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Resources and oribatid mites: Effects on life history, chemical ecology, biochemistry and food selection

Brückner, Adrian :
Resources and oribatid mites: Effects on life history, chemical ecology, biochemistry and food selection.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Brückner_Ressourcen_Hornmilben_2018.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Resources and oribatid mites: Effects on life history, chemical ecology, biochemistry and food selection
Language: English
Abstract:

Nutrition affects nearly all traits and physiological process of an organism and especially hetereotrophs are regulated by nutrient quality. Numerous studies have demonstrated the influence of nourishment on herbivorous insects, but also on “classical” model organisms (e.g. the fruit fly or mice). The relationship of nutrients, trait expression and food selection, in detritivores, however, remains uncertain. For this thesis I hence focused on the influence of resources on multiple traits of oribatid mites (life history, chemical ecology and biochemistry). Oribatids are a speciose group of soil-dwelling micro-invertebrates which are globally present in virtually all terrestrial habitats, fostering soil structure and fertility by contribution to elemental cycles. I was specifically interested in how defensive as well as life-history traits and the flow/incorporation of biomolecules from resources into animals, are affected by diets and which mechanisms underlie resource selection. To elucidate these relationships, I used the parthenogenetic oribatid mite Archegozetes longiestosus, which has been used as a model organisms for more than 25 years. This mite possesses many, easily measurable life-history and morphological traits. Furthermore, it has large opisthonotal glands, which synthesize chemical defensive secretions used as strong repellent agents against predators, thus influencing the structure and stability of soil food webs. In general, I could demonstrate that life history parameters of A. longisetosus were affected by resource and that the foods’ elemental stoichiometry could partly explain these patterns. Furthermore, nutritional quality did not only influence the mean expression of traits, but also their variation. Consequently, I found a stoichiometric optimum for trait variation – i.e. Bertrand’s and threshold-elemental-ratio rule like relationships. Focusing on chemical ecology, age (ontogeny) as well as nutritional supplementation influenced the relative composition and amount of the mites’ defensive secretions. I used this data to parametrize a functional response model for chemical defense that revealed a strong nutritional correlation of long-term chemical defense and nutrients (especially sugars and fats). Regarding the translocation of specific biomolecules, I demonstrated a direct trophic transfer of neutral lipid fatty acids from the food to mites, rendering fatty acids as reliable biomarkers for food web ecology. In contrast, amino acids were only selectively utilized, leading to a homeostasis of amino acid composition in mites. My results also indicated that all, but especially the highly bioactive aromatic compounds from the opisthonotal glands are synthesized de novo from carbohydrate/fat derived precursors, once again highlighting the importance of sugars and fats for the maintenance of an effective chemical defense. Olfactory preference tests with semi-natural resources (bacteria, fungi, lichen and litter powder) – emitting different volatile organic compounds and differing in their resource composition – revealed an innate olfactory preference for oribatid mites. Archegozetes longiestosus especially favored food which was rich in fatty acids, suggesting a potentially adaptive connection of resource selection and chemical anti-predator defense – thus spanning two trophic levels – in oribatid mites.

Keywords: nutritional ecology, evolutionary ecophysiology, soil food web, mites, biochemical ecology

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Nahrung wirkt sich entscheidend auf nahezu alle Eigenschaften und physiologischen Prozesse von Organismen aus. Insbesondere Heterotrophe scheinen dabei besonders durch die Nahrungsqualität reguliert zu sein. Während zahlreiche Studien zum Einfluss von Nahrung bei herbivoren Insekten, sowie „klassischen“ Modellorganismen (bspw. Taufliegen oder Mäuse) existieren, ist nur wenig über die Zusammenhänge von Nährstoffen und Fitness, sowie Performanz bei Zersetztern (= Detritivore) bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich mich daher mit den Einflüssen von Nahrung auf zahlreiche Eigenschaften von Hornmilben befasst. Bei Hornmilben (auch Moosmilben) handelt es sich um eine artenreiche Gruppe von bodenbewohnenden Kleinstwirbellosen („Mikroinvertebraten“), die weltweiten in nahezu allen terrestrischen Habitaten vorkommen und die Ausbildung von Bodenstrukturen, sowie die Bodengesundheit/-fruchtbarkeit fördern, und Energie- und Nährstoffkreisläufen beteiligt sind. Dabei interessierte mich besonders, wie Nahrung die Verteidigung und Lebenslauf-Eigenschaften („life history traits“), sowie die Stoffflüsse und den Einbau von Biomolekülen aus der Nahrung ins Tier beeinflusst und welche Mechanismen der Nahrungswahl zugrunde liegen. Zur Klärung dieser Zusammenhänge habe ich die parthenogenetische Hornmilbenart Archegozetes longiestosus verwendet, die sich innerhalb der letzten 25 Jahre als eine Musterspezies zur Erforschung von Hornmilben, sowie bodenbiologischen Fragestellungen etabliert hat. Diese Milbe besitzt viele einfach zumessende Lebenslauf-Eigenschaften und morphologische Eigenschaften. Darüber hinaus besitzt sie große opisthontale Drüsen, die eine Mischung von chemischem Verteidigungssekret synthetisieren, das als effektives Repellent gegen Fraßfeinde angewendet wird. Dementsprechend beeinflusst chemische Verteidigung die Struktur, sowie die Stabilität von Bodennahrungsnetzen. Generell wurden alle Lebenslauf-Eigenschaften von A. longiestosus durch Ressourcen beeinflusst und die stöchiometrische Zusammensetzung des Futters kann diese Änderungen zumindest teilweise erklären bzw. vorhersagen. Weiterhin zeigte sich, dass Nahrungsqualität nicht nur den Mittelwert einer bestimmten Eigenschaft („trait“) beeinflusst, sondern auch dessen Variation. Dementsprechend, habe ich stöchiometrische Optima für die Eigenschaftsvariation gefunden; ein Zusammenhang, der auch als „Betrand’s Regel“ oder „Grenzwert-Elementeverhältnis“ bekannt ist. Fokussierend auf die chemische Ökologie der Musterspezies fand ich, dass sowohl Alter („Ontogenie“) als auch Zusammensetzung bereitgestellter Nährstoffe einen Einfluss auf die Komposition, sowie die Menge des Verteidigungssekretes hat. Diese Daten habe ich zur Parametrisierung eines Modelles, das die funktionelle Reaktionsantwort von chemisch beeinflussten Räuber-Beute-Beziehung über die Zeit beschreibt verwendet. Dieses numerisch-ökologische Modell zeigte, dass die Aufrechterhaltung von chemischer Verteidigung über längere Zeiträume mit den Nährstoffen in der Nahrung, insbesondere Kohlenhydraten und Fetten, zusammenhängt. In Bezug auf die Translokation von spezifischen Biomolekülen konnte ich einen direkten trophischen Transfer von Fettsäuren neutraler Lipide von der Nahrung in das Fettgewebe der Milben nachweisen. Dies bestätigte den Einbau von Fettsäuren als verlässliche Biomarker in der Nahrungsnetzökologie. Im Gegensatz dazu fand ich eine selektive Verwendung von Aminosäuren, die eine Homöostase dieser Stoffklasse für Hornmilben nach sich zieht. Darüber hinaus konnte ich ebenfalls beweisen, dass die hoch bioaktiven Aromaten im Wehrsekret von A. longiestosus de novo aus kohlenhydrat- oder fett-abgeleiteten Vorläufermolekülen synthetisiert werden können. Diese belegte nochmal die Wichtigkeit von Zuckern und Fetten zur Aufrechterhaltung einer effektiven chemischen Verteidigung. Olfaktorische Wahlversuche mit semi-natürlichen Ressourcen (Bakterien-, Pilz-, Flechten- und Laubstreupulver), die verschiedene flüchtige organische Substanzen emittierten und eine unterschiedliche Nährstoffkomposition aufwiesen, offenbarten eine immanente olfaktorische Präferenz bei Hornmilben. Archegozetes longiestosus bevorzugte dabei insbesondere Futter mit einem hohen Anteil an Fettsäuren. Dies legt den Schluss einer möglichen adaptiven Beziehung von Ressourcenselektion und chemischer Verteidigung gegen Fraßfeinde über zwei trophische Ebenen für Hornmilben nahe. Schlagworte: Ernährungsökologie, evolutionäre Ökophysiologie, Bodennahrungsnetz, Milben, biochemische ÖkologieGerman
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Ecological Networks
10 Department of Biology > Synthetic Ecological Networks
Date Deposited: 24 May 2018 07:26
Last Modified: 24 May 2018 07:26
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-74276
Referees: Heethoff, PD Dr. Michael and Jürgens, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 17 May 2018
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7427
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