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Multitrophic Interactions in a Plant – Pathogen – Vector - Antagonist System

Görg, Louisa Maria (2021):
Multitrophic Interactions in a Plant – Pathogen – Vector - Antagonist System. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019800,
[Ph.D. Thesis]

Available under CC-BY-NC 4.0 International - Creative Commons, Attribution NonCommercial.

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Multitrophic Interactions in a Plant – Pathogen – Vector - Antagonist System
Language: English

Apple proliferation disease causes considerable economic damage to apple production, as the fruits of infected apple trees are smaller, inedible, and thus impossible to market. Typical symptoms are enlarged stipules and 'witches broom' caused by proliferation of axillary buds. These morphological and physiological changes in the plant are caused by the cell wall-less phloem-restricted bacterium 'Candidatus Phytoplasma mali'. Phytoplasmas are mainly transmitted by phloem-feeding insects. The phytoplasma is acquired when the insect feeds on the phloem of infected trees. After multiplication in the vector’s body, the phytoplasma can then be transmitted through the insect's saliva and infect healthy trees. In Germany, the summer apple psyllid Cacopsylla picta is the only known vector of the phytoplasma 'Ca. P. mali'. The univoltine species changes its host plants twice during its nearly one year-long life: the nymphs develop on young apple shoots in spring/summer before the winged adults hatch. These so-called emigrants briefly remain on the apple trees before migrating to conifers as their overwintering hosts, to spend the rest of the year and the entire winter. The next spring, the overwintered adults (remigrants) migrate back to the apple orchards for mating and oviposition. All phloem-feeding life stages, i.e. nymphs but also the adult migratory stages (emigrants and remigrants) can acquire and transmit 'Ca. P. mali'. Since phytoplasma-infected trees cannot be cured so far, vector control is considered the most important measure to reduce phytoplasmosis. Therefore, the vector insect C. picta had the central role in my studies, in which I investigated different aspects of the interaction between plant, phytoplasma (pathogen) and vector (herbivore). Additional studies with a vector antagonist further involved another trophic level, that of natural enemies, allowing the investigation of the multitrophic interaction in the plant - pathogen - vector – antagonist system. To study the interaction between the phytoplasma and its host plant, I analyzed the effects of 'Ca. P. mali' infection on the phloem composition of apple trees. The chemical analyses revealed that the phloem metabolite composition of infected apple trees differed significantly from that of non-infected apple trees. The relative amount of all sugar and sugar alcohols was significantly increased in ‘Ca. P. mali’ infected plants, whereas amino acid and other organic acid content was similar to non-infected plants. Hence, through this increase in sugars and sugar alcohols but unchanged amounts of amino acids, the ratio of carbohydrates: amino acids shifted in the phloem sap of infected plants. Thus, I was able to show that ‘Ca. P. mali’ infection altered the chemical composition of the phloem, the nutritional medium used by phytoplasma and vector alike. Therefore, I investigated how these changes in the phloem composition affected the behavior of the vector C. picta, since the acceptance of a plant as a suitable host for feeding or oviposition is a crucial individual decision with potentially serious implication for insect population dynamics. Overwintered females indeed preferred non-infected plants for oviposition and thus as food source for the next generation. Using electropenetrography (EPG) for the first time for measuring the feeding behavior of C. picta, I was able to show that plant-mediated effects of 'Ca. P. mali' infection also had an influence on its probing behavior. The release of watery saliva into the phloem, and thus the first phloem contact, occurred significantly later on infected apple trees. However, this behavioral change of the vector could not be attributed solely to gustatory stimuli or changes in nutrient availability due to the altered phloem composition, as the duration and frequency of actual phloem ingestion remained unaffected. Nevertheless, EPG recordings revealed that nymphs ingested phloem significantly more frequently during their development than adult stages. Therefore, I conclude that phloem ingestion is a demand-regulated process. This is also supported by the observation that remigrant females, the stage responsible for egg production with consequently increased nutritional demands, ingested significantly more phloem than the female stage which does not produce or lay eggs (emigrants). Apart from potential effects on vector behavior, pathogen infection may also have direct or indirect effects on vector fitness. Therefore, I investigated how the 'Ca. P. mali' infection of the host plant indirectly, as well as the infection of the insect itself directly affects C. picta’s fitness with regard to its susceptibility to a fungal antagonist. However, I could not detect any effect of neither the infection of the plant nor of the insect on its susceptibility to the entomopathogenic fungus Pandora sp. nov. inedit. This newly discovered and hitherto undescribed entomopathogenic fungus significantly reduced the mean survival time of the psyllids and soon grew out of the cadavers of infected insects to produce new spores for further dispersal. In infection bioassays, I was also able to show that Pandora sp. nov. inedit. could successfully kill several phloem-feeding species of the insect order Hemiptera. In addition to C. picta, other economically important vector insects such as Cacopsylla pyri, Cacopsylla pruni and Trioza apicalis could be infected under laboratory conditions. Hence, the natural potential of this entomopathogenic fungus became evident to be used in biological vector control strategies. These promising results can now be followed up by the development of suitable formulations for field studies to further investigate the control success for vector insects in their natural environment and thus in interaction with pathogens and plants. The knowledge gained in this thesis on the multitrophic interaction within this plant-pathogen-antagonist system will contribute to a better understanding of the epidemiology of the phytoplasma 'Ca. P. mali' and, in particular, might be used to develop innovative and selective vector control approaches to reduce the spread of apple proliferation disease.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Apfeltriebsucht führt zu erheblichem wirtschaftlichen Schaden im Apfelanbau, da die Früchte infizierter Apfelbäume kleiner, ungenießbar und somit nicht mehr zu vermarkten sind. Typische Symptome sind vergrößerte Nebenblätter und der durch verfrühten Austrieb der Achselknospen hervorgerufene 'Hexenbesen'. Diese morphologischen und physiologischen Veränderungen der Pflanze werden durch das zellwandlose Phloem-besiedelnde Bakterium 'Candidatus Phytoplasma mali' verursacht. Verbreitet werden Phytoplasmen hauptsächlich durch phloemsaugende Insekten. Dabei wird das Phytoplasma durch den Saugvorgang am Phloem infizierter Bäume vom Vektorinsekt aufgenommen. Nachdem sich das Phytoplasma im Vektor vermehrt hat, kann es dann durch den Speichel des Insekts an gesunde Bäume abgegeben werden und diese infizieren. In Deutschland ist der Sommerapfelblattsauger Cacopsylla picta das einzige bekannte Vektorinsekt des Phytoplasmas 'Ca. P. mali'. Diese univoltine Psylliden-Art wechselt im Laufe ihres fast einjährigen Lebens zweimal die Wirtspflanze: Die Nymphen entwickeln sich im Frühjahr/Sommer an jungen Apfeltrieben, bevor die geflügelten Adulten schlüpfen. Diese so genannten Emigrants bleiben noch kurze Zeit auf den Apfelbäumen, bevor sie in ihr Winterquartier auf Nadelbäumen abwandern um dort den Rest des Jahres und den gesamten Winter zu verbringen. Im nächsten Frühjahr wandern die so überwinterten Adulten (Remigrants) wieder zurück in die Apfelanlagen, um sich zu paaren und Eier abzulegen. Dabei können alle phloemsaugenden Stadien, also sowohl die Nymphen als auch die adulten Migrationsstadien (Emigrants und Remigrants) 'Ca. P. mali' aufnehmen und übertragen. Bisher können mit Phytoplasmen infizierte Bäume nicht geheilt werden, sodass die Bekämpfung des Vektors als wichtigste Maßnahme zur Reduktion von Phytoplasmosen gilt. Deshalb hatte das Vektorinsekt C. picta auch die Schlüsselrolle in meinen Studien, in denen ich verschiedene Aspekte der Interaktion zwischen Pflanze, Phytoplasma (Pathogen) und Vektor (Herbivor) untersucht habe. Durch zusätzliche Studien mit einem Vektor-Antagonisten konnte zudem noch eine weitere trophische Ebene, die der natürlichen Feinde, involviert und somit die multitrophische Interaktion von Pflanze – Pathogen – Vector – Antagonist untersucht werden. Um die Interaktion zwischen dem Phytoplasma und seiner Wirtspflanze näher zu untersuchen, habe ich den Einfluss der 'Ca. P. mali'- Infektion auf die Phloem-Zusammensetzung von Apfelbäumen analysiert. Die chemischen Analysen des Phloemsafts zeigten, dass sich die Inhaltsstoff- Zusammensetzung des Phloems infizierter Apfelbäume deutlich von der nicht-infizierter unterschied. Dabei wurde erkennbar, dass sich durch erhöhte Konzentrationen von Zuckern und Zuckeralkoholen bei gleichbleibender Menge an Aminosäuren das Verhältnis von Kohlenhydraten zu Aminosäuren im Phloem infizierter Pflanzen verschoben hat. Damit konnte ich zeigen, dass durch die Phytoplasmen-Infektion die chemische Zusammensetzung des Phloemsaftes, das von Phytoplasmen und Vektoren gleichermaßen genutzte Nährmedium, verändert wurde. Deshalb habe ich in einem nächsten Schritt untersucht, wie sich solche Veränderungen der Phloem-Zusammensetzung auf das Verhalten des Vektors C. picta auswirkt, da die Wahl einer Pflanze als geeigneten Wirt zur Ernährung oder Eiablage eine maßgebliche Entscheidung ist, die möglicherweise gravierende Auswirkungen auf die Populationsentwicklung von Insekten hat. Überwinterte Weibchen bevorzugten dabei nicht-infizierte Blätter zur Eiablage und somit als Nahrungsgrundlage für die nächste Generation. Auch konnte ich mittels Elektropenetrographie (EPG) zeigen, dass pflanzenvermittelte Effekte der 'Ca. P. mali'-Infektion ebenfalls einen Einfluss auf das Saugverhalten des Vektors hatten. Die Abgabe von wässrigem Speichel ins Phloem und damit der erste Phloem-Kontakt aller Stadien von C. picta erfolgte deutlich später auf infizierten im Vergleich zu nicht-infizierten Pflanzen. Diese Verhaltensänderung des Vektors konnte jedoch nicht alleine auf gustatorische Reize oder Änderungen der Nährstoffverfügbarkeit durch die veränderte Phloem-Zusammensetzung zurückgeführt werden, da die Dauer und Häufigkeit der eigentlichen Phloem-Aufnahme unverändert blieb. Dass die Phloem-Aufnahme dennoch ein bedarfsentsprechend regulierter Prozess ist, schließe ich daraus, dass die im Entwicklungsprozess befindlichen Nymphen in EPG-Aufnahmen deutlich häufiger am Phloem saugten als die adulten Stadien. Dafür spricht ebenfalls die Beobachtung, dass weibliche Remigrants als Eier produzierende Stadien mit dadurch erhöhten Nährstoffbedürfnissen ebenfalls deutlich mehr Phloem aufnehmen als weibliche Stadien die keine Eier produzieren und ablegen (Emigrants). Neben möglichen Effekten auf das Verhalten des Vektors kann die Pathogen-Infektion jedoch sowohl direkte als auch indirekte Effekte auf die Fitness des Vektors haben. Deshalb habe ich im Weiteren untersucht, wie sich die 'Ca. P. mali'-Infektion der Wirtspflanze indirekt, sowie die direkte Infektion des Vektorinsekts auf dessen Anfälligkeit für einen pilzlichen Antagonisten auswirkt. Jedoch konnte ich weder einen Einfluss der Infektion der Pflanze noch des Insekts in Bezug auf dessen Anfälligkeit für den entomopathogenen Pilz Pandora sp. nov. inedit. feststellen. Dieser neu entdeckte und bisher unbeschriebene entomopathogene Pilz verkürzte die Überlebenszeit der Psylliden dabei erheblich und wuchs bereits nach kurzer Zeit aus den Kadavern infizierter Insekten aus, um Sporen für die Weiterverbreitung zu produzieren. In Infektionsversuchen konnte ich zudem zeigen, dass Pandora sp. nov. inedit. verschiedene phloemsaugende Arten der Insekten-Ordnung Hemiptera erfolgreich abtöten kann. So konnten unter Laborbedingungen neben C. picta auch andere wirtschaftlich wichtige Blattflöhe, wie Cacopsylla pyri, Cacopsylla pruni und Trioza apicalis infiziert werden. Das so deutlich gewordene natürliche Potential dieses entomopathogenen Pilzes könnte nach der Entwicklung geeigneter Formulierungen auch in Freilandstudien weiter getestet werden, um den Bekämpfungserfolg von Vektorinsekten in ihrer natürlichen Umgebung und damit in Interaktion mit Pathogenen und Pflanzen weiter zu erforschen. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse zur multitrophischen Interaktion innerhalb des Pflanze – Pathogen – Vektor – Antagonist – Systems tragen zum besseren Verständnis der Epidemiologie des Phytoplasmas 'Ca. P. mali' bei und sollen insbesondere genutzt werden, um innovative und selektive Konzepte zur Vektor-Bekämpfung zu entwickeln um die Verbreitung der Apfeltriebsucht zu reduzieren.

Place of Publication: Darmstadt
Collation: II, 94 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 580 Pflanzen (Botanik)
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 630 Landwirtschaft, Veterinärmedizin
Divisions: 10 Department of Biology > Chemical Plant Ecology
Date Deposited: 18 Nov 2021 10:32
Last Modified: 18 Nov 2021 10:32
DOI: 10.26083/tuprints-00019800
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-198009
Referees: Gross, PD Dr. Jürgen ; Jürgens, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 27 October 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19800
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