Semiochemicals mediating host-searching behavior of the ectoparasitoid Holepyris sylvanidis and their relevance for integrated pest management of stored-product insects

Abstract

This thesis focused on the semiochemicals mediating host-searching behavior of the ectoparasitoid Holepyris sylvanidis (Hymenoptera: Bethylidae) which attacks larvae of various stored-product pest beetles, especially those of the confused flour beetle, Tribolium confusum (Coleoptera: Tenebrionidae). Prior to this thesis, it was already known that the parasitoid uses host-specific compounds released from larval feces of T. confusum for host location and that the attractiveness of host-specific kairomones for the parasitoid increases by the addition of habitat background odor. Moreover, host cuticular hydrocarbons (CHCs) serve as contact kairomones for host recognition by H. sylvanidis and mediate trail-following behavior in foraging parasitoids, but only for a period of two days. Despite these initial findings, many chemical and ecological aspects of the parasitoid’s host search and the potential of host-specific kairomones to enhance biological control were still poorly understood. Therefore, the goal of this thesis was to gain deeper insights in the chemically mediating host search of H. sylvanidis. Various behavioral bioassays and chemical analysis of host kairomones via coupled gas chromatography-mass spectrometry were performed to answer the following questions: (i) Which factors drive the loss of kairomonal activity of host larval CHC trails over time? (Chapter 2) (ii) Do H. sylvanidis females discriminate a host from a non-host species based on a host-specific CHC pattern present on the cuticle? (Chapter 3) (iii) Does the additional application of host-specific kairomones improve the host search activity of the parasitoid and thus, its efficiency in controlling T. confusum? (Chapter 4). In Chapter 2, we first investigated whether the time-limited kairomonal activity of host trails was due to changes in the CHC composition induced by microbes. Chemical analysis revealed that the CHC profile of host trails did not change qualitatively or quantitatively over a two-day period regardless of whether they were analyzed under sterile or non-sterile conditions. These results prompted the suggestion that factors other than microbial degradation might determine the temporary behavioral activity of CHC trails. This assumption was confirmed by our cryo-scanning electron microcopy results. Within two days, host trails gradually formed solid microstructures most likely due to a self-assembly of CHCs. But this process was reversible by hexane application which in turn led to the recovery of kairomonal activity of two-day-old CHC trails. Parasitoids followed these re-activated host trails as they did when encountering freshly laid ones. Our results suggest that the gradual solidification of long-chain CHCs in a host trail over time reduces the perceptibility for H. sylvanidis as such that the trail is no longer followed. In Chapter 3 we examined the influence of different CHC profiles of three closely related and one distantly related beetle species on the host recognition behavior of H. sylvanidis. In bioassays the parasitoid successfully recognized and accepted larvae of Tribolium spp. as hosts, whereas larvae of Oryzaephilus surinamensis were rejected. The latter species elicited a behavioral response in H. sylvanidis only when solvent extracted larvae were treated with a sample of T. confusum larval CHCs. Chemical analysis of larval extracts showed that the CHC profiles of the host and non-host species differed in their compositions. The main difference was the presence of methylated alkanes (MeAL) on the cuticle of Tribolium spp. and the absence of MeAL on that of O. surinamensis. MeAL serve as host recognition cues that enable the parasitoid to distinguish a host from a non-host species. In Chapter 4, we first examined whether volatiles associated either to T. confusum larvae or to other host stages (e.g., beetle adults) participate in the host search of H. sylvanidis over long distances. The parasitoid was most attracted to a mix of two larval key compounds (2CM = (E)-2-nonenal and 1-pentadecene) emitted from larval feces, but the behavioral response of the parasitoid was concentration dependent. In contrast, volatiles released by T. confusum adults were not attractive for the parasitoid in all concentrations tested. We then studied whether the additional presence of synthetic 2CM (in the most attractive concentration) has an enhancing effect on the host search of H. sylvanidis. In three-day lasting flight cage experiment we offered T. confusum larvae either with additionally applied 2CM (test) or without (control) to parasitoid females. In test cages, parasitoids removed significantly more beetle larvae from the initial population within 48 h and parasitized a significantly higher number of host larvae after 72 h compared to those in the control cages. Furthermore, significantly more parasitoid offspring emerged from host larvae parasitized in the presence of 2CM. However, the increasing population size in the F1 was due to a significant increase in male offspring. These results illustrate that the host-finding success and parasitization rate of parasitoids can be improved by the additional release of host-specific, synthetic kairomones. But this is associated with changes in the population composition (male/female) of the parasitoid progeny. Overall, the results obtained in this thesis on the semiochemicals mediating host-searching behavior of a natural antagonist of stored-product pest beetles contribute to a better understanding of the interaction between parasitoids and their host species. In addition, they provide important insights into the potential use of host-associated, behaviorally modifying compounds to increase the efficiency of parasitoids in the biological control of insect pests in storage environments.

Diese Doktorarbeit befasste sich mit der durch Semiochemikalien vermittelten Wirtssuche des Ektoparasitoiden Holepyris sylvanidis (Hymenoptera: Bethylidae), der die Larven verschiedener vorratsschädlicher Käfer parasitiert, aber die des amerikanischen Reismehlkäfers Tribolium confusum (Coleoptera: Tenebrionidae) bevorzugt. Vor dieser Arbeit war bereits bekannt, dass sich der Parasitoid bei der Wirtssuche anhand von Duftstoffen orientiert, die aus dem Larvalkot von T. confusum stammen, und dass die Attraktivität dieser wirtsspezifischen Kairomone für den Parasitoiden durch den Habitatduft (ausgehend von Futtersubstrat des Schädlings; hier Weizenvollkornschrot) verstärkt wird. Zudem dienen kutikuläre Kohlenwasserstoffe (KKW) der Wirtslarven als Kontaktkairomone zur Wirtserkennung und lösen Spurfolgeverhalten im Parasitoiden aus, aber nur über einen Zeitraum von zwei Tagen. Trotz dieser ersten Ergebnisse waren viele chemische und ökologische Aspekte der Wirtssuche von H. sylvanidis und das Potenzial wirtsspezifischer Kairomone zur Verbesserung der biologischen Schädlingsbekämpfung im Vorratsschutz weiterhin unbekannt. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, tiefere Einblicke in die chemisch vermittelte Wirtssuche von H. sylvanidis zu gewinnen. Verschiedene Verhaltensversuche und chemische Analysen von Wirtskairomonen mittels gekoppelter Gaschromatographie-Massenspektrometrie wurden durchgeführt, um die folgenden Fragen zu beantworten: i) Welche Faktoren tragen dazu bei, dass die Aktivität der KKW-basierten Kairomone der Wirtsspuren nach drei Tagen verloren geht? (Kapitel 2) ii) Unterscheiden die Weibchen von H. sylvanidis eine Wirtsart von einer Nichtwirtsart anhand eines wirtsspezifischen KKW-Musters auf der Kutikula? (Kapitel 3) iii) Kann die zusätzliche Ausbringung von wirtsspezifischen Kairomonen das Wirtssucheverhalten des Parasitoiden fördern und somit zu einer effektiveren Bekämpfung von T. confusum führen? (Kapitel 4)

Im zweiten Kapitel untersuchten wir zuerst, ob die zeitlich begrenzte kairomonale Aktivität der Wirtsspuren möglicherweise auf durch Mikroorganismen verursachte Veränderungen in der Zusammensetzung des KKW-Profils zurückzuführen ist. Jedoch zeigten chemische Analysen, dass sich die KKW-Profile der Wirtsspuren weder qualitativ noch quantitativ in einem Zeitraum von zwei Tagen veränderten, unabhängig davon, ob diese unter sterilen und nicht-sterilen Bedingungen analysiert wurden. Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass nicht der mikrobielle Abbau, sondern andere Faktoren für die temporäre, spurfolgeauslösende Aktivität der KKW verantwortlich sein könnten. Diese Annahme wurde durch unsere Untersuchungen am Rasterelektronenmikroskop bestätigt. Innerhalb von zwei Tagen bildeten die Wirtspuren feste Mikrostrukturen, höchstwahrscheinlich aufgrund einer Selbstaggregation der KKW. Diese Prozesse waren jedoch durch die Zugabe von Hexan umkehrbar, sodass die kairomonale Aktivität von zwei Tage alten Wirtsspuren wiederhergestellt werden konnte. Der Parasitoid folgte diesen reaktivierten Wirtspuren im gleichen Maße, wie bei frisch gelegten Wirtsspuren. Basierend auf diesen Ergebnissen ist es sehr wahrscheinlich, dass die Verfestigung von langkettigen KKW in einer Wirtsspur die Wahrnehmbarkeit für H. sylvanidis im Laufe der Zeit so weit verringert, dass kein Spurfolgeverhalten mehr ausgelöst werden kann. Im dritten Kapital untersuchten wir den Einfluss unterschiedlicher KKW-Profile von drei engverwandten Wirtsarten und einer entfernt verwandten Käferart auf das Wirtserkennungsverhalten von H. sylvanidis. In Verhaltensversuchen erkannten und akzeptierten weibliche Parasitoide die Larven der Tribolium-Arten als Wirte, während Larven von Oryzaephilus surinamensis abgelehnt wurden. Eine Veränderung im Verhalten des Parasitoiden konnten O. surinamensis-Larven nur auslösen, wenn lösungsmittelextrahierte Larven mit einem von T. confusum-Larven stammenden KKW-Extrakt behandelt wurden. Chemische Analysen der Larvenextrakten zeigten, dass sich die KKW-Profile der Wirtsarten und der Nicht-Wirtsart in ihrer Zusammensetzung unterschieden. Dies war vor allem auf die Fraktion der methylverzweigten Alkane (MeAL) zurückzuführen. Diese Verbindungen kamen auf der Kutikula von Tribolium spp. vor, fehlten aber bei O. surinamensis. Folglich dienen MeAL als Kontaktkairomone für die Wirtserkennung, anhand derer der Parasitoid eine Wirtsart von einer Nicht-Wirtsart unterscheidet. Im vierten Kapitel untersuchten wir, ob flüchtige Duftstoffe, die entweder direkt mit T. confusum-Larven oder mit anderen Wirtsstadien (z.B. adulten Käfern) assoziiert sind, an der Wirtsfindung von H. sylvanidis aus größerer Entfernung beteiligt sind. Der Parasitoid wurde am stärksten von einem Mix aus zwei Schlüsselkomponenten aus dem Duftstoffbouquet des Larvenkots von T. confusum (z.B. (E)-2-nonenal und 1-Pentadecen, 2CM) in der niedrigsten Konzentration angelockt, während die höchste Konzentration abschreckend wirkte. Im Vergleich dazu waren zwei ausgewählte flüchtige Verbindungen, die von T. confusum-Adulten abgegeben werden, in allen Konzentrationen unattraktiv für den Parasitoiden. Anschließend untersuchten wir, ob die zusätzliche Ausbringung von 2CM (in der attraktivsten Konzentration) die Wirtssuche von H. sylvanidis verbessern kann. In dreitägigen Verhaltensversuchen wurden Parasitoiden T. confusum-Larven entweder mit zusätzlich ausgebrachten synthetischen Duftstoffen (= 2CM, Test) oder ohne (Kontrolle) angeboten. Im Vergleich zur Kontrolle entfernten Parasitoidweibchen in den Testkäfigen innerhalb von 48h signifikant mehr Käferlarven aus der Ausgangspopulation und parasitierten bis zum Ende des Versuchs (nach 72h) eine signifikant größere Anzahl an Wirtslarven. Aus den Wirtlarven, die in Gegenwart von zusätzlich ausgebrachtem 2CM parasitiert wurden, schlüpften signifikant mehr Nachkommen von H. sylvanidis. Die Populationszunahme der F1 war jedoch auf einen signifikanten Anstieg männlicher Individuen zurückzuführen. Folglich können der Wirtsfindungserfolg und die Parasitierungs-rate des Parasitoiden durch die Ausbringung synthetischer, wirtsassoziierter Kairomone verbessert werden, was aber mit Veränderungen in der Populations-zusammensetzung (Männchen/ Weibchen) der Nachkommen einhergeht. Insgesamt tragen die in dieser Dissertation erzielten Ergebnisse zur durch Semiochemikalien vermittelten Wirtssuche eines natürlichen Gegenspielers von vorratsschädlichen Käfern zu einem besseren Verständnis der Interaktion zwischen Parasitoiden und ihren Wirtsarten bei. Darüber hinaus liefern sie wichtige Erkenntnisse über den potenziellen Einsatz von wirtsassoziierten, verhaltensverändernden Verbindungen zur Verbesserung der Wirksamkeit von Parasitoiden bei der biologischen Bekämpfung von Schadinsekten in Vorratslägern und in der verarbeitenden Lebensmittelindustrie.