Chemically Mediated Mate and Host Finding in Parasitic Wasps

Abstract

The general objective of this PhD thesis was the chemical and functional characterisation of natural products functioning as pheromones or host- associated kairomones in the mate and host finding process of parasitic Hymenoptera.

Compounds stimulating the male courtship behaviour of the pteromalid species Lariophagus distinguendus and Nasonia vitripennis were chemically characterised by GC-MS analyses of whole body extracts. It was shown that the two species use cuticular hydrocarbons (CH) as courtship pheromones. Interestingly, in L. distinguendus both females and males produce the active compounds during pupal development but in males the chemicals wear off soon after emergence. It was discussed whether the phenomenon of immature males having the female courtship pheromone might be beneficial and thus, would be a novel case of pre-emergence chemical mimicry. Multivariate statistical methods revealed that in L. distinguendus a series of CH correlates with the pheromone activity and thus was not found in inactive extracts of older males. By contrast, in N. vitripennis, where pupae and freshly emerged males show no pheromone activity, most of the CH occurred both in inactive male and active female extracts. However, the relative abundances of the individual CH were often substantially different between the sexes.

Additionally, the identification of the first male sex pheromone in parasitic Hymenoptera was reported in this thesis. Female response to the male-specific compounds of N. vitripennis identified as a mixture of (4R,5R)- and (4R,5S)-5-hydroxy-4-decanolide (HDL) was controlled by their mating status. While unmated females were strongly attracted by the male pheromone in a static four-chamber olfactometer, mated females avoided the HDL-mixture a few minutes after copulation. A neutral response was shown by mated females after 24 hours and still after they had been allowed to oviposit for 6 days.

Further studies of this thesis demonstrated that males of L. distinguendus innately rely on the same host-associated volatiles for mate finding as females do for host finding. Olfactometer experiments showed that both male and female parasitoids were attracted to volatile compounds emitted by the larval faeces of their host Sitophilus granarius. By using host-associated volatiles, L. distinguendus males can be arrested in the vicinity of foraging females and thus, increase the probability of finding further mating opportunities.

Finally, the potential role of fungal volatiles as indicators for suboptimal host patch quality was investigated. Results demonstrated that chemical orientation, host recognition behaviour and reproductive success of L. distinguendus females are affected by intense mould infestation of the host cultures. However, females were shown to be able to assess host habitat quality by using the common fungal volatile 1-octen-3-ol and avoid negative fitness consequences due to secondary mould infestation.

Gegenstand dieser Dissertation war die chemische und funktionelle Charakterisierung von Naturstoffen, die als Pheromone und wirtsassoziierte Kairomone eine Rolle bei der Partner- und Wirtsfindung von parasitischen Hymenopteren spielen.

Verbindungen, die das Balzverhalten von Männchen der beiden Pteromaliden-Arten Lariophagus distinguendus und Nasonia vitripennis auslösen, wurden mittels GC- MS Analyse von Ganzkörperextrakten chemisch charakterisiert. Es zeigte sich, dass beide Arten kutikuläre Kohlenwasserstoffe (CH) als Balzpheromone verwenden. Interessanterweise produzieren sowohl Weibchen als auch Männchen von L. distinguendus in der Entwicklungsphase die verhaltensauslösenden Verbindungen, allerdings verlieren die Männchen die Komponenten kurz nach dem Schlupf. Es wurde diskutiert, ob sich die Abgabe des weiblichen Sexpheromons vorteilhaft für die sich entwickelnden Männchen auswirkt und es sich deshalb um einen bisher unbekannten Fall von chemischer Mimikry bei parasitischen Wespen handelt. Mit Hilfe multivariater statistischer Methoden konnte gezeigt werden, dass bei L. distinguendus eine Gruppe von CH stark mit der Pheromonaktivität korreliert und dementsprechend in inaktiven Extrakten älterer Männchen fehlt. In N. vitripennis konnte weder in Puppen noch in frisch geschlüpften Männchen Pheromonaktivität festgestellt werden. Die Mehrheit der identifizierten CH wurde sowohl in weiblichen als auch männlichen Extrakten nachgewiesen. Allerdings waren in den meisten Fällen die relativen Mengen der einzelnen CH bei den Geschlechtern sehr unterschiedlich.

Zudem wurde im Rahmen dieser Dissertation die Identifizierung des ersten männchenbürtigen Sexualpheromons bei parasitischen Hymenopteren beschrieben. Die Reaktion der weiblichen Parasitoide auf die männchenspezifischen Verbindungen, ein Diastereomeren-Gemisch aus (4R,5R)- und (4R,5S)-5-Hydroxy-4-decanolid (HDL), war abhängig von ihrem Paarungszustand. Experimente im statischen Vierfelder-Olfaktometer zeigten, dass das Sexualpheromon eine stark attraktive Wirkung auf unverpaarte Weibchen aufwies. Wenige Minute nach einer Kopulation hingegen mieden die Weibchen das HDL- Gemisch. Eine neutrale Reaktion zeigten verpaarte Parasitoide nach 24 Stunden bzw. nach 6 Tagen, in denen sie zusätzlich die Möglichkeit zur Eiablage hatten.

Weitere Untersuchungen dieser Arbeit zeigten, dass Männchen von L. distinguendus auf die gleichen wirtsassoziierten Duftstoffe bei der Partnerfindung zurückgreifen wie Weibchen bei der Wirtslokalisierung. Experimente im Olfaktometer ergaben, dass sowohl männliche als auch weibliche Parasitoide von volatilen Verbindungen im Larvalkot ihres Wirtes Sitophilus granarius angezogen werden. Durch die Nutzung der flüchtigen Inhaltsstoffe des Wirtskots werden die Männchen im Wirtshabitat der Weibchen arretiert und erhöhen auf diese Weise die Wahrscheinlichkeit, auf mögliche Sexualpartnerinnen zu treffen.

Abschließend wurde die Rolle von Pilzduftstoffen als Indikator für suboptimale Wirtshabitat-Qualität untersucht. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die chemische Orientierung, das Wirtserkennungsverhalten sowie der Reproduktionserfolg von L. distinguendus-Weibchen durch das intensive Auftreten von Schimmelpilzen im Wirtshabitat beeinflusst wird. Es konnte allerdings gezeigt werden, dass Weibchen durch die Wahrnehmung der bei zahlreichen Pilzen vorkommenden Verbindung 1-Octen-3-ol in der Lage sind, die Qualität des Wirtshabitates richtig einzuschätzen und dadurch negative Fitnesskonsequenzen durch starken Schimmelpilzbefall zu vermeiden.