Analyse der eiablagevermittelten, fraßinduzierten Verteidigung von Ulmus minor gegen herbivore Insekten im Halbfreilandversuch

Bachelorarbeit

Analyse der eiablagevermittelten, fraßinduzierten Verteidigung von Ulmus minor gegen herbivore Insekten im Halbfreilandversuch: Welche Auswirkung hat die Anwesenheit von Coccinella septempunctata ?

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1. Zusammenfassung

Die direkte Verteidigung der Feldulme (Ulmus minor) gegen herbivore Insekten kann durch vorherige Eiablagen der Insekten an Ulmenblättern geprägt werden (Priming). An von Ulmenblattkäfern (Xanthogaleruca luteola) mit Eiern belegten Blättern ändert die Feldulme ihr Muster an Inhaltsstoffen so, dass fressende Larven verstärkt die phenolische Substanz Robinin aufnehmen. Dies führt zu einer erhöhten Larvalmortalität im Vergleich zu nicht belegten Blättern. Dieser Effekt der Insekteneiablage auf die fraßinduzierte Verteidigung der Ulme wurde bereits unter Laborbedingungen untersucht (Austel et al, 2015). In vorliegender Arbeit wurden nun zwei Aspekte genauer überprüft. Zum einen sollten die bereits beschriebenen Laborbefunde zum eiablagevermittelten Priming der Verteidigung der Feldulme gegen Herbivore in einem Halbfreilandexperiment geprüft werden. Zum anderen wurde der Einfluss der dritten Trophieebene, die Anwesenheit von Siebenpunktmarienkäferlarven (Coccinella septempunctata), auf das Priming und somit auf die Larvalmortalität von Ulmenblattkäferlarven untersucht. Nach erfolgreicher Eiablage durch den Ulmenblattkäfer wurden Siebenpunktmarienkäferlarven hinzugesetzt, welche die Eigelege des Ulmenblattkäfers abfraßen. Dies soll die Frage beantworten, ob das Abfressen der Eigelege durch räuberische Insekten das eiablagevermittelte Priming der Verteidigung der Feldulme gegen Herbivore wieder aufhebt oder verringert. Des Weiteren wurde untersucht, ob der eiablagevermittelte Priming-Effekt ebenfalls beeinflusst wird, wenn die Eigelege mechanisch entfernt werden. Dies soll überprüfen, ob der Priming- Effekt durch die reine Entfernung der Eigelege beeinflusst oder zusätzlich die Anwesenheit der Siebenpunktmarienkäferlarven benötigt wird. Das zuvor unter Laborbedingungen untersuchte eiablagevermittelte Priming der Verteidigung konnte auch im Halbfreilandversuch bestätigt werden. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass die Larvalmortalität auf Blättern, auf denen die Eigelege durch Siebenpunktmarienkäferlarven abgefressen wurden, signifikant geringer ist, als auf Blättern, auf denen die Larven „ungestört" schlüpfen konnten. Auf Blättern, auf denen die Eigelege mechanisch entfernt wurden hingegen, unterschied sich die Larvalmortalität nicht signifikant von dieser. Dies zeigt, dass das Abfressen der Ulmenblattkäfereier dazu führt, dass die Ulme ihre Priming wieder herunterfährt, da kein Fraßschaden zu erwarten ist. Beim mechanischen Entfernen der Eier mittels Skalpell wurde das Priming der Verteidigung dagegen aufrechterhalten.

2. Einleitung

Pflanzen sind aufgrund ihrer sessilen Lebensweise dem Angriff von Herbivoren und somit deren Fraß scheinbar schutzlos ausgeliefert. Pflanzen haben jedoch verschiedene Abwehrstrategien entwickelt. Grundlegend kann zwischen konstitutiven und induzierten Verteidigungsmechanismen unterschieden werden (Frost et al., 2008). Konstitutive Abwehrmechanismen stehen dabei die gesamte Zeit zur Verfügung, z.B. in Form mechanischer Mechanismen (z.B. Stacheln, Dornen, Trichome) oder chemischer Mechanismen in Form von Wirkstoffen (z.B. Nikotin), während induzierbare Abwehrmechanismen einen Stimulus benötigen, um aktiv zu werden. Des Weiteren kann zwischen indirekter und direkter Verteidigung unterschieden werden. Bei der direkten Verteidigung wehrt sich die Pflanze direkt durch z.B. chemische Prozesse gegen Herbivorie, während bei der indirekten Verteidigung die dritte Trophieebene, z.B. durch von ausgesendeten Duftstoffen angezogene Räuber, mit einbezogen wird (Dicke et al., 2003; van Poecke & Dicke, 2004; Degenhardt et al., 2009).

Indirekte Abwehrmechanismen sind z.B. beim Mais (Zea mays) zu finden. Durch die Freisetzung von befallsinduzierten Duftstoffen (engl.: herbivore-induced plant volatiles (HIPV)) werden Larvalparasitoide zur Verteidigung angelockt, in diesem Fall parasitische Wespen (Turlings et al., 1990). Auch bei Limabohnen (Phaseolus lunatus) konnte dies beobachtet werden (Hopke et al., 1994). Der Befall durch Spinnenmilben führt hier dazu, dass die Pflanze HIPVs aussendet, die carnivore Raubmilben anlocken, wodurch die Anzahl der herbivoren Fraßfeinde reduziert wird. In vielen Fällen ist die indirekte Verteidigung auch gegen die Eiablage der Herbivoren gerichtet. So werden z.B. mithilfe von eiablageinduzierten Duftstoffen der Waldkiefer (Pinus sylvestris) (Hilker & Meiners, 2002) Eiparasitoide angelockt.

Direkte Abwehrmechanismen gegen Eiablagen von Insekten können sehr unterschiedlich aussehen. Eine mögliche Abwehrstrategie ist die eiablageinduzierte Ausbildung von Neoplasmen (Wachstum von undifferenzierten Zellen) (Doss et al., 2000), wodurch die abgelegten Eier aufgrund von Blattoberflächenveränderungen von den Pflanzen herunterfallen und die Überlebenschancen der Larven sinken (Hilker und Meiners, 2002; Hilker und Meiners, 2011). Des Weiteren können toxische Stoffe eine Rolle bei der induzierten Abwehr spielen. Reispflanzen (Oryza sativa) produzieren toxische Substanzen, welche abgelegte Eier abtöten können (Seino et al, 1996). Die direkten Abwehrmechanismen können dabei nicht nur gegen die Eiablage der herbivoren Fraßfeinde gerichtet sein, sondern auch gegen die Herbivoren selbst. Die Tabakpflanze (Nicotiana attenuata) bildet hierbei die toxisch aktive Substanz Nikotin, welche sich direkt gegen Fraßfeinde richtet (Baldwin, 1999).

Worin bestehen nun aber die Vor- und Nachteile von konstitutiver und induzierter Abwehr? Konstitutive Abwehr ist immer vorhanden und damit sofort verfügbar, wenn sie benötigt wird. Sie verursacht allerdings unnötige Kosten, wenn kein Befall vorhanden ist bzw. stattfindet. Induzierte Abwehr dagegen verursacht vermutlich keine oder nur geringe Kosten, wenn kein Befall vorhanden ist. Allerdings hat sie den Nachteil, nicht sofort gegen einen möglichen Befall zu wirken, da sie erst aktiviert werden muss. Die Lösung dieses Problems bietet das sogenannte ^Priming der Abwehr". Durch einen vorangegangenen Stimulus (z.B. Düfte befressener Nachbarpflanzen, vorheriger Fraß oder Eiablage) wird die Pflanze in einen Zustand versetzt, in dem sie auf einen nachfolgenden Befall schneller bzw. stärker reagieren kann (Conrath et al, 2006; Frost et al, 2008). Priming gegen Herbivorie durch Düfte von befressenen Pflanzen ist u.a. für Limabohnen (Phaseolus lunatus) und Maispflanzen (Engelberth et al, 2004; Frost et al, 2007; Kost & Heil, 2006) beschrieben. Bei der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) konnte festgestellt werden, dass die Larvalmortalität bei vorheriger Eiablage durch den Großen Kohlweißling (Pieris brassicae) signifikant steigt (Geiselhardt et al., 2013).

Die Feldulme, um die es in dieser Arbeit gehen soll, verwendet sowohl direkte als auch indirekte Verteidigungsmechanismen, um sich vor Fraßfeinden, im Besonderen vor dem UImenblattkäfer zu schützen. Eine indirekte Verteidigung wird dabei durch die Eiablage des Ulmenblattkäfers ausgelöst (Meiners & Hilker, 1996). Dabei konnte festgestellt werden, dass sich im Oviduktsekret des Ulmenblattkäfers ein Elicitor (=Substanz, die Abwehrmechanismen gegen Fraßfeinde und Krankheitserreger induziert) befindet, der die Abgabe von sogenannten Volatile Organic Compounds (VOC) auslöst (Meiners et al, 2000; Meiners & Hilker, 2000). Diese von den Ulmenblättern ausgesendeten VOCs locken den Eiparasitoiden Oomyzus gallerucae an, der die Eigelege parasitiert und so der Pflanze bei der Herbivorenbekämpfung hilft (Büchel et al, 2011; Hilker und Meiners, 2006; Hilker und Meiners, 2010; Hilker und Meiners, 2011; Meiners et al, 2000). Wie funktioniert dies genau? Um seine Eier auf die Blätter der Feldulme abzulegen, verletzt das Ulmenblattkäferweibchen mit seinen Mandibeln die Blattoberfläche an der Stelle der Eiablage. Diese Verletzung begrenzt sich auf die Epidermis und das benachbarte Schwammparenchym. Außerdem bevorzugt der Ulmenblattkäfer die Ablage seiner Eier auf Blattadern, weshalb die Epidermis meist in der Nähe der Gefäßbündel entfernt wird und anschließend auf diese Stellen die Eiablage erfolgt (Hilker und Meiners, 2006; Meiners und Hilker, 1997). Bei dem Elicitor, der die indirekte Verteidigung auslöst, handelt es sich wie beim Kiefernspinner (Dendrolimus pini) um ein Sekret, welches die Eier beschichtet und für deren Halt an der Blattoberfläche sorgt (Meiners und Hilker, 2000).

Außerdem konnte festgestellt werden, dass die Feldulme sich auch durch direkte Abwehrmechanismen gegen Fraßfeinde verteidigen kann. Dies funktioniert durch chemisch-molekulare Mechanismen. Die Blätter der Feldulme verändern nach Eiablage des Ulmenblattkäfers ihr fraßinduziertes Muster an Inhaltsstoffen in anderer Weise als eifreie, fraßinduzierte Blätter. Ulmenblattkäferlarven nehmen verstärkt die phenolische Substanz Robinin bei Fraß an zuvor eierbelegten Ulmenblättern auf. Die verstärkte Aufnahme von Robinin führt zu einer erhöhten Larvalmortalität, insbesondere gegen Ende der Larvalentwicklung. Diese durch Laborexperimente erzielten Befunde werden dahingehend interpretiert, dass vorherige Eiablage die Ulme vor Ulmenblattkäferfraß warnt. Demnach ist die Eiablage ein Priming- Stimulus, der die Verteidigung gegen Herbivorie vorbereitet (Austel et al., 2015).

In dieser Studie soll nun ebenfalls die direkte Abwehr der Feldulme gegen den Ulmenblattkäfer genauer untersucht werden. Dabei werden die folgenden Dinge genauer untersucht:

1.) Die in vorherigen Studien bereits gewonnenen Erkenntnisse zum eiablagevermittelten Priming der Feldulme gegen herbivore Fraßfeinde sollen hier in einem Halbfreilandversuch überprüft werden. Bisher wurde dies lediglich unter Laborbedingungen getestet. Es soll also in einem Halbfreilandversuch überprüft werden, ob die Larvalmortalität auf von Ulmenblattkäfern belegten Blättern signifikant höher ist, als auf eifreien Blättern.
2.) Außerdem soll der Einfluss der dritten Trophieebene untersucht werden. Es stellt sich die Frage, ob die Feldulme das eiablagevermittelte Priming bei Anwesenheit von Prädatoren, in diesem Fall Marienkäferlarven, welche die Eigelege des Ulmenblattkäfers abfressen, wieder herunterfährt oder dies aufrechterhalten wird. Vergleichend wird auch untersucht, welchen Effekt das mechanische Abschneiden der Eigelege (durch ein Skalpell) hat. Dies soll klären, ob die reine Entfernung der Eigelege ausreicht, um das Priming herunterzufahren oder ob die Anwesenheit von Marienkäferlarven notwendig ist.

3. Material & Methoden

3.1 Versuchsorganismen - allgemeine Informationen 3.1.1 Trophieebene 1 - Die Feldulme

Die Feldulme ist ein sommergrüner Laubbaum, der zur Familie der Ulmengewächse (Ulmaceae) gehört. Ihr Verbreitungsgebiet liegt bevorzugt in Fluss- und Stromtälern im Flachland Mittel- und Südeuropas. Der bis zu 30 m hohe Baum kann bis zu 600 Jahre alt werden und bevorzugt nährstoff- und kalkhaltige Böden. Der durch den Ulmensplintkäfer (Scolyptus sp., Hylurgopinus sp.) übertragene Schlauchpilz Ophiostoma novo-ulmi führte zu einem erheblichen Rückgang der Ulmenpopulation (Brasier, 1991). Ihr Vorkommen in Mitteleuropa ist oft auf buschförmige und verhältnismäßig kleine Ulmen beschränkt. Die Rinde der Ulme ist braungrau und kann von tiefen Längsrissen geprägt sein. Die Blätter sind wechselständig angeordnet und häufig doppelt gesägt, sowie von Trichomen bedeckt. Die Blattfläche kann am Blattstiel verwachsen sein. Der Blattgrund ist asymmetrisch. Es konnte bereits gezeigt werden, dass Blätter der Feldulme, bei Eiablage durch den Ulmenblattkäfer eine komplexe Mischung von Stoffen emittieren, u.a. sogenannte flüchtige Blattduftstoffe (engl: GLV - Green Leaf Volatiles), welche nur bei mechanischer Verletzung der Blattoberfläche ausgesendet werden. Diese dienen der direkten Abwehr von weiteren Herbivoren (Wegener et al, 2001).

3.1.2 Trophieebene 2 - Der Ulmenblattk äfer

Der Ulmenblattkäfer Xanthogaleruca luteola ist ein Käfer aus der Familie der Blattkäfer (Chrysomelidae). Als bedeutender Ulmenschädling lehnt sich seine Verbreitung in Mittel-und Südeuropa an die der Feldulme an. Ulmenblattkäfer erreichen eine Größe zwischen 5,5 mm und 8 mm. Ihre Färbung variiert von gelbgrün bis hin zu braun. Die Deckflügel (Elytren) weisen an der Seite und in der Mitte meist einen schwarzen Streifen auf. Die Weibchen des Ulmenblattkäfers legen ihre gelb gefärbten Eier in zuvor mit den Mandibeln in die untere Epidermis des Blattes gekratzte Furchen. Die Gelege umfassen 15 bis 25 Eier. Die holometabolen Insekten schlüpfen nach sieben bis zehn Tagen. Die Larven durchlaufen anschließend drei Stadien (L1 - L3) und erreichen eine Größe von bis zu 13 mm, bevor sie sich an geschützten Stellen nach 20 bis 28 Tagen (je nach Temperatur) im unteren Bereich der Bäume verpuppen . Nach gut drei Wochen ist die Entwicklung zum adulten Käfer abgeschlossen. Bereits im Larvenstadium schädigen sie durch den sogenannten „Fensterfraß" die Ulme, indem sie ausschließlich die Epidermis der Blattunterseite abfressen („Fensterfraß"). Adulte Käfer schädigen die komplette Blattstruktur, indem sie nur die Blattadern unversehrt zurücklassen („Lochfraß"). Ulmenblattkäfer treten in mehreren Generationen (zwischen zwei und vier) im Jahr auf (multivoltine Insekten). In Bezug auf das in dieser Arbeit angesprochene Priming stellt dies einen interessanten Punkt dar, da die Ulme eine Toleranz gegen ein multivoltines Insekt bilden muss (Bosu und Wagner, 2008).

3.1.3 Trophieebene 3 - Der Siebenpunktmarienk äfer

Der Siebenpunktmarienkäfer (Coccinella septempunctata) gehört zur Familie der Marienkäfer (Coccinellidae). Sein Verbreitungsgebiet erstreckt sich über die gesamte Paläarktis (Europa, Asien und Nordafrika) und Nordamerika. Er erreicht eine Größe von 5,5 mm bis 8 mm. Charakteristisch sind die rotgefärbten Deckflügel mit jeweils drei schwarzen Punkten. Der siebente Punkt befindet sich auf dem Schildchen. Der Halsschild ist schwarz gefärbt mit zwei weißen Punkten an den vorderen Ecken. Die Weibchen legen bis zu 400 Eier, bevorzugt auf von Blattläusen befallene Blätter, welche ihre Hauptnahrungsquelle darstellen. Die Larven durchlaufen während ihrer Entwicklung vier Entwicklungsstadien, bevor sie sich an Blättern hängend verpuppen. Die Entwicklung dauert 30 bis 60 Tage. Es wurde bereits gezeigt, dass Coccinellidenlarven beim Laufen auf den Blättern Spuren hinterlassen (larval tracks, Ruzicka et al, 2002), die von den Blättern „bemerkt" werden könnten. Weiterhin können durch das Ablegen von Kot (larval frass) pflanzliche Reaktionen beeinflusst werden (Ray et al., 2015). Ähnlich verhält es sich mit auf Blättern hinterlassenem Speichel, der Effekte an pflanzlichen Wunden auslösen kann (Acevedo et al, 2015). All diese, in Versuchen nachgewiesenen, Reaktionen könnten bei den Versuchen, die für diese Arbeit durchgeführt wurden, eine Rolle spielen.

3.2 Versuchsorganismen - Haltung und Zucht 3.2.1 Versuchsorganismus 1 - Die Feldulme

Die Ulmensetzlinge wurden am 09.04.2015 mit einer Größe von 30 cm (und schon leicht ausgetrieben) geliefert und im Gewächshaus in Töpfe (15 cm x 15 cm x 20 cm) verpflanzt und zu je sechs Pflanzen in eine flache Wanne gestellt. Die Ulmen wurden dreimal pro Woche (je nach Bedarf öfter) gegossen und in der Anfangszeit regelmäßig gedüngt (Universaldünger Wuxal, Firma Manna, Wilhelm Hang GmbH und Co. KG). Zur Bekämpfung von Blattläusen wurden die Bäume am 18.05.2015 mit Pyrethrum besprüht. Zur weiteren Reduzierung der Blattläuse wurden Florfliegenlarven (Chrysoperla carnea; Katz Biotech, Deutschland) eingesetzt, außerdem wurden Raubmilben (Amblyseius cucumeris; Katz Biotech) gegen Thripse eingesetzt. Die Blattläuse wurden außerdem zweimal wöchentlich mit der Hand entfernt.

3.2.2 Versuchsorganismus 2 - Der Ulmenblattk äfer

Die Ulmenblattkäfer wurden im Zeitraum vom 17.05.2015 bis 24.05.2015 an verschiedenen Standorten in Montpellier und Umgebung (Montferrier-sur-lez, Fanggebiete: siehe Abbildung 1-3) gesammelt und in luftdurchlässigen Boxen verwahrt. Des Weiteren wurden Zweige mit Eigelegen von Ulmenblattkäfern gesammelt. Die Zweige und Käfer wurden in zwei Paketen nach Berlin geschickt, um dort eine Ulmenblattkäferzucht zu etablieren. Zur Vergrößerung der Zucht wurden anschließend noch einmal zwei Pakete am 24.06.2015 und 30.06.2015 mit knapp 200 Käfern aus Montpellier nach Berlin geschickt. Die schlüpfenden Larven wurden in Boxen mit in Wasser stehenden Ulmenzweigen in der Klimakammer (20°C, 70% Luftfeuchtigkeit, Helligkeitsperiode: 18h Tag / 6h Nacht) aufbewahrt. Dreimal pro Woche wurden die Zweige und das Wasser gewechselt. Puppen wurden in kleineren Boxen bis zur vollständigen Entwicklung aufbewahrt. Adulte Käfer wurden in mikroperforierte Kunstoffbeutel überführt und an Zweigen von Ulmen im Gewächshaus zur weiteren Eiablage befestigt. Auch hier wurden alle zwei Tage die Käfer auf neue Zweige gesetzt und die Eigelege in Boxen überführt. Zwei Tage vor Durchführung des Versuchs wurden Ulmenblattkäfer vereinzelt, um über eine erfolgte Eiablage Männchen und Weibchen voneinander zu unterscheiden.

Satelliteiiaufnahme entnommen

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Abb.1 Institutsgel ände des CSIRO und Umgebung. Ulmenstandorte sind rot eingekreist.

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Satelliteiiaufnahme entnommen

Abb.2 Standort Banque de France, Avenue de Lodeve. Ulmenstandorte sind rot eingekreist.

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