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Title
Integrated pest management strategies for the control of the western corn rootworm Diabrotica virgifera virgifera
Additional Titles
Integrierte Pflanzenschutzkonzepte zur Bekämpfung des Westlichen Maiswurzelbohrers, Integrated pest management strategies for the control of the western corn rootworm Diabrotica virgifera virgifera
AuthorRauch, Hannes
Thesis advisorBurgstaller, Wolfgang ; Strasser, Hermann
Published2017
Institutional NoteInnsbruck, Univ., Diss., 2017
Date of SubmissionMarch 2017
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Westlicher Maiswurzelbohrer / Diabrotica virgifera virgifera / Metarhizium brunneum / Heterorhabditis bacteriophora / Integrierter Pflanzenschutz
Keywords (EN)Western corn rootworm / Diabrotica virgifera virgifera / integrated pest management / Metarhizium brunneum / Heterorhabditis bacteriophora / Western corn rootworm - Diabrotica virgifera virgifera - integrated pest management - Metarhizium brunneum - Heterorhabditis bacteriophora
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Abstract (German)

Der Westliche Maiswurzelbohrer, Diabrotica virgifera virgifera LeConte, ist der bedeutendste Maisschädling im intensiven Maisanbau. Er verursacht vor allem in Nordamerika aber auch in Teilen Europas bereits seit Jahren hohe Ertragseinbußen und Bekämpfungskosten. Die Bekämpfung des Schädlings erfolgt hauptsächlich durch den Einsatz von chemischen Insektiziden, biologischen Wirkstoffen, der Fruchtfolge, der Auswahl resistenterer Maissorten und durch die Verwendung von transgenen Sorten. Die mehr oder weniger erfolgreiche Anpassung des Maiswurzelbohrers an diese Strategien und der ökonomische Aspekt des Maisanbaus haben zur Erkenntnis geführt, dass eine effektive und nachhaltige Bekämpfung dieses Schädlings nur durch den Einsatz integrierter Pflanzenschutzkonzepte (IPs) gelingen kann. In groß angelegten Freilandstudien an ausgewählten Versuchsstandorten mit einem sehr hohen, natürlichen Diabrotica-Befall wurden IPs zur Anwendung gebracht mit dem Ziel, mögliche synergistische Interaktionen zwischen dem entomopathogenen Pilz Metarhizium brunneum und wirkungssteigernden Mitteln in traditionell bewirtschafteten Maisfeldern zu untersuchen. Dabei wurde das vormals bereits zur Diabrotica-Bekämpfung registrierte chemische Pflanzenschutzmittel PonchoTM (Clothianidin gebeiztes Saatgut) sowie BelemTM (Bodengranulat mit dem Wirkstoff Cypermethrin), das zurzeit einzige, für den Einsatz gegen den Maiswurzelbohrer im Mais registrierte biologische Pflanzenschutzmittel dianemTM (entomopathogene Nematoden der Art Heterorhabditis bacteriophora) sowie ein biologisches Pflanzenschutzmittel auf Basis von M. brunneum zum Einsatz gebracht und ihr Wirkungspotenzial verglichen. Die Studie erhob überdies auch den Körnerertrag und die Auswirkungen der getesteten Produkte auf Nichtzielorganismen. Zudem wurden Isolate von Metarhizium mittels sechs SSR Markern genotypisiert, um die Häufigkeit des applizierten Metarhizium Stammes im Boden zu ermitteln. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Schadschwelle der Larven bzw. der Käfer um einiges höher liegen dürfte als aus Literaturdaten bisher abgeleitet und diese maßgeblich von den Witterungsverhältnissen beeinflusst wird. Es konnten keine signifikanten Auswirkungen der getesteten Behandlungsvarianten weder auf die Abundanz noch auf die Diversität der untersuchten indigenen Spinnen und räuberischen Käfern nachgewiesen werden. Alle Metarhizium Isolate aus Metarhizium behandelten Parzellen entsprachen dem Genotyp des applizierten Stammes. Vor der Behandlung mit Metarhizium konnte der applizierte Stamm nicht nachgewiesen werden. Obwohl der Einsatz von IPs signifikant am wenigsten adulte Käfer zeigte, muss als Sofortmaßnahme in stark Diabrotica befallenen Gebieten die Fruchtfolge gezielt eingesetzt werden. Der hohe Wirkungsgrad dieser Maßnahme sollte eine Reduktion der Käfer im gesamten Befallsgebiet ermöglichen, sodass nach einer Absenkung der Käferpopulation auch für andere (biologische) Bekämpfungsmaßnahmen wieder die Voraussetzung einer ausreichenden Wirkung entsteht.

Die Effizienz von Insektiziden zur Bekämpfung des Maiswurzelbohrers kann in erster Linie über Wurzelschäden, umgekippte Maispflanzen, Ertrag und der Larven- bzw. Käferdichte ermittelt werden. Ein Fallensystem wurde entwickelt, um möglichst alle aus dem Boden schlüpfenden adulten Käfer zu erfassen. Dieses System wurde erfolgreich eingesetzt und zeichnet sich neben der hohen Fangeffizienz durch eine einfache und günstige Konstruktion, einer einfachen und schnellen Installation, einem geringen Zeitaufwand bei der Zählung der gefangenen Käfer und einer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüsse bzw. einer großen Haltbarkeit aus. Wie andere Bodenschädlinge orientieren sich auch die Larven des Maiswurzelbohrers bei der Suche nach Maiswurzeln hauptsächlich an CO2 Gradienten. Neben den Wirkstoffen, die bereits in groß angelegten Freilandstudien in der Steiermark getestet wurden, wurde in einem Topfversuch die Effizienz von neu entwickelten CO2 emittierenden Mikrokapseln mit M. brunneum

als Wirkstoff ermittelt. Diese innovativen Kapseln wurden vom INBIOSOIL Projektpartner FH Bielefeld entwickelt. Die Strategie dabei ist die Diabrotica Larven von den Maiswurzeln fernzuhalten und sie in einem sog. „attract and kill“ Ansatz zu den Kapseln zu locken, mit M. brunneum zu infizieren und sie dadurch zu töten. Die getestete Kombination von M. brunneum und H. bacteriophora zeigte eine deutlich höhere Wirkung als der Einzelwirkstoff, was auf eine mögliche synergistische Interaktion zwischen diesen beiden biologischen Wirkstoffen hindeutet. Die Maiswurzeln waren zum Zeitpunkt des Larvenschlupfes bereits gut ausgebildet und möglicherweise attraktiver als die CO2 emittierenden Kapseln, was sich im geringen Wirkungsgrad dieser Kapseln widerspiegelte. Der Abbau der Kapseln, der Zeitraum der CO2 Emission in Abhängigkeit von abiotischen Faktoren (Temperatur, Feuchtigkeit usw.), die Menge an Wirkstoff (d.h. die Sporendichte von M. brunneum), der Einfluss der Kapselkomponenten (Ca-Alginat, Hefe, Stärke) auf die Keimfähigkeit und Pathogenität von M. brunneum sind nur einige der essentiellen Faktoren, welche für eine wirksame Formulierung noch besser untersucht werden müssen. Obwohl chemische und auch biologische Wirkstoffe in der Schädlingsbekämpfung erfolgreich eingesetzt werden, ist der Einfluss insbesondere biologischer Wirkstoffe auf die mikrobielle Gemeinschaft im Boden kaum untersucht. In Zusammenarbeit mit INBIOSOIL Partner Agroscope (Zürich, Schweiz) wurde der potenzielle Einfluss von M. brunneum, H. bacteriophora, und Clothianidin auf die mikrobielle Gemeinschaft in einem Topfversuch mit Mais und einem künstlichen D. v. virgifera Befall untersucht. Dieser Ansatz stellte ein ideales System zur Untersuchung der Effekte des applizierten M. brunneum Stammes auf die mikrobielle Gemeinschaft dar. Metarhizium brunneum wurde dabei als GranMet-PTM (Agrifutur, Italien; mit M. brunneum verpilzte Gerstenkörner) oder als Wirkstoff in Alginat Kapseln ausgebracht, welche von INBIOSOIL Partner FH Bielefeld entwickelt wurden. Die Behandlungsvarianten mit GranMet-PTM führten zu einem signifikanten Anstieg der Metarhizium spp. Dichte. Die Pilzgemeinschaft hat sich während des Untersuchungszeitraums geändert, Effekte der Behandlungsvarianten wurde jedoch keine festgestellt. Aufgrund der zunehmenden Ausbreitung des Maiswurzelbohrers und dem damit zusammenhängenden Anstieg der Schäden durch den Larven- bzw. Adultfraß ist eine Bekämpfung der Larven und adulten Käfer unumgänglich. Zurzeit ist in Österreich kein biologischer Wirkstoff für die Bekämpfung der adulten Tiere zugelassen. Erste Sprühversuche mit einer Sporensuspension von M. brunneum mit Beistoffen für die Bekämpfung adulter Diabrotica in zwei Maisfeldern zeigten vielversprechende Ergebnisse. Vertiefende Studien zu Schlüsselfaktoren wie beispielsweise der Persistenz von M. brunneum und der direkte Nachweis von Metarhizium infizierten Adulten im Feld sind jedoch absolut notwendig um die Effizienz dieses biologischen Wirkstoffes weiter zu evaluieren. Die vorliegenden Untersuchungen unterstreichen die Notwendigkeit eines IPs für die nachhaltige und effiziente Bekämpfung des Maiswurzelbohrers, damit die Populationen unter der wirtschaftlichen Schadschwelle gehalten werden können. Eine systematische Fruchtfolge, die Nutzung synergistischer Interaktionen und die Entwicklung innovativer und effizienter Produkte für die Larven- und Adultbekämpfung werden dabei eine tragende Rolle spielen.

Abstract (English)

The western corn rootworm, Diabrotica virgifera virgifera LeConte (WCR) became one of the most targeted coleopteran species in pest control activities in recent years. Multiple management practices aim to control corn rootworms mainly including synthetic pesticides, biopesticides, crop rotation, corn variety selection, and transgenic corn varieties. However, the adaptation of the WCR to different control tactics and the economical aspects of maize growing have led to the growing recognition, that an effective and sustainable control of this pest can only be achieved by the implementation of integrated pest management (IPM) strategies. In large-scale maize field trails, which had heavy WCR adult infestations, an IPM programme for WCR was developed evaluating possible synergy between the entomopathogenic fungus Metarhizium brunneum (EPF) and efficacy enhancing agents (EEAs) under commercial farm conditions. The products tested included maize seeds dressed with the neonicotinoid clothianidin (PonchoTM), BelemTM (ai: cypermethrin), dianem (entomopathogenic nematode: Heterorhabditis bacteriophora), and a granular formulation of M. brunneum. The study not only determined the efficacy in suppressing pest populations but also considered other parameters including yield and impact on non-target arthropods. Further, Metarhizium isolates were genotyped using 6 SSR markers to investigate prevalence of the applied Metarhizium strain in the Metarhizium population in soil. The main findings were that the larval and adult western corn rootworm thresholds might be higher than reported in previous studies and are largely influenced by the weather conditions. Non-target evaluation using pitfall traps did not show any significant impact of the treatments on the abundance or diversity of indigenous predatory beetles and spiders. None of the isolates collected before the application of Metarhizium displayed the genotype of the applied strain, whereas all Metarhizium isolates obtained from EPF treated plots were identified as the applied strain. Although an IPM approach resulted in the lowest number of D. v. virgifera adults, a systematic crop rotation must be applied as emergency measure to significantly reduce rootworm populations in already heavily infested areas. This highly efficient strategy may lead to a remarkable reduction of the WCR pressure and provide the preconditions necessary for a sufficient efficacy of subsequent (bio)control measures. The efficacy performance of insecticides in corn rootworm studies can mainly be evaluated by the assessment of root damages, lodged plants, yield, larval and adult counts. A trap system which enables to capture up to one hundred percent of emerged WCR beetles combining this high efficacy with a simple and economical construction, an easy and quick installation, a short time for counting captured WCR adults and a high durability was developed and successfully used for WCR trapping.

Similar to other soil dwelling pests, WCR larvae are known to orient towards the maize roots following CO2 gradients. Apart from the active agents tested in large-scale field trials in Styria, the efficacy of novel formulated CO2-relasing microcapsules containing M. brunneum

as active ingredient was evaluated in pot trials. These innovative capsules were developed by INBIOSOIL project parter FH Bielefeld. The strategy behind this approach is the disruption of host location and an attract and kill strategy in which WCR larvae are lured to the EPF M. brunneum. The combination of the biocontrol agents (BCAs) H. bacteriophora and M. brunneum

clearly performed better than better either product being used alone, suggesting that the two BCAs might have worked synergistically. The maize roots were well developed when WCR larvae hatched and might be more attractive for larvae than the CO2-emitting capsules, which was reflected in the poor efficacy of these capsules. The degradation of the capsules, the CO2 emission period in relation to variable abiotic conditions (e.g. temperature, humidity ecc.), the amount of active ingredient (i.e. the M. brunneum spore density), and the influence of the microcapsule components (i.e. Ca-alginate, yeast, starch) on the germination capacity and pathogenicity of M. brunneum are only some of the key factors which must be further evaluated for the efficacy of this novel formulation. Although biological and chemical plant protection treatments are well accepted measures for pest control, the impact particularly of biological control agents on soil microbial communities has been poorly investigated. In collaboration with INBIOSOIL project partner Agroscope (Zürich, Switzerland) the potential effects of M. brunneum, H. bacteriophora, and clothianidin were assessed in a pot experiment with maize and D. v. virgifera as pest insect. Metarhizium brunneum was formulated as fungal colonized barley kernels (FCBKs GranMet-PTM,

Agrifutur, Italy) or as fungal alginate capsules by INBIOSOIL project partner FH Bielefeld. Treatments including FCBKs led to a significant increase of Metarhizium spp., which provided an ideal system to study effects of the applied M. brunneum strain on soil microbial communities. The community structure of fungi changed over time, but no effects of the treatments were observed. The increasing spread of Diabrotica v. virgifera associated with an augmentation of yield losses due to larval and adult feeding requires the control of both larvae and adults. Actually, in Austria no

biological control agent is approved for WCR adult control. First spray experiments with M. brunneum applied as a spore suspension with co-formulants directly in two test fields for WCR adult control has revealed promising results. Further studies with additional key issues, e.g. the persistence of M. brunneum and the direct proof of Metarhizium infected adults in the field are, however, absolutely necessary to further evaluate the efficacy of this biocontrol agent. The present studies highlight the importance of IPM strategies for a sustainable and effective control option to keep WCR populations under the economic threshold. The systematic crop rotation, the use of synergistic effects and the development of innovative and effective products for both larval and adult control will play a fundamental role in future WCR control.

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