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Evaluation of Natural Antagonists for Biological Control of Drosophila suzukii

Biganski, Sarah (2020):
Evaluation of Natural Antagonists for Biological Control of Drosophila suzukii.
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, DOI: 10.25534/tuprints-00013351,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Evaluation of Natural Antagonists for Biological Control of Drosophila suzukii
Language: English
Abstract:

The polyphagous insect Drosophila suzukii (eponymous: spotted wing drosophila, SWD) is indigenous to Southeast Asia and has been spreading rapidly in North American and European countries since 2008. It became primarily a pest insect of berries, grapes and stone fruits as it lays eggs in ripening fruits leading to rapid fruit collapse and causing high economic losses. Because of its life cycle, chemical control of SWD is very complicated and often impossible. Hence, the evaluation and development of biological control measures are of great importance for conventional and organic fruit growers. As a first approach (Chapter II), biological control agents (BCA) that are already available for Diptera have been tested for their efficacy against SWD. For this purpose, various products of the gram-positive subspecies Bacillus thuringiensis serovar. israelensis (B.t.i.), which is specific for the Diptera, such as mosquitos and blackflies, were applied to SWD larvae and adults. It could be demonstrated in laboratory experiments, that the examined products showed neither an increased mortality after exposure to SWD larvae or adults nor a repellent effect on the oviposition behaviour after application to host fruits. Thus, B.t.i. products could be excluded as possible candidates for SWD control. As shown in Chapter III, Neem oil, an extract from the seeds of the Neem tree Azadirachta indica, was also inefficient against SWD. The extract is mainly applied to larvae of leaf-sucking insects, on which the active ingredient Azadirachtin A has a lethal effect and inhibits ecdysis (moulting). These effects also appeared on SWD larvae, but only at concentrations ten times higher than suggested for target organisms. In addition, no repellent effect to SWD was noted. Another approach to find host-specific antagonists suitable as BCA is to examine natural populations for pathogens that are already associated to the respective species. In Chapter IV, such a pathogen belonging to the phylum Microsporidia is described. Based on comprehensive light and electron microscopic studies as well as molecular analysis of rDNA sequences and phylogenetic studies revealed a new microsporidian species, which was eventually named Tubulinosema suzukii sp. nov. T. suzukii was further tested for its competence as an antagonist of SWD (Chapter V). The median lethal spore concentration (LC50: 6900 spores/μl) and concentration-dependent mortality after exposure of larvae showed moderate to high virulence of T. suzukii to early developmental stages of SWD. Molecular examination of the infection process via RT-qPCR showed that replication of T. suzukii increased especially during the larval and pupal stages of SWD. This resulted in restricted or delayed development of adult SWD. In addition, population-reducing effects were evaluated by experiments on survival rates and on the ability to lay eggs (oviposition). After inoculation of SWD larvae with T. suzukii, hatching rates were significantly reduced (over 70%), and the survival rates of hatched adult flies as well as their reproductive ability (up to 70% less progeny) were severely impaired. These effects were less pronounced when adult SWD were exposed to T. suzukii. Considering the clear effects on viability and egg deposition as well as generally chronic and sublethal impact of microsporidia on its infected hosts, a long-term effect of T. suzukii infection affecting SWD populations seems to be likely. The results of this thesis indicate that application of B.t.i. products or Neem oil do not offer sufficient control options for SWD since they are either ineffective or would require an excessive and therefore uneconomical application rate. On the other hand, a new microsporidian species, T. suzukii, was isolated and characterized. It showed highly promising effects on larval stages of SWD and its finding encourages further evaluations in semi-field trials.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das polyphage Insekt Drosophila suzukii stammt aus Südostasien und hat sich seit 2008 rasant in Nordamerika und Europa verbreitet. Es ist insbesondere ein Schadinsekt bei Beeren, Reben und Steinfrüchten. Das Ablegen seiner Eier in reifende Früchte führt zu deren Kollabieren und hohen ökonomischen Schäden. Aufgrund seines Lebenszyklus ist es sehr schwierig, D. suzukii chemisch zu bekämpfen. Daher besteht die Notwendigkeit, biologische Bekämpfungsverfahren, die sowohl im konventionellen wie im ökologischen Obstbau eingesetzt werden können, zu evaluieren und zu entwickeln. In einem ersten Ansatz (Kapitel II) wurde die Wirkung biologischer Pflanzenschutzmittel, die zur Bekämpfung von zweiflügligen Schadinsekten bereits verfügbar sind, auf D. suzukii getestet. Hierzu wurden Larven und adulte Fliegen von D. suzukii mit verschiedenen Produkten der gram-positiven Unterart Bacillus thuringiensis, welche spezifisch auf Dipteren (z.B. Stechmücken und Kriebelmücken) wirkt, behandelt. In Laborversuchen konnte gezeigt werden, dass die getesteten Produkte weder eine erhöhte Mortalität behandelter Larven oder Adulten von D. suzukii hervorriefen, noch eine repellente Wirkung auf das Ovipositionsverhalten nach Applikation auf Wirtsfrüchte entfalteten. Somit konnten auf B.t.i. basierende Produkte als potentielle Kandidaten zur Bekämpfung von D. suzukii ausgeschlossen werden. Wie in Kapitel III gezeigt, war auch Neemöl, ein Extrakt aus den Samen des Neembaums, gegenüber D. suzukii uneffektiv. Der Extrakt wird vornehmlich zur Bekämpfung von Larven blattsaugender Insekten, auf welche der Wirkstoff Azadirachtin A des Neemöls einen häutungsinhibierenden und letalen Effekt hat, verwendet. Zwar konnten diese Effekte auch bei Larven von D. suzukii beobachtet werden, allerdings erst bei einer zehnfach höheren Konzentration als für Zielorganismen vorgeschlagen. Zudem konnte kein repellenter Effekt auf D. suzukii festgestellt werden. Ein anderer Ansatz, wirtsspezifische Antagonisten zu finden, welche sich als mikrobiologische Bekämpfungsmittel nutzen lassen, ist die Untersuchung von natürlichen Populationen auf bereits assoziierte Pathogene. Im Kapitel IV wird ein solches Pathogen des Phylums Microsporidia beschrieben. Basierend auf umfänglichen licht- und elektronenmikroskopischen Untersuchungen, molekulargenetischen Analysen von rDNA-Sequenzen und phylogenetischen Studien konnte eine neue Mikrosporidien-Art, Tubulinosema suzukii sp. nov. identifiziert und charakterisiert werden Des Weiteren wurde T. suzukii auf seine Kompetenz als Antagonist gegen D. suzukii getestet (Kapitel V). Die mittlere letale Sporenkonzentration (LC50: 6900 Sporen/μl) und die konzentrationsabhängige Mortalität nach Exposition von Larven zeigten eine moderate bis hohe Virulenz von T. suzukii gegenüber frühen Entwicklungsstadien von D. suzukii. Durch die Verfolgung des Infektionsverlaufs mittels RT-qPCR konnte gezeigt werden, dass die Replikation von T. suzukii besonders innerhalb der Larval- und Pupalphase von D. suzukii ansteigt, was zu einer eingeschränkten oder verzögerten Entwicklung von adulten D. suzukii führt. Außerdem wurden populationsreduzierende Effekte durch Experimente zu Überlebensraten und Eiablagefähigkeit evaluiert. Es zeigte sich, dass nach Inokulation von D. suzukii-Larven mit T. suzukii die Schlupfraten signifikant reduziert (über 70%) waren; ebenso waren auch die Überlebensraten geschlüpfter adulter D. suzukii und deren Reproduktionsfähigkeit (bis zu 70% weniger Nachkommen) stark beeinträchtigt. Diese Effekte waren weniger stark ausgeprägt, wenn adulte D. suzukii den T. suzukii-Sporen exponiert waren. In Anbetracht der deutlichen Effekte von T. suzukii auf die Überlebensfähigkeit und die Eiablage von D. suzukii und die generellen chronischen, subletale Auswirkungen von Mikrosporidien-Infektionen auf ihre Wirte, ist ein populationsreduzierender Langzeiteffekt einer T. suzukii-Infektion auf D. suzukii möglich. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Anwendung von B.t.i.-Produkten oder Neemöl keine ausreichenden Bekämpfungsoptionen von D. suzukii darstellen, da sie entweder unwirksam sind oder eine zu hohe und damit unwirtschaftliche Aufwandmenge benötigen würden. Andererseits konnte ein neues Mikrosporidium aus einer D. suzukii-Laborpopulation isoliert und charakterisiert werden. Es zeigte durchaus vielversprechende Wirkungen auf Larvenstadien von D. suzukii. Diese Ergebnisse sind eine Ermutigung für weiterführende Wirkungsstudien in Halbfreilandversuchen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology > Microbial Control / Insect Virology and Molecular Insect Pathology
Date Deposited: 29 Sep 2020 14:10
Last Modified: 29 Sep 2020 14:41
DOI: 10.25534/tuprints-00013351
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-133512
Referees: Jehle, Prof. Dr. Johannes A. and Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 30 July 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/13351
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