Titelaufnahme

Titel
Effects of agricultural intensification on cereal aphid-parasitoid-endosymbiont interactions / presented by Zhengpei Ye MSc
VerfasserYe, Zhengpei
Betreuer / BetreuerinnenTraugott, Michael
ErschienenInnsbruck, July 2016
Umfangxv, 133 Seiten : Illustration, Diagramme
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016
Datum der AbgabeJuli 2016
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Funktionelle Ökologie / sekundäre bakterielle Endosymbionten / Wirt-Parasitoid Interaktionen / generelle Parasitoiden Primer / molekulare Diagnostik / DNA Barcode
Schlagwörter (EN)functional ecology / secondary bacterial endosymbiont / host-parasitoid interaction / general parasitoid primers / molecular diagnostics / DNA barcode
Schlagwörter (GND)Blattläuse / Hyperparasit / Düngung
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-22397 Persistent Identifier (URN)
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Zusammenfassung (Deutsch)

Blattläuse (Hemiptera: Aphididae) sind bedeutende Schädlinge an verschiedensten Kulturpflanzen, darunter auch Getreide. Parasitoide aus der Familie der Hautflügler (Hymenoptera) spielen in der biologischen Kontrolle dieser Schädlinge eine wesentliche Rolle, während Hyperparasitoide diese Regulation stören können. Blattlaus-Primärparasitoid-Hyperparasitoid-Nahrungsnetze gehören zu den am häufigsten studierten Modellsystemen der Netzwerkökologie. In diesem Zusammenhang stehen auch fakultative Endosymbionten, welche den Blattläusen Resistenz gegenüber den Parasitoiden verleihen und damit eine wichtige Rolle in Blattlaus-Parasitoid-Interaktionen und der biologische Regulation von Blattläusen spielen können.

Landwirtschaftliche Intensivierung wie die Düngung von Pflanzen und die Abnahme der Landschaftskomplexität kann Effekte auf Blattläuse und Parasitoide haben. Die Befunde zum Effekt von Düngung und Landschaftskomplexität sind jedoch widersprüchlich; eine experimentelle Analyse dieser Faktoren ist momentan ausständig. Zusätzlich ist nur wenig zur Rolle von fakultativen Endosymbionten in Feldpopulationen von Blattläusen, die sich unter dem Druck von natürlich vorkommenden Parasitoidengemeinschaften befinden, bekannt. Des Weiteren ist unbekannt, wie Düngung und Landschaftskomplexität die Infektionsniveaus von Endosymbionten in Blattläusen beeinflussen und welche Effekte dies auf die Parasitoidengemeinschaften hat.

Für die Analyse von Blattlaus-Parasitoiden-Nahrungsnetzen, insbesondere für die Bestimmung von artspezifischen Interaktionen zwischen Primärparasitoiden und Hyperparasitoiden, werden zunehmend molekulare Methoden eingesetzt, welche gegenüber herkömmlichen Verfahren mehrere Vorteile haben. Die momentan zur Verfügung stehenden molekularen Methoden sind jedoch oft auf Parasitoidengemeinschaften kleinerer geographischer Gebiete beschränkt und beinhalten nicht die Erfassung von fakultativen Endosymbionten. Zusätzlich ist die Verfügbarkeit von Barcoding DNA-Sequenzen, einer wichtigen Grundlage für die molekulare artspezifische Bestimmung von Primärparasitoiden und Hyperparasitoiden, momentan noch lückenhaft.

In dieser Arbeit wurden drei häufig verwendete Gene, die Cytochrom C Oxidase Untereinheit I (COI), 16S ribosomale RNA (16S) und 18S ribosomale RNA (18S) auf ihre Brauchbarkeit untersucht, um 24 Arten von Primärparasitoiden und 16 Arten von Hyperparasitoiden von Getreideblattläusen molekular zu bestimmen. Basierend auf diesen DNA-Sequenzen wurde ein molekulares Zwei-Schritt-Verfahren entwickelt, in welchem Multiplex-PCR (MP-PCR) Assays und die Bestimmung über DNA-Sequenzen kombiniert wurden, um Blattlaus-Parasitoiden-Endosymbionten-Interaktionen artspezifisch analysieren zu können. Mit Hilfe dieser neuen molekularen Methodik wurde darauffolgend der Effekt von Düngung auf Getreideblattlaus-Primärparasitoid-Hyperparasitoid Interaktionen in einfachen und komplexen Landschaften untersucht. Des Weiteren wurde der Effekt landwirtschaftlicher Intensivierung auf Blattlaus-Parasitoid-Endsymbiont-Interaktionen in natürlich vorkommenden Blattlauspopulationen in Winterweizen untersucht.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass im Vergleich zu COI und 18S, die 16S Sequenzen am besten geeignet erscheinen, um die hier untersuchten Parasitoide molekular zu identifizieren. Zudem eignen sich Sequenzen dieses Gens für die Entwicklung gruppenspezifischer Primer als auch für die Artbestimmung über DNA-Sequenzen, was großes Potential auch für andere Wirts-Parasitoid-Hyperparasitoid-Systeme birgt. Die Schritt-1 MP-PCR Assays erlauben die artspezifische Identifizierung der drei Getreideblattlausarten und von drei Endosymbiontenarten, als auch die gruppenspezifische Identifikation von Primär- und Hyperparasitoiden. Mit den Schritt-2 MP-PCR Assays können häufige Arten von Primär- und Hyperparasitoiden in Mitteleuropa artspezifisch bestimmt werden, während seltenere Arten über die Sequenzierung von 16S Fragmenten aus der Schritt-1 MP-PCR bestimmt werden können. Dieser molekulare Ansatz hat das Potential auch auf andere Wirt-Parasitoid-Systeme umgelegt zu werden. Die generellen Parasitoidenprimer als auch die in Zuge dieser Arbeit generierte Sequenzdatenbank ist zudem für Bestimmungsverfahren von Parasitoiden, die auf Sequenzierung basieren, von Bedeutung, wie zum Beispiel Sanger Sequenzierung oder Next Generation Sequencing Techniken.

Durch die Anwendung der neuen molekularen Methoden auf Blattlausproben, welche in 13 Winterweizenfeldern gesammelt wurden, konnte festgestellt werden, dass die Düngung von Weizenpflanzen sich bis auf das trophische Niveau der Hyperparasitoiden auswirkt, wobei die Hyperparasitierungsrate abhängig von der Verfügbarkeit der Primärparasitoide (gering in komplexen, hoch in einfachen Landschaften) abhängig ist. Unsere Ergebnisse weisen zudem darauf hin, dass die fakultativen Endosymbionten den Getreideblattläusen der Art Sitobion avenae Resistenz gegenüber den Parasitoiden verleihen, indem sie die Parasitoidenlarven in den Wirten abtöten. Dabei ist die Resistenzwirkung abhängig von der Art des Endosymbionten und des Parasitoiden, und scheint zudem über die Düngung der Pflanzen gefördert zu werden. Des Weiteren fanden wir Hinweise, dass die Endosymbionten indirekt die Hyperparasitierungsraten als auch die Primärparasitoiden-Hyperparasitoiden-Nahrungsnetze beeinflussen. Unsere Analysen zeigen, dass die beiden detektierten Endosymbiontenarten die Zusammensetzung der Parasitoidengemeinschaften und die Interaktionen innerhalb dieser unabhängig von Düngung und der Landschaftskomplexität.000000003 752 L ger

Zusammenfassung (Englisch)

Aphids (Hemiptera: Aphididae) are major pests on a wide range of crops, such as for example cereals. Hymenopteran parasitoids have been shown to exert strong biocontrol, while hyperparasitoids can sometimes disrupt the aphid parasitoid biocontrol. Additionally, aphid-parasitoid-hyperparasitoid food webs are among the most studied model systems for investigating network ecology. In this context, aphid defensive facultative endosymbionts can confer parasitoid resistance for their aphid host, potentially playing an important role in aphid-parasitoid interaction and aphid parasitoid biocontrol.

Agricultural intensification, such as plant fertilization and decreasing landscape complexity, can affect both aphid and their parasitoids. However, there are conflicting findings regarding to the effects of either plant fertilization or landscape complexity, and an experimental assessment of these relationships is currently missing. Additionally, little is known about the roles of aphid defensive facultative endosymbionts in aphid field populations, which are under the pressure of naturally occurring parasitoid communities. Moreover, it is unknown how plant fertilization and landscape complexity affect these endosymbionts infection levels and which impact these endosymbionts have on parasitoid communities.

To assess the aphid-parasitoid feeding networks, in particular the species-specific primary parasitoid-hyperparasitoid interactions, molecular methods, which overcome several inherent shortages of conventional approaches, have been increasingly being employed. However, currently available molecular approaches are often limited to a few common species within a small geographical area and do not consider the aphid defensive facultative endosymbionts. Moreover, comprehensive barcoding DNA sequence information, an important prerequisite for species identification of cereal aphids and their hyperparasitoids, is only scarcely available.

Here, we evaluated three genes commonly used as molecular markers, i.e. cytochrome c oxidase subunit I (COI), 16S ribosomal RNA (16S) and 18S ribosomal RNA (18S) for their suitability to identify 24 species of primary parasitoids and 16 species of hyperparasitoids of European cereal aphids. Based on the DNA sequence database, we established a two-step molecular approach, combining multiplex PCR assays (MP-PCR) and DNA sequence-based methods, for identifying cereal aphid-parasitoid-endosymbiont interactions on a species-specific level. By using the newly established molecular approach, we experimentally examined the effect of fertilization on cereal aphid-primary parasitoid-hyperparasitoid communities and interactions in complex and simple landscapes. Moreover, the effects of agricultural intensification on aphid-parasitoid-endosymbiont interactions in natural populations of cereal aphids were assessed.

Our results show that compared to COI and 18S, the 16S gene, seems the most promising molecular marker for parasitoids. It is well suited for group-specific primer design and species identification via DNA sequence information, offering a high potential to be extended to cover other host-parasitoid-hyperparasitoid systems. The first step MP-PCR assays of the novel molecular approach allow the species-specific identification of three facultative endosymbionts and three cereal aphids, as well as generating group-specific 16S amplicons of primary parasitoids and hyperparasitoids. The second step MP-PCR assays target common parasitoid species of primary and hyperparasitoids in Central Europe. Less common parasitoid species, not covered by the second-step assays can be identified via sequencing of the group-specific 16S amplicons. This molecular approach has also the potential to be adjusted to other host-parasitoid networks on a boarder geographical scale. The general parasitoid primers and the compiled DNA sequence database provide a comprehensive basis for sequence-based species identification, such as Sanger sequencing and next generation sequencing.

Applying the present molecular approach to field-collected samples form 14 winter wheat fields in Germany, we found that plant fertilization had a cascading effect from wheat plants up to the hyperparasitoid level of the food webs and its impact on hyperparasitism rates depended on the low and high availability of hyperparasitoid host (i.e. primary parasitoid larvae) in complex and simple landscapes, respectively. Our data also indicate that the aphid facultative endosymbionts confered protection in cereal aphids Sitobion avenae, primaryly by killing of the immature parasitoid larvae. The protection seems to be species-specific for both facultative endoymbionts and parasitoids and it appears to increase when plants are fertilized. Additionally, we found evidence that the defensive facultative endosymbionts indirectly affected hyperparasitism rates and primary parasitoid-hyperparasitoid food web structures. Our analyses suggest that the two facultative endosymbiont species investigated affect parasitoid community composition and interactions independent from fertilization and landscape complexity and as such are a driving force in these ecological networks.

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