Plant-mediated interactions between the mustard leaf beetle and the phytopathogenic fungus Alternaria brassicae on Chinese cabbage

Abstract

A very large number of insects and fungi are specialised on using plants as a source of nutrients. Therefore, it is not seldom that herbivorous insects and pathogenic fungi will attempt to exploit the same individual host plant. Direct but also indirect, plant-mediated interactions between both types of attackers may take place in such a case. Indirect interactions may be the result of alterations in plant metabolism caused by insect infestation or pathogen infection. Thus, previous attack by either type of antagonist may have a beneficial or detrimental impact on the other antagonist type. The present study investigated such tripartite interactions between the host plant Chinese cabbage (Brassica rapa ssp. pekinensis) and the two crucifer specialists Phaedon cochleariae (Coleoptera: Chrysomelidae) and Alternaria brassicae (Fungi imperfecti: Deuteromycetes). Both antagonist species attack the leaves of their host. Interactions between the phytopathogenic fungus and the herbivore were investigated on a local (both antagonists on the same leaf) and systemic scale (antagonists on different leaves). The phytopathogenic fungus was found to have a negative effect on the herbivore´s performance and host selection behaviour. The effect was evident on a local but not on a systemic scale. Larvae fed with leaves infected by the plant pathogen were significantly more susceptible to infection by the entomopathogenic fungus Metarhizium anisopliae. Vice versa, herbivory did not result in measurable effects on the growth of Alternaria brassicae. The ecological studies were supplemented by physiological assays to elucidate the mechanisms of the plant's response to insect attack and pathogen infection. Concentrations of components of plant primary (water, C/N ratio, sucrose, total protein) and secondary metabolism (glucosinolates, anthocyanins, peroxidase) were assessed. These studies showed that apart from other, yet unknown, factors the observed increase in peroxidase activity may be held responsible for the adverse effect of fungus infected leaves on leaf beetle performance. In addition to the studies on tripartite interactions between Chinese cabbage, A. brassicae, and P. cochleariae, dual plant-herbivore relationships were investigated. The following questions were addressed: a) Does feeding by second-instar P. cochleariae induce resistance in Chinese cabbage leaves against conspecific adult females and larvae? and b) Are there insect-derived factors, such as the larval defence secretion, larval faeces or regurgitant which may directly or indirectly (by induction of plant responses) influence the feeding and oviposition behaviour of gravid P. cochleariae? The experiments showed that herbivory by conspecific larvae had no effect on subsequent leaf beetle larvae feeding on the same leaves. However, adult beetles fed less and laid fewer eggs on herbivore-damaged leaves compared with healthy leaves. Neither the larval defence secretion, which was found to adsorb to the leaf surface in small quantities, nor the larval faeces or the regurgitant could be made responsible for the beetle's rejection of damaged leaves. Therefore, it may be concluded that the observed preference of healthy leaves was the result of physiological plant changes induced by larval feeding activity. The last chapter of this thesis reviews the progress made in the field of plant-fungus- herbivore interactions. Special attention is paid to studies that linked ecological and physiological studies and to the spatial and temporal aspects of such interactions.

Pflanzen werden von einer Vielzahl an Insekten und pathogenen Pilzen befallen. Dabei kann es zu direkten aber auch indirekten, d.h. durch die Pflanze vermittelten Interaktionen kommen, da sowohl Pathogen- als auch Insektenbefall Abwehrreaktionen in der Pflanze induzieren können. Vorhergehender Befall der einen Art könnte sich somit auf nachfolgenden Befall der anderen Art auswirken. Die vorliegende Arbeit widmete sich modellhaft solchen Interaktionen zwischen Pflanze, herbivorem Insekt und phytopathogenem Pilz am Beispiel der Wirtspflanze Chinakohl (Brassica rapa ssp. pekinensis), dem auf Kreuzblütler spezialisierten Blattkäfer Phaedon cochleariae (Coleoptera: Chrysomelidae) und dem Blattnekrosen erzeugenden Pilz Alternaria brassicae (Fungi imperfecti: Deuteromycetes). Die Interaktionen zwischen Herbivor und Pilz wurden sowohl lokal (beide Antagonisten auf dem selben Blatt) als auch systemisch (Antagonisten auf verschiedenen Blättern) untersucht. Die Untersuchungen zeigten, dass der phytopathogene Pilz einen negativen Einfluss auf das Wachstum und die Wirtswahl des Herbivors ausübte. Dieser Effekt war jedoch nicht systemisch sondern beschränkte sich auf das pilzbefallene Blatt. Larven, die auf A. brassicae-befallenen Blättern gehalten worden waren erwiesen sich zudem als signifikant anfälliger gegenüber dem insektenpathogenen Pilz Metarhizium anisopliae. Umgekehrt hatte Insektenfraß keine messbaren Auswirkungen auf das Pilzwachstum. Die ökologischen Studien wurden durch physiologische Messungen ergänzt, welche die Mechanismen der pflanzlichen Antwort auf Pilzbefall und Herbivorie näher beleuchten sollten. Faktoren des Primärstoffwechsels (Wasser, Saccharose, C/N-Verhältnis, Proteine) und potentiell verteidigungsrelevante Sekundärmetabolite (Glucosinolate, Peroxidase, Anthocyane) wurden erfasst. Die vergleichenden Untersuchungen legten nahe, dass neben noch unbekannten Faktoren, die erhöhte Peroxidase-Aktivität in pilzbefallenen Blättern verantwortlich gemacht werden könnte für die negativen Effekte des Pilzbefalls auf die Käferentwicklung. Neben den Interaktionen zwischen Chinakohl, A. brassicae und P. cochleariae wurden auch die zweiteiligen Pflanze-Herbivor Beziehungen näher beleuchtet. Es wurde untersucht, a) ob der Befall der Pflanze durch die Larven von P. cochleariae zur induzierten Resistenz gegenüber späteren Befall durch den Blattkäfer (Adulte und Larven) führen würde und b) ob Faktoren, die der Larve entstammen (Wehrsekret, Kot, Regurgitat), direkt oder indirekt (durch die Induktion von Resistenzreaktionen in der Pflanze) Einfluss auf das Fraß- und Eiablageverhalten des Käfers nehmen könnten. Die Experimente zeigten, dass konspezifischer Befall keine Auswirkungen auf die Blattkäferlarven hatte. Adulte Tiere, hingegen, mieden die beschädigten Chinakohlblätter. Weder das auf der Blattoberfläche nachgewiesene Wehrsekret, noch der Kot oder das Regurgitat der Larven konnten für dieses Verhalten verantwortlich gemacht werden. Dies erlaubt die Schlussfolgerung, dass die durch Herbivorenfraß induzierten physiologischen Veränderungen in der Pflanze das Wirtswahlverhalten der Käferweibchen beeinflussten. Das letzte Kapitel der vorliegenden Dissertation gibt einen Überblick über die Fortschritte auf dem Gebiet der Pflanze-Pilz-Herbivor Interaktionen. Besondere Berücksichtigung finden dabei die räumlichen und zeitlichen Aspekte sowie die Verbindung von ökologischen und physiologischen Untersuchungen.