How does a rhizophagous insect locate host plant roots? A case study with Melolontha melolontha larvae
Final Report Abstract
Larven des Feldmaikäfers (Melolontha melolontha L., Scarabaeidae) sind durch ihren Fraß an Wurzeln verschiedener Feldfrüchte und Obstbäume wichtige landwirtschaftliche Schädlinge in Europa. Die von den Larven am meisten präferierte Wirtspflanze ist Löwenzahn (Taraxacum sect. ruderalia). Bisher waren grundlegende Fragen hinsichtlich der sensorischen Ausstattung bodenbewohnender Insekten und der Rolle chemischer, wurzelbürtiger Stimuli für die Wirtpflanzenortung nicht nur für Maikäferlarven unbeantwortet. Daher wurde in diesem Projekt am Modellsystem Löwenzahn – Maikäferlarven untersucht, (a) welche biotischen und abiotischen Parameter die Orientierung von Maikäferlarven zu Wirtspflanzenwurzeln hin beeinflussen (als biotische Parameter wurden Wurzelmykorrhizierung und das Pflanzenalter einbezogen, als abiotische Faktoren verschiedene Bodensubstrate und oberirdische Lichtintensitäten), (b) welche chemischen Stimuli von Löwenzahnwurzeln abgegeben werden und wie diese Abgabe von abiotischen und biotischen Parametern beeinflusst wird, und (c) über welche chemosensorische Ausstattung die Larven verfügen, sowie (d) welche chemischen Stimuli (außer CO2) für Maikäferlarven anlockend wirken. Die zur Frage (a) durchgeführten Verhaltenstests zeigten, dass die Orientierung von Maikäferlarven zu den Wirtspflanzenwurzeln hin stark von den Umweltparametern abhängt, die auf die Pflanze einwirken. Die Maikäferlarven konnten zwischen Wirtspflanzenwurzeln, die unterschiedlichen Umweltparametern ausgesetzt waren, differenzieren. Bei bestimmten Kombinationen dieser Umweltbedingungen wurden die normalerweise stark präferierten Löwenzahnwurzeln sogar unattraktiv bzw. für die Larven nicht auffindbar. Diese Beobachtungen lassen sich nicht anhand der gemessenen Konzentrationen des von der Wurzel abgegebenen CO2 erklären. Demnach spielt die Abgabe von CO2 vermutlich nur eine geringe Rolle für die Attraktivität von Wirtspflanzenwurzeln; andere wurzelbürtige Substanzen werden von den Larven für die Wirtsfindung genutzt. Um Frage (b) zu untersuchen, haben wir ein spezifisches set-up entwickelt, mit dessen Hilfe Düfte und auch nicht-flüchtige Substanzen aus der Rhizosphäre gesammelt und anschließend mittels GC-MS analysiert wurden. Insgesamt betrachtet führte die jeweilige Kombination bestimmter biotischer und auch abiotischer Faktoren zu sehr spezifischen chemischen Mustern der Rhizosphäre. Das Muster der detektierten Düfte (v.a. Sesquiterpene) und Zucker wurde insbesondere durch das Pflanzenalter bestimmt, während die oberirdische Lichtintensität per se keinen signifikanten Einfluss nahm. Die Studien zur Frage (c) zeigten, dass Maikäferlarven an Antennen, Maxillar- und Labialpalpen eine enorm hohe Zahl von Chemosensillen tragen, deren neuronale Ausstattung die anderer Insektenlarven deutlich übersteigt. Elektroantenno- und palpogramme ergaben, dass die Larven auf Substanzen verschiedenster Stoffklassen physiologisch reagieren können, von denen die meisten von Pflanzenwurzeln abgegeben werden. Die Verhaltenstests zur Frage (d) ergaben, dass auch einzelne Substanzen verhaltensaktiv auf M. melolontha Larven einwirken und der Orientierung im Boden dienen können. Von den 40 getesteten Verbindungen waren (+)-Camphen, α-Pinen, Aceton, 1-Hexanol und Saccharose attraktiv, wohingegen Propionsäure, γ-Terpinen, Benzaldehyd und Mannose abstoßend auf die Larven wirkten. Entgegen der bisherigen Annahme, M. melolontha Larven orientierten sich maßgeblich anhand von CO2-Gradienten, konnte hier gezeigt werden, dass weitere Infochemikalien aus zahlreichen Stoffklassen mit Hilfe einer hochkomplexen sensorischen Ausstattung wahrgenommen werden und das Verhalten modifizieren. Die Befunde lassen die Entwicklung von landwirtschaftlich anwendbaren Techniken möglich erscheinen, mit deren Hilfe Engerlinge von wertvollen Kulturpflanzen fern gehalten werden könnten.
Publications
- (2012). Sensing the underground - ultrastructure and function of sensory organs in root-feeding Melolontha melolontha (Coleoptera: Scarabaeinae) larvae. PLoS ONE 7(7): e41357
Eilers E.J., Talarico G., Hansson B.S., Hilker M., Reinecke A.
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.pone.0041357) - Chemosensation and belowground host plant finding in Melolontha melolontha L. larvae. Dissertation Freie Universität Berlin
Eilers E.J. 2012
