterazioni strutturali e funzionali di questo organo e del microbiota ad esso associato tramite un approccio morfologico, fisiologico e molecolare. I cambiamenti indotti nella pianta di pomodoro da T. afroharzianum non provocano alcun danno strutturale all’intestino medio delle larve di S. littoralis e/o alterazioni della capacità digestiva, ma determinano una severa disbiosi intestinale. Composizione e funzionalità del microbiota risultano significativamente alterate e questo determina un ridotto supporto nutrizionale con conseguente impatto negativo sullo sviluppo e sulla sopravvivenza del fitofago. Questi effetti possono essere completamente eliminati con la somministrazione orale del microbiota intestinale delle larve controllo o del batterio Enterococcus casseliflavus, il simbionte responsabile della maggior parte dei cambiamenti trascrizionali osservati a carico del microbiota. I risultati ottenuti permettono di fare luce sul meccanismo con il quale un microrganismo del suolo è in grado di regolare l’interazione tra un fitofago e una pianta. La comprensione di questa modulazione, guidata dalla competizione tra organismi per le risorse trofiche, pone le basi per lo sviluppo di nuove strategie per valutare l’impatto ecologico degli agenti di biocontrollo, e quindi per una gestione sostenibile degli agroecosistemi.