Jannicke Gallinger

1 Laborator de ecologie chimică aplicată, Centrul federal de cercetare pentru plante cultivate, Institutul pentru protecția plantelor în culturi fructifere și viticultură, Julius Kühn-Institut, Dossenheim, Germania

2 Departamentul de Ecologie Chimică a Plantelor, Universitatea Tehnică din Darmstadt, Darmstadt, Germania

Jürgen Gross

1 Laborator de ecologie chimică aplicată, Centrul federal de cercetare pentru plante cultivate, Institutul pentru protecția plantelor în culturi fructifere și viticultură, Julius Kühn-Institut, Dossenheim, Germania

2 Departamentul de Ecologie Chimică a Plantelor, Universitatea Tehnică din Darmstadt, Darmstadt, Germania

Abstract

Introducere

Psilidele sau păduchii săritorilor de plante sunt insecte care se hrănesc cu seve vegetale care cuprind mai mult de 3000 de specii. Cele mai multe dintre ele sunt oligofage și folosesc angiosperme dicotiledonate perene ca plante gazdă pentru reproducere (Hodkinson, 2009; Mayer și colab., 2009, 2011). În genul Cacopsylla pot fi observate două strategii diferite: există specii de polivoltină care se reproduc și se hrănesc exclusiv pe aceeași plantă gazdă și specii univoltine cu o alternanță obligatorie de două plante gazdă (Ossiannilsson, 1992; Hodkinson, 2009). Acestea din urmă migrează între plantele gazdă de reproducere (culturi fructifere respective) și plantele gazdă de iernare (conifere) (Mayer și Gross, 2007; Mayer și colab., 2011). Pentru identificarea plantelor gazdă particulare pentru hrănire și reproducere, semnalele volatile sunt utilizate la multe specii în timpul migrației (Soroker și colab., 2004; Gross și Mekonen, 2005; Mayer și colab., 2008a, b, 2009; ).

Aici, am studiat comportamentul de hrănire a adulților și nimfelor la mai multe specii de conifere, precum și la Prunus domestica, și am efectuat teste biologice pentru a dezvălui capacitatea lui C. pruni de a supraviețui și a se dezvolta pe seva vegetală a gazdelor de iernare. Mai mult, am extras seva floemului/xilemului ambelor Prunus spp. și conifere și zaharuri analizate și acizi organici, inclusiv aminoacizi.

Materiale și metode

Insecte

Remigranții Cacopsylla pruni (adulți iernati) au fost prinși prin metoda de batere a copacilor Prunus domestica situate la câmpul experimental al Institutului Julius Kühn din Dossenheim, Germania și la o livadă experimentală din Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum Rheinpfalz, Neustadt și der Germania în primăvara anului 2017 Psilidele au fost menținute pe copacii Prunus (cv. GF655/2 și Prunus spinosa) în cuști adăpostite într-o cameră climatică la 20 ° C în timpul fotofazei și 16 ° C în timpul scotofazei (L16: D8). După împerechere și ovipoziție, adulții capturați pe câmp au fost transferați în cuști cu plante proaspete. Pentru experimentele de supraviețuire, aproximativ 200 de nimfe din stadiul al cincilea au fost transferate ușor pe un nou arbore P. domestica (cv. Wavit) și adulții (emigranți) care au apărut au fost colectați zilnic.

Plantele

Patru specii de conifere, Abies alba (brad de argint), Larix decidua (zada europeană), Picea abies (molid norvegian) și Pinus sylvestris (pin silvestru) și cultivarul P. domestica Wavit au fost utilizate pentru experimente. Plantele au fost cultivate în condiții naturale într-un mediu sigur pentru insecte. Hexythiazox (Ordoval, BASF, Ludwigshafen am Rhein, Germania) și Fenpyroximate (Kiron, Cheminova Deutschland GmbH & Co. KG, Stade, Germania) au fost aplicate o dată pe plantele P. domestica în aprilie 2017 pentru a preveni infestarea cu acarieni păianjen.

Înregistrări EPG

Bioanalize

Supravieţuire

cacopsylla

(ANUNȚ) Exemple de înregistrări EPG de la nimfele C. pruni (a 5-a etapă) pe molid (A) cu o mărire detaliată a formei de undă a fazei floemului (B) și pe brad (C) cu o mărire detaliată a formei de undă a hrănirii cu xilem (D). (E, F) Exemple de înregistrări de la o femeie emigrantă C. pruni pe larice (E) și un bărbat emigrant pe brad (F) cu faze marcate de penetrare și alimentare.

Bioanalize

Supravieţuire

Emigranții C. pruni nou-născuți au supraviețuit pe P. abies și A. alba atâta timp cât pe P. domestica cv. Wavit (COM)Figura Figura 2 2 ). Modelul de regresie Cox a arătat că pericolul de deces diferă semnificativ între plantele gazdă și martorii fără aprovizionare cu alimente (raport de probabilitate = 81,76, df = 3, R 2 = 0,441, p 2 = 0,441, p = 0,803) și A. alba (raport de probabilitate = 81,76, df = 3, R 2 = 0,441, p = 0,846). Emigranții din toate cele trei specii potențiale de plante gazdă au prezentat un risc de moarte semnificativ mai mic decât psilidele fără hrană (control). Raportul de pericol a fost redus cu 97, 97 și 96% dacă C. pruni a fost lăsat să se hrănească cu P. abies, A. alba sau P. domestica cv. Wavit, respectiv.

Numărul emigranților C. pruni emergenți de la nimfe (al doilea stadiu) pe P. abies, A. alba și P. domestica cv. Wavit.

Compoziția chimică a conținutului floemului și xilemului

Speciile de plante au diferit semnificativ în ceea ce privește compoziția chimică a zaharurilor și a altor compuși detectați prin analiza GC-MS după derivatizarea TMS a sevei de plante (PERMANOVA, df = 4, R 2 = 60,83, N = 10000, P 0,05), confirmând că separarea speciilor s-a datorat locației lor. Diagrama NMDS ilustrează diferențele dintre profilurile chimice (Figura Figura 4 4 ).

Vizualizarea diferențelor Bray - Curtis cu parcelele non-metrice multidimensionale de scalare (NMDS) (stres = 0,14) din probe de seve de plante din molid (n = 10), pin (n = 6), larice (n = 6), brad (n = 10), și P. domestica cv. Wavit (n = 11) după metoximare urmat de trimetilsililare.

Plantele de la arborii P. domestica conțineau o cantitate mare de sorbitol. Acest alcool din zahăr a constituit aproximativ 58% din seva vegetală din P. domestica cv. Wavit, dar nu a fost detectat în eșantioane din conifere (Figura Figura 5 5 ). În contrast, pinitolul a fost găsit exclusiv în seva vegetală din conifere. Cu toate acestea, componenta cea mai abundentă a fost acidul quinic în toate probele de conifere (Figura Figura 5 5 ). Abundența relativă de acid chinic a variat de la 30% la pin la 56% la molid. Probele de sapă de P. domestica au fost compuse din 80% zaharuri și alcooli de zahăr și 18% acizi, în timp ce probele de molid, brad, pin și larice au fost formate din 29, 41, 50 și 36% zaharuri și alcooli de zahăr și 69, 53, 43, respectiv 61% acizi.

Compoziția zaharurilor și acizilor în conținutul fasciculului vascular al P. domestica cv. Wavit (n = 11), molid (n = 10), brad (n = 10), pin (n = 6) și larice (n = 6). Seva plantelor a fost colectată prin centrifugare și derivatizată prin trimetilsililare după metoximare. Albastru închis indică o abundență relativă ridicată a componentelor, albastru deschis o abundență scăzută. Numerele sunt valori medii ale abundenței relative.

Compoziția aminoacizilor și a altor acizi organici a diferit semnificativ între speciile de plante (PERMANOVA, df = 4, R 2 = 46,85, N = 10000, P Figura 6 6 ). Graficul NMDS prezintă acid cafeic și asparagină care contribuie la separarea P. domestica cv. Wavit de la coniferi (Figura Figura 6 6 ). Acidul cafeic s-a găsit exclusiv în P. domestica cv. Wavit, în timp ce asparagina era mai abundentă în P. domestica cv. Wavit ca la P. abies și A. alba (Figura Figura 7 7 ).

Vizualizarea diferențelor Bray - Curtis cu parcelele NMDS (stres: 0,13) din probe de seve de plante din molid (n = 8), pin (n = 6), larice (n = 6), brad (n = 10) și P. domestica cv. Derivație de undă (n = 10) cu cloroformiat de metil.

Compoziția acizilor organici în conținutul fasciculului vascular al P. domestica cv. Wavit (n = 10), molid (n = 8), brad (n = 10), pin (n = 6) și larice (n = 6). Seva plantelor a fost colectată prin centrifugare și derivatizare cu cloroformiat de metil. Verde închis indică o abundență relativă mare a unui acid organic respectiv, verde deschis o abundență scăzută. Numerele sunt valori medii ale abundenței relative.

Principala componentă a acidului organic din seva vegetală a tuturor speciilor de plante testate a fost acidul malic (29-48%). Acidul aspartic a fost a doua componentă cea mai abundentă în toate plantele, cu excepția zada care conținea mai mult acid glutamic. S-au detectat diferențe între speciile de plante în ceea ce privește cantitățile relative de lizină din compoziția sevei de plante. Lizina a reprezentat aproximativ 17% din probele de sapă de molid și a fost a treia componentă cea mai abundentă la acești copaci, deoarece acidul glutamic a fost în brad (10%), pin (15%) și P. domestica cv. Wavit (12%)Figura Figura 7 7 ). Cisteina, metionina și treonina au fost sub limite de detectare în toate probele. Graficele NMDS indică responsabilitatea aminoacizilor esențiali tirozină, triptofan, lizină și histidină cu privire la separarea molidului și bradului de P. domestica cv. Wavit (COM)Figura Figura 6 6 ).

Discuţie

Analiza GC-MS a relevat diferențe enorme în compozițiile chimice ale sevei plantelor din specia Rosacea P. domestica cv. Wavit și cele patru specii de conifere studiate. Mai ales lipsa sorbitolului în toate cele patru conifere, precum și cantitatea mare de acid chinic și pinitol (care nu a fost detectat în arborii Prunus) ar putea fi o provocare pentru insectele care hrănesc floemele, care alternează între rozacee și conifere în timpul ciclului lor de viață. Chiar dacă se știa că acele de molid conțin acid chinic, acid shikimic, fructoză, glucoză, zaharoză și pinitol (Schopf și colab., 1982), până în prezent nu era clar, în ce proporții apar în floem și în xilema sevei conifere și diferența dintre proporțiile lor între speciile de arbori.

Până astăzi era o credință larg răspândită că coniferele sunt folosite de migrația speciilor Cacopsylla precum C. pruni, C. picta și C. melanoneura pentru adăpost în timpul iernii, exclusiv (Burckhardt și colab., 2014; Jarausch și Jarausch, 2016). În studiul prezentat am putut demonstra pentru prima dată că coniferele nu sunt doar plante adăpost pentru speciile migratoare aparținând genului Cacopsylla, ci și o resursă alimentară importantă care să permită iernarea lor. Astfel, termenul „plantă de adăpost” ar trebui înlocuit în continuare cu „gazdă care iernează” sau doar plantă „gazdă alternativă”.

Datorită lipsei de cunoștințe că psilidele se hrănesc cu conifere, efectul componentelor floemelor de conifere, cum ar fi acidul chinic, acidul shikimic și pinitolul, asupra comportamentului și dezvoltării hrănirii psilidelor nu a fost studiat înainte. Pinitolul este un poliol ciclic, care servește ca osmoprotector și este implicat într-un spectru larg de procese fiziologice la plante (Chiera și colab., 2006; Kordan și colab., 2011; Saxena și colab., 2013). Se găsește în conifere, leguminoase (Fabaceae) și Caryophyllales precum Simmondsia chinensis (Angyal și Macdonald, 1952; Dittrich și Korak, 1984; Guo și Oosterhuis, 1995; Chiera și colab., 2006). D-pinitolul induce ovipoziția mandarinei fluture de iarbă Eurema (Mukae și colab., 2016). Cu toate acestea, nu a putut fi găsită o influență a pinitolului din floema lucernei asupra afidului cu mazăre care se hrănește cu floema (Campbell și Binder, 1984).

Există dovezi că adulții psilidici și nimfele sunt tolerante la presiunile osmotice ridicate ale dietei lor (Hall și colab., 2010; Russell și Pelz-Stelinski, 2015). Prin urmare, ipotezăm nicio influență negativă a pinitolului asupra C. pruni, chiar dacă apare în cantități mari la gazdele de iernare. Dimpotrivă, pinitolul ar putea acționa ca un mecanism de protecție împotriva stresului de îngheț, așa cum se arată pentru alți polioli (Bale, 2002). Temperatura de îngheț a afidului de molid verde este redusă în prezența manitolului în hemolimfa afidelor (Parry, 1979). Muștele albi acumulează sorbitol pentru termo și osmoprotecție (Hendrix și Salvucci, 1998). Sømme (1965) a găsit o acumulare de sorbitol în ouă de iernare de acarian roșu european (Panonychus ulmi).

Concluzie

Nici o margine mecanică sau chimică nu împiedică adulții și nimfele C. pruni să se hrănească cu conifere. Emigranții se hrănesc și supraviețuiesc cu gazdele lor care iernează. Nimfele se pot hrăni, dar nu sunt capabile să se dezvolte pe molid și brad. Acest lucru se datorează probabil diferențelor puternice în compozițiile de acizi organici și zaharuri între seve de plante de conifere și P. domestica. Mai mult, experimentele de hrănire cu nimfe pe diete artificiale ar trebui să dezvăluie ce componente sunt responsabile pentru dezvoltarea cu succes a C. pruni. În plus, o mai bună perspectivă asupra compoziției sevei floemare ar putea deschide noi posibilități pentru cultivarea fitoplasmei și cercetarea patogenilor.

Contribuțiile autorului

JGa și JGr au proiectat studiul, au contribuit la interpretarea datelor, au aprobat versiunea finală a manuscrisului și au asigurat acuratețea și integritatea lucrării. JGa a efectuat experimentele și analiza și a scris prima schiță a manuscrisului, care a fost revizuită și editată de JGr. JGr a supravegheat proiectul.

Declarație privind conflictul de interese

Autorii declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricărei relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretată ca un potențial conflict de interese.

Mulțumiri

Suntem recunoscători lui Monika Bäuerle și Anja Frank pentru asistență experimentală excelentă și Felix Hergenhahn (JKI, Dossenheim, Germania) pentru cultivarea plantelor. Mulțumim Margit Rid (JKI, Dossenheim, Germania) pentru sfaturi utile despre AMDIS. Îi suntem recunoscători Eva Gross (Schriesheim, Germania) pentru editarea limbilor străine.

Note de subsol

Finanțarea. JGa a fost susținut de un fond al „Landwirtschaftliche Rentenbank” numărul 28RF4IP008.