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The role of detrital subsidies for biological control by generalist predators evaluated by molecular gut content analysis

Berg, Karsten von :
The role of detrital subsidies for biological control by generalist predators evaluated by molecular gut content analysis.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: The role of detrital subsidies for biological control by generalist predators evaluated by molecular gut content analysis
Language: German
Abstract:

Generalistische Prädatoren können wichtige Ökosystemdienste zur Verfügung stellen indem sie Pflanzenfresser-Populationen eindämmen. Durch effektive biologische Schädlingskontrolle kann die Ernte gesteigert und der Einsatz von Pestiziden reduziert werden, was beides ökonomische Vorteile für Landwirte darstellt. Die vorliegende Arbeit untersuchte den Einfluss von generalistischen Prädatoren auf Blattlauspopulationen im Winterweizen, Faktoren die diesen Einfluss verändern und Werkzeuge die helfen, Räuber-Beute Beziehungen besser zu verstehen. Die Verbesserung der Habitate sowohl in Feldern als auch in deren Umgebung ist ein Hauptanliegen natürlicher biologischen Schädlingskontrolle. Daher konzentrierte sich das erste Feldexperiment auf den Einfluss einer organischen Feldzugabe (Maismulch) auf die Schädlingsbekämpfung durch das Erhöhen von alternativer Beute aus dem Zersetzersystem. Kohlenstoff aus dem Maismulch, welcher kurz vor der Aussaat des Winterweizens auf die Felder ausgebracht wurde, wurde sowohl von im Boden lebenden Zersetzern als auch von Räubern inkorporiert, was auf vielfältige trophische Verbindungen im unterirdischen System schließen lässt. Maisgebürtiger Kohlenstoff wurde ebenfalls in zwei oberirdisch lebenden generalistischen Prädatoren nachgewiesen, einem Laufkäfer und einem Kurzflügelkäfer. Die Dichten dieser zwei Arten sowie die einiger anderer generalistischer Prädatoren waren durch die Zugabe von Maismulch signifikant erhöht. Passend hierzu waren die Blattlausdichten ausschließlich in den gemulchten Feldern signifikant erniedrigt. Die Ergebnisse lassen Verbindungen des oberirdischen und des unterirdischen Systems durch generalistische Prädatoren vermuten, was die Applikation von organischem Substrat zu einem wirkungsvollem Werkzeug macht um biologische Schädlingskontrolle zu fördern. Für die Analyse der Mikro- und Mesokosmos-Experimente wurde eine DNA-basierte Darminhaltsanalyse verwendet die es ermöglichte, trophische Verbindungen genauestens zu untersuchen. Um die Anwendbarkeit dieser Technik weiter zu verbessern wurden Fütterungsversuche im Labor durchgeführt um Faktoren zu untersuchen, die die Nachweisbarkeit von Beute-DNA im Darm beeinflussen. Umgebungstemperaturen unter 20 °C hatten keine Auswirkungen auf die Nachweisbarkeit von Beute-DNA, daher dürfte die Temperatur nur eine untergeordnete Rolle spielen im Bezug auf DNA Darminhaltsanalysen. Getestet wurden auch die Nachweisbarkeitsraten von vier unterschiedlich langen Fragmenten, wobei das Längste Fragment die Nachweisbarkeit deutlich verkürzte und das Kürzeste Fragment am Längsten nachweisbar war. Daher ist es denkbar Primerpaare, die Fragmente von deutlich unterschiedlicher Länge amplifizieren, nicht nur im Nachweis von Prädationsraten zu verwenden sondern auch um den Zeitpunkt zu bestimmen, wann die Beute gefressen wurde. Jedoch ist zu bedenken, dass die Nachweisbarkeit von Beute DNA sogar in sehr eng verwandten Räuberarten unterschiedlich sein kann.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Generalist predators can provide important ecosystem services by reducing herbivore populations in agricultural systems. Effective biological control can increase plant yield and reduce the need of pesticide application, both being profitable for farmers. The present work investigated the impact of generalist predators on aphid populations in winter wheat, factors modulating these effects and tools helping to better understand predator-prey interactions. Improving habitats within and aside arable fields for generalist predators is of major concern in conservation biological control, therefore the first field experiment focused on the impact of detrital subsidy on herbivore suppression via increasing alternative prey from the detritivore subsystem. Carbon originating from maize mulch, applied shortly before winter wheat was sown, was incorporated by belowground decomposers as well as predators, indicating diverse trophic links in the belowground subsystem. Two aboveground generalist predators, one carabid and one staphylinid species, also incorporated maize-born carbon. These predators along with several other species were significantly increased by the addition of mulch material. Consequently, only in mulched fields aphid populations were significantly decreased. The results suggest linkages between the belowground and aboveground system via generalist predators, showing detrital subsidies to be a valuable tool to foster biological control. As these effects were not consistent between fields, additional factors as well as the temporal and spatial scale have to be considered in evaluating effects of detrital subsidies for biological control. The presence of alternative prey might distract generalist predators from the target prey; therefore, the second field experiment focused on the effect of generalist predators on aphid populations as well as on abundant alternative prey. Generalist predators decreased aphid densities below the threshold of economical damage even at high initial aphid density. Collembolans were also decreased by generalist predators irrespective of aphid density, indicating complementary predation of these two prey species. Moreover, generalist predators shifted from abundant belowground prey (click beetles) to aphid prey at increasing aphid densities. The results demonstrated non-disruptive effects of alternative prey on aphid suppression, supporting the idea of alternative prey enhancement for improving biological control. Abiotic factors can modulate predator-prey interactions, thereby modifying biological control. In a microcosm experiment the effect of rain on aphid predation by ground dwelling predators was analysed. Rain dislodged aphids from wheat plants, increasing aphid prey availability on the soil surface. Rain increased aphid consumption by ground dwelling predators. However, this did not affect aphid infestation, suggesting that the predators preferentially consumed dead aphids (scavenging). This was further addressed in a mesocosm experiment; all investigated generalist predators except a lycosid spider species fed on dead aphids proving that scavenging is common in carabids and staphylinids. For the analysis of the microcosm and mesocosm experiments an advanced DNA-based gut content analysis was employed, enabling accurate evaluation of trophic links. To improve the applicability of the technique, laboratory feeding trials were conducted to investigate factors affecting prey DNA detectability in predator guts. Effects of ambient temperatures below 20 °C did not affect prey DNA detectability, indicating that ambient temperature might be of minor importance for DNA gut content analysis. Testing detection rates of four different amplicon sizes, the largest and the shortest fragment significantly decreased and increased prey DNA detectability, respectively. Therefore, primer pairs amplifying fragments differing distinctly in amplicon size may be used to analyse both predation rates and the time when predation occurred. However, detection rates of prey DNA may vary even between closely related predator species.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000947
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9477
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Scheu, Prof.Dr. Stefan and Brose, Dr. Ulrich
Advisors: Scheu, Prof.Dr. Stefan
Refereed: 21 December 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/947
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