Trees may experience numerous recurring attacks by herbivorous insects during their life. As perennial plants, they might benefit from adjusting their anti-herbivore defences to these experiences. This thesis investigated how defence responses of the field elm (Ulmus minor) against the herbivorous elm leaf beetle Xanthogaleruca luteola are shaped (primed) by previous elm leaf beetle infestations. Hence, the studies focused on a specific defence strategy, i.e. priming of anti-herbivore defence by plant responses to previous, infestation-indicating (warning) cues. One of the studies addressed short-term priming of defence elicited by the beetle’s egg deposition as warning cue and acting against the hatching larvae. Another study focused on long-term priming elicited by infestation of the tree in one year and acting against infestation in the subsequent year. The studies included insect performance assays as well as quantitative analyses of phytohormones, of phenylpropanoids as defence compounds, and of transcript levels of genes involved in the phenylpropanoid pathway and epigenetic modifications. Phenylpropanoids may have anti-microbial effects, and microbes associated with insects may significantly affect plant – insect interactions. However, prior to this thesis, almost no knowledge about microbes associated with the elm leaf beetle was available. Therefore, a final study analysed the microbiome of X. luteola. The study on short-term priming, which examined how the plant’s response to elm leaf beetle eggs influences the subsequent elm's defence against newly hatched larvae feeding on the leaves, revealed the following results. Phenylpropanoid biosynthesis was more strongly induced in leaves upon which eggs had been laid prior to larval feeding. The results indicated that the phytohormone salicylic acid (SA) is involved in regulation of this response. In detail, SA concentrations were higher in leaves subjected to egg laying and 24 hours of subsequent larval feeding compared to leaves that had experienced larval feeding alone. Interestingly, at this time, SA concentrations were not elevated in leaves exposed only to egg laying without larval feeding. By contrast, the phytohormone jasmonic acid (JA) was induced by larval feeding after 24 hours, regardless of prior egg laying. A PCR analysis revealed that egg laying intensified the feeding induced expression of a gene encoding phenylalanine ammonium lyase (PAL), the input enzyme of the phenylpropanoid biosynthetic pathway, compared to the expression in egg free leaves. Accordingly, the concentrations of certain phenylpropanoids, namely kaempferol and quercetin derivatives, were elevated in previously egg deposited leaves after 24 hours of larval feeding compared to untreated control leaves. This was not the case in feeding damaged leaves without prior egg deposition. The study on long-term priming, which examined whether an infestation involving adults, eggs, and larvae of the elm leaf beetle in one year could improve the elm's defences against a second elm leaf beetle infestation after a winter dormancy, provided the following results. Indeed, elm leaf beetles developed slightly worse on previously infested trees compared to control trees during the second year. Larvae took longer to pupate, while the resulting beetles only reached a lower weight. In addition, females that had developed from larvae on the previously infested trees laid most of their eggs later, though the total number of eggs did not differ between groups. Concentrations of kaempferol and quercetin derivatives were slightly enhanced in newly infested leaves of previously infested trees compared to those of previously naïve trees. This suggests that elm leaf beetle infestations may enhance elm defences against subsequent elm leaf beetle attacks, further reinforcing short-term egg primed elm defences. Remarkably, since elms are deciduous, information about the previous infestation could not have been stored within the previously infested leaf material, but must have been transferred to the newly sprouted leaves. In a third study, we analysed the microbiome of elm leaf beetles using culture-dependent and culture-independent methods to determine whether they harbour a resident microbiome. We studied all elm leaf beetle life stages from adult beetles to beetles of a second generation. Furthermore, the microbiome of the leaf material, on which the elm leaf beetles were kept, was studied. No persistent bacterial community was detectable in the different elm leaf beetle life stages and on elm leaves. Fungi were prevalent in feeding stages of the elm leaf beetle and on elm leaves. These fungi could mainly be assigned to Penicillium Ianosocoeruleum and Aspergillus flavus. Notably, P. Ianosocoeruleum was predominantly found on feeding damaged leaves, indicating that it thrives in the presence of elm leaf beetles. Therefore, we wanted to know whether these fungi influence the development of elm leaf beetles. We found that larvae feeding on leaves inoculated with P. Ianosocoeruleum gained more weight, and the resulting beetles produced larger egg clutches compared to elm leaf beetles feeding on surface-sterilised leaves or leaves inoculated with A. flavus. Thus, elm leaf beetles appeared to benefit from a colonization with P. Ianosocoeruleum. In summary, this thesis provided the following insights into the interactions among elms, elm leaf beetles and associated microorganisms: a) Elm’s defences against elm leaf beetle larvae are short-term primable by the beetle’s eggs. Primed elm leaf responses comprise enhanced phenylpropanoid biosynthesis. SA concentrations are enhanced in egg primed, feeding induced leaves when compared to egg-free, feeding damaged leaves. b) Elm’s defences against elm leaf beetles are also long-term primable by insect infestation (adults, eggs, larvae) in a preceding year. Hence, the priming information is transmitted from leaves that are shed in one year to newly grown leaves in the following year. While concentrations of phenylpropanoids were moderately enhanced in infested leaves of long-term primed trees, concentrations of JA and SA did not differ between leaves of long-term primed and non-primed trees. c) Elm leaf beetles do not harbour a persistent bacterial microbiome. The fungus P. Ianosocoeruleum proliferates in the presence of elm leaf beetles (increased presence on feeding damaged leaves and in feeding stages of the elm leaf beetle). d) Penicillium Ianosocoeruleum positively influences the growth and reproduction of elm leaf beetles.
Bäume können im Laufe ihres Lebens zahlreichen wiederkehrenden Angriffen durch herbivore Insekten ausgesetzt sein. Als mehrjährige Pflanzen könnten sie davon profitieren, ihre Abwehrmechanismen gegen Fraßfeinde an diese Ereignisse anzupassen. Diese Dissertation widmet sich der Frage, wie Abwehrreaktionen der Feldulme (Ulmus minor) gegen den herbivoren Ulmenblattkäfer (Xanthogaleruca luteola) durch vorhergehende Befallserfahrungen mit dem Ulmenblattkäfer geprägt werden. Der Fokus der Studien lag daher auf einer spezifischen Abwehrstrategie von Pflanzen, dem „Priming“ der Herbivoren-Abwehr durch Reaktionen auf vorhergehende, einen Befall anzeigende (warnende) Signale. Eine der Studien befasste sich mit dem Kurzzeit-Priming der Abwehr, das durch die Eiablage des Käfers als Warnsignal ausgelöst wird und gegen die schlüpfenden Larven wirkt. Eine weitere Studie untersuchte Langzeit-Priming in Ulmen, das durch einen Herbivoren Befall ausgelöst wird und gegen einen Herbivoren Befall im darauffolgenden Jahr wirkt. Die Studien beinhalteten sowohl eine Untersuchung des Wachstums und der Vermehrung der Käfer als auch quantitative Analysen von Phytohormonen und Phenylpropanoiden, die als Abwehrverbindungen dienen können. Auch die Expressionsstärke von Genen, die am Phenylpropanoid-Biosyntheseweg und an epigenetischen Modifikationen beteiligt sind, wurde analysiert. Phenylpropanoide können antimikrobielle Eigenschaften besitzen, und Mikroorganismen, die mit Insekten assoziiert sind, können wiederum Pflanzen–Insekten–Interaktionen erheblich beeinflussen. Vor dieser Dissertation lagen jedoch fast keine Kenntnisse über Mikroorganismen vor, die mit dem Ulmenblattkäfer assoziiert sind. Daher wurde in einer abschließenden Studie das Mikrobiom von X. luteola analysiert. Die Studie zum Kurzzeit-Priming, in der untersucht wurde, wie die Reaktion der Ulme auf die Eiablage des Ulmenblattkäfers die anschließende Abwehr des Baums gegen die an seinen Blättern fressenden Larven beeinflusst, ergab die folgenden Ergebnisse: Die Phenylpropanoid-Biosynthese war in Blättern, auf denen zuvor Eier abgelegt worden waren, bei anschließendem Larvenfraß stärker induziert. Die Ergebnisse deuteten außerdem darauf hin, dass das Phytohormon Salicylsäure an der Regulation dieser Reaktion beteiligt ist. Im Detail war die Konzentration von Salicylsäure in Blättern, die sowohl einer Eiablage als auch einem 24-stündigen Larvenfraß ausgesetzt waren, höher als in Blättern, die nur Larvenfraß erfahren hatten. Interessanterweise war die Salicylsäure-Konzentration zu diesem Zeitpunkt in Blättern, welche nur eine Eiablage und keinen Larvenfraß erfahren hatte, nicht erhöht. Das Phytohormon Jasmonsäure wurde hingegen unabhängig von einer vorangegangenen Eiablage durch 24-stündigen Fraß induziert. Eine PCR-Analyse zeigte, dass eine Eiablage die fraßinduzierte Expression eines Gens, das für Phenylalanin-Ammonium-Lyase (PAL) kodiert, im Vergleich zur Expression in Eier-freien Blättern verstärkte. PAL ist das Eingangsenzym des Phenylpropanoid-Biosynthesewegs. Entsprechend waren die Konzentrationen bestimmter Phenylpropanoide – nämlich Kaempferol- und Quercetin-Derivate – in zuvor mit Eiern belegten Blättern nach 24-stündigem Larvenfraß im Vergleich zu unbehandelten Kontrollblättern erhöht. Diese Erhöhung wurde in angefressenen Blättern ohne vorherige Eiablage nicht beobachtet. Die Studie zum Langzeit-Priming, die untersuchte, ob ein Befall durch adulte Käfer, Eier und Larven des Ulmenblattkäfers in einem Jahr die Abwehr der Ulme gegen einen zweiten Befall nach einer Winterruhe verbessern kann, ergab folgende Resultate: Tatsächlich entwickelten sich Ulmenblattkäfer im zweiten Jahr an vorher befallenen Bäumen etwas schlechter als an Kontrollbäumen. Die Entwicklungszeit der Larven bis zur Verpuppung war etwas verlängert, gleichzeitig erreichten die daraus resultierenden Käfer nur ein geringeres Gewicht. Darüber hinaus legten die Weibchen von den vorher befallenen Bäumen den größten Anteil ihrer Eier zeitlich verzögert, wobei die Gesamtanzahl der Eier in beiden Gruppen unverändert blieb. Die Konzentration von Kaempferol- und Quercetin-Derivaten war in befallenen Blättern von Bäumen, die im Vorjahr bereits einen Befall erlitten hatten, im Vergleich zu neu befallenen Blättern von vormals naiven Bäumen leicht erhöht. Dies deutet darauf hin, dass Bäume, die einen Ulmenblattkäfer-Befall erlebt hatten, sich etwas besser gegen einen erneuten Befall wehren konnten – zusätzlich zum Kurzzeit-Priming durch die Eiablage während des zweiten Befalls. Hervorzuheben ist, dass die Information über den vorangegangenen Befall nicht in dem Blattmaterial gespeichert werden konnte, welches den ersten Befall erlebt hatte, da Ulmen zu den laubabwerfenden Bäumen gehören und der zweite Befall an den neu ausgetriebenen Blättern stattfand. In einer dritten Studie haben wir das Mikrobiom des Ulmenblattkäfers mit Kultur-abhängigen und unabhängigen Methoden analysiert, um festzustellen, ob sie ein dauerhaftes Mikrobiom beherbergen. Dabei untersuchten wir alle Entwicklungsstadien des Ulmenblattkäfers, von adulten Käfern bis hin zu Käfern einer zweiten Generation. Auch das Mikrobiom des Blattmaterials, auf dem die Ulmenblattkäfer gehalten wurden, untersuchten wir. Wir konnten weder in den verschiedenen Entwicklungsstadien des Käfers noch auf den Ulmenblättern eine persistente Bakterien-Gemeinschaft nachweisen. Auf Ulmenblättern und in den fressenden Ulmenblattkäfer-Stadien fanden wir jedoch Pilze. Diese ließen sich überwiegend Penicillium Ianosocoeruleum und Aspergillus flavus zuordnen. Penicillium Ianosocoeruleum fanden wir vor allem auf angefressenen Blättern, was darauf hindeutet, dass dieser Pilz in Gegenwart des Ulmenblattkäfers besser gedeiht. Daher wollten wir wissen, welchen Einfluss die gefundenen Pilze auf die Entwicklung von Ulmenblattkäfern haben. Wir fanden heraus, dass Larven an Blättern, die mit P. Ianosocoeruleum inokuliert waren, ein höheres Gewicht erreichten und die daraus resultierenden Käfer größere Eigelege produzierten als Ulmenblattkäfer, die sich von Oberflächen-sterilisierten Blättern oder A. flavus-inokulierten Blättern ernährt hatten. Dies deutet darauf hin, dass Ulmenblattkäfer von der Präsenz von P. Ianosocoeruleum profitieren könnten. Zusammengefasst lieferte diese Dissertation die folgenden Erkenntnisse zu den Interaktionen zwischen Ulmen, Ulmenblattkäfern und assoziierten Mikroorganismen: a) Die Abwehr der Ulme gegen Ulmenblattkäferlarven kann durch die Reaktion der Ulmenblätter auf die Eiablage des Käfers verbessert werden (Kurzzeit-Priming). Diese verbesserte Abwehr beinhaltet eine verstärkte Biosynthese von Phenylpropanoiden. In Blättern mit Kurzzeit-Priming durch eine Eiablage sind die fraßinduzierten Salicylsäurekonzentrationen im Vergleich zu Eier-freien, fraßgeschädigten Blättern erhöht. b) Die Abwehr der Ulme gegen Ulmenblattkäfer kann auch durch Reaktionen der Ulmenblätter auf einen Befall (Adulte, Eier, Larven) im Vorjahr verbessert werden (Langzeit-Priming). Die Priming-Information wird somit von im Vorjahr abgeworfenen Blättern auf neu ausgetriebene Blätter im Folgejahr übertragen. Während die Konzentrationen von Phenylpropanoiden in befallenen Blättern von Bäumen mit vorherigem Befall moderat erhöht waren, unterschieden sich die Konzentrationen von Jasmonsäure und Salicylsäure nicht zwischen befallenen Blättern von Bäumen mit und ohne Befall im Vorjahr. c) Ulmenblattkäfer beherbergen kein persistentes bakterielles Mikrobiom. Der Pilz P. Ianosocoeruleum kann in Gegenwart von Ulmenblattkäfern verstärkt wachsen (erhöhte Präsenz auf angefressenen Blättern und in fressenden Stadien des Ulmenblattkäfers). d) Penicillium Ianosocoeruleum hat einen positiven Einfluss auf das Wachstum und die Reproduktion von Ulmenblattkäfern.
