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Rahier, Martine

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Rahier, Martine
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Professeure ordinaire
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Martine.Rahier@unine.ch
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https://libra.unine.ch/handle/123456789/99

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    Punishment and the emergence of public goods in a marine host-parasite
    (2011)
    Bshary, Andrea 
    ;
    Rahier, Martine 
    Cooperation in larger group is often more difficult to explain then cooperation in pairs. For humans it has been proposed that punishment plays a major role in stabilising individual contributions to group success (‘public goods’) but that claim remains contentious. The aim of this thesis was to gain understanding of a system in which both punishment and public goods may exist, and which can be studied both in nature and with an experimental setup in the laboratory. The interactions between victim reef fishes and parasitic sabre–tooth blennies that bite mucus and scales off other fishes provided a suitable study system.

    In the first of three manuscripts I described the natural history of this peculiar host–parasite complex. The blennies occupy small territories. Resident victim species that are constantly under threat of being bitten reacted aggressively to blenny attacks, while visiting species used their potential to escape further interactions by swimming off. Among residents, the probability of aggressive reactions to blenny attacks was negatively correlated to group size without dropping to zero. The latter results fitted a public goods scenario where benefits of acting decrease with increasing group size. In the second manuscript I could demonstrate that aggression by victims functions as punishment as it reduced the probability of future attacks by a blenny. Furthermore, field observations revealed that punishment creates a public good in locally abundant species as it increased the probability that blennies switched to a different victim species. Nevertheless, punishment appeared to be self–serving rather than altruistic because lab experiments suggested that blenny preferentially target non–punishing individuals. The third manuscript focussed more specifically on the blennies’ foraging decision rules. Overall, I documented that blennies may attack at preferred locations, that they may prefer abundant hosts, and that they may focus on specific non–punishing individuals. However, there was huge variation between individuals with respect to the relative importance of these factors, including the probability of switching victim species between subsequent attacks irrespective of victim responses. This variation may locally undermine the effectiveness of punishment, and may also sometimes create competition between conspecifics instead of a public good.

    In conclusion, the study demonstrates the existence of self–serving punishment in a parasite–host system. Public goods may emerge as a by–product of self–serving punishment due to the parasite’s foraging decision rules, which typically select against non punishing ‘free–riders’. How the observed variation in blenny decision rules may evolve and how victims should evolve their optimal responses in return would ideally be addressed in evolutionary game theoretic modelling, amenable to further empirical testing.
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    Multi-species phylogeographic investigations in closely-related taxa and mutualistic plant-insect systems
    (2010)
    Triponez, Yann
    ;
    Alvarez, Nadir
    ;
    Rahier, Martine 
    La phylogéographie se définit comme l’étude des processus historiques responsables de la distribution géographique actuelle des individus et des lignées génétiques. Etudier les espèces dans l’espace et dans le temps sur la base d’approches combinant la génétique et l’écologie représente un fantastique défi pour la biologie de l’évolution. En Europe, mais aussi ailleurs dans le monde, de telles approches ont été appliquées à de nombreux organismes, mais jusqu’ici la plupart de ces études n’ont toutefois été faites qu’au niveau d’espèces uniques. Le moment est donc venu de développer des études regroupant plusieurs espèces à la fois dans le domaine nouveau de la phylogéographie comparée, en utilisant par exemple des taxons très proches, ou alors des organismes interdépendants au sein de fortes interactions écologiques. Les espèces sélectionnées pour ce travail couvrent une large variété de groupes de plantes et d’insectes, tels que des coléoptères alpins, des orchidées de régions tempérées, ainsi que certaines espèces de plantes productrices d’huiles et d’abeilles mutualistes spécialisées dans la récolte de cette huile. Les méthodes d’analyses bio- et phylogéographiques permettant de dévoiler l’histoire des organismes étudiés associent des techniques de pointe telles que le séquençage génétique et le screening génomique, avec des descriptions et des modélisations de niches écologiques. Les principaux résultats obtenus confirment certains paradigmes mis en évidence jusqu’à présent, mais ils amènent également des notions nouvelles. Grâce à une approche globale, combinant les histoires évolutives de plusieurs lignées, les patrons biogéographiques d’une espèce en particulier peuvent être mieux compris en se basant sur les résultats obtenus parallèlement pour des taxons proches, ou pour des partenaires associés écologiquement. Les méthodes utilisées ici ont également permis de tirer des conclusions et d’entrevoir certaines perspectives au-delà de la phylogéographie ou de l’écologie évolutive : des considérations sur la diversité génétique, utiles en biologie de la conservation, ou des problèmes liés à la délimitation des espèces, applicables à la taxonomie, sont quelques uns des domaines additionnels (mais aussi complémentaires) que cette thèse aborde., Phylogeography is the study of historical processes responsible for the contemporary geographic distributions of individuals and gene lineages. Studying species in space and time combining ecology and genetics allows disentangling patterns at the boundary between biogeography, population genetics and evolutionary ecology. As until now in Europe (but also in a very large portion of the World) many organisms have been considered by singlespecies phylogeographic approaches, it is time to develop a multi-species approach in the nascent field of comparative phylogeography, either considering closely-related taxa or organisms involved in tight ecological interactions. In this study, the fate of several species spanning a large variety of insect and plant systems is investigated. Among them are found alpine leaf-beetles, temperate widespread orchids, and mutualistic oil-producing flowers and oil-collecting bees. The methods used to fulfil the bio- and phylogeographic analyses in order to unravel past histories of these associate organisms state-of-the-art methods in genetics and ecology, by combining gene sequencing and genome fingerprinting, with ecological descriptors and niche modelling. Main results obtained confirm several paradigms addressed in the field of classical phylogeography but also bring new insights into the broad picture of phylogeography of European organisms. Thanks to our multi-species approach, the biogeographic patterns of a particular species can be studied in a global framework, including results obtained for related taxa or ecologically associated partners. In addition, the methods used here allow inferring further conclusions and perspectives in other fields: for instance, evaluation of genetic diversity indices useful in conservation biology, or analytical elements about species delimitation applicable to taxonomy, represent some of the supplementary (but also complementary) topics addressed in this thesis.
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    Inferring reciprocal evolutionary histories in associated species of plants and insects in two european pollination systems
    (2010)
    Espíndola, María Anahí
    ;
    Alvarez, Nadir
    ;
    Rahier, Martine 
    ;
    Carstens, Bryan C.
    ;
    Després, Laurence
    ;
    Gibernau, Marc
    ;
    Gugerli, Felix
    ;
    Küpfer, Philippe 
    Coevolution is defined as reciprocal evolutionary changes that might arise at any spatiotemporal scale. Despite every organism on Earth undergoes coevolutionary interactions, cases of one-to-one specific relationships are generally rare. However, because of the reduced number of interacting species they concern, these species-specific associations are interesting to evolutionary biologists because they allow testing hypotheses in simple frameworks. Despite the history and evolution of coevolutionary interactions have been studied in several cases in the last decade, this topic remains difficult to fully circumscribe because of the multiplicity of factors that affect one or the other species concerned. Moreover, a lot is known about coevolution at a small scale, but little has been done at larger and more integrative scales spanning wider spatiotemporal ranges. Phylogeography is a young area of biology that allows understanding the distribution of lineages in space and time. Despite that the idea of parallely studying the history of species involved in specific interactions appears simple, this has rarely been done until now probably because of the technical efforts this would represent. From a theoretical point of view, we could propose that in specific interactions, because of the dependence between the partners involved, we should observe some phylogeographic pattern associated to the type of interaction studied. In this way, while partners of mutualistic interactions should present similar postglacial histories, this should not be true for those associated by antagonistic relationships. In this thesis, we exploit different techniques and approaches to test this general hypothesis. The final aim of this study is thus to understand if it is possible to identify a pattern of comparative phylogeography in relation to the type of interaction, using as case-studies two specific and obligate European interactions: the antagonistic relationship established between Arum maculatum L. (Araceae) and its Psychodid (Diptera) pollinating flies, and the nursery pollination mutualism involving Trollius europaeus L. (Ranunculaceae) and the Chiastocheta (Diptera: Anthomyiidae) species complex. Before testing our comparative phylogeographic hypotheses and because studying the phylogeography of interactions requires a wide knowledge of the environmental, taxonomic and historical frameworks in which these ecological relationships arose, it was first needed to clearly delimitate the identity of species, their distribution and the environmental factors influencing their survival to finally understand their comparative history. We thus took advantage of the potentialities that interdisciplinary approaches provide, applying molecular taxonomy, biological and evolutionary methods, biogeographic inferences, ecological niche models and hindcasting techniques, as well as classical and recently-developed phylogeographic analyses. Our results indicate that the phylogeographic patterns of these specific and obligate antagonistic and mutualistic relationships appear to be related to the type of interaction. Antagonistic partners presented incongruent phylogeographic patterns, what can be notably explained by differences in their life-history traits. Species involved in mutualistic interactions partly showed congruent phylogeographic patterns (particularly in the cases of T. europaeus and C. dentifera). Flies interacting with T. europaeus appear moreover to present different histories, regardless of their important ecological similarities. These results demonstrate that the systems studied appear to be far more complex than initially supposed, with crossed effects of environmental and historical features on the dynamics of the interaction. Because of the high complexity and interdependency of factors affecting one or the other partner, performing investigations in an interdisciplinary framework appears indispensable to disentangle the dynamics of interactions.
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    Phylogeography and biodiversity in an alpine leaf beetle genus
    (2009)
    Borer, Mattias
    ;
    Rahier, Martine 
    Des changements dans la conformation tectonique et orbitale de la terre (excentricité, obliquité et la précession) ont entraîné des oscillations récurrentes du climat pendant le Quaternaire. Ces oscillations ont fortement influencé le paysage génétique de la flore et de la faune contemporaines, notamment en ce qui concerne le continent Européen. Pendant les périodes glaciaires, l’extension de la glace et du permafrost ont forcé un grand nombre d’espèces à migrer ou à survivre dans des refuges au sud de l’Europe, alors que pendant les épisodes interglaciaires, ces espèces ont recolonisé le nord de l’Europe au fur et à mesure que la glace se rétractait. Si ces processus ont été largement étudiés chez les espèces tempérées de basse altitude (pour lesquelles différents paradigmes ont été établis), on connaît beaucoup moins l’influence de cette migration cyclique des populations chez les espèces arctiques ou de haute altitude. Pendant ma thèse, j’ai étudié la phylogéographie (c’est-à-dire l'étude des principes et processus qui gouvernent la distribution des lignées généalogiques) de quatre espèces de chrysomèles alpines du genre Oreina (caractérisé par des espèces présentant une grande variété de couleurs) afin de mettre en évidence le rôle joué par les oscillations climatiques du Quaternaire sur des taxons de haute altitude. J’ai utilisé différentes méthodes moléculaires comme le génotypage par AFLP (amplified fragment-length polymorphism) et le séquençage de marqueurs cytoplasmiques et nucléaires afin de reconstruire la phylogénie et l’histoire évolutive des lignées. J’ai tout d’abord abordé la phylogénie d’Oreina elongata, une espèce avec une distribution restreinte aux Alpes et aux Apennins. Les résultats montrent que seules trois des sept sous-espèces décrites ont formé des clades monophylétiques. Les clades basaux se trouvent dans les Alpes de Suisse centrale et en Italie du nord. En utilisant une horloge moléculaire calibrée sur la vitesse moyenne d’évolution des gènes mitochondriaux des insectes, j’ai montré que la séparation des clades majeurs au sein de cette espèce a eu lieu bien avant le dernier maximum glaciaire, il y a environ 5 Ma. Cela indique clairement qu’Oreina elongata a persisté à la périphérie ou même à l’intérieur des Alpes et des Apennins pendant plusieurs cycles glaciaires. Ensuite, j’ai analysé la phylogénie d’Oreina gloriosa, une espèce qui présente une distribution strictement restreinte aux Alpes. Les analyses ont permis de mettre en évidence une séparation en trois clades principaux: un dans les Alpes de l’ouest, un dans les Alpes centrales et un dans les Alpes de l’est. L’estimation des temps de divergence à l’aide de l’horloge moléculaire suggère que la séparation des trois clades majeurs a débuté il y a 0.5 Ma, ce qui peut être considéré comme récent, en regard des résultats précédents sur Oreina elongata. Ce résultat est confirmé par le fait qu’il n’y a aucune variation morphologique chez ce taxon, d’un bout à l’autre de son aire de distribution. Afin d’étudier les conséquences des oscillations climatiques sur les interactions trophiques, j’ai également comparé le patron obtenu pour Oreina gloriosa avec celui de sa plante-hôte exclusive, l’impératoire Peucedanum ostruthium, en inférant la structuration génétique spatiale des deux espèces à l’aide d’un génotypage par AFLP. Les résultats montrent une incongruence partielle dans l’histoire de ces deux espèces antagonistes, ce qui suggère que la plante et l’insecte n’ont pas systématiquement emprunté les mêmes voies de dispersion. Puis, je me suis intéressé aux espèces génétiquement proches, Oreina cacaliae et Oreina speciosissima, deux taxons qui se rencontrent fréquemment en sympatrie sur leur aire de distribution (englobant la plupart des massifs montagneux européens). Alors que l’analyse d’un marqueur nucléaire – de même que des critères morphologiques – séparent nettement les deux espèces, la phylogénie basée sur trois marqueurs mitochondriaux montre une paraphylie réciproque marquée des deux espèces. Ces résultats mettent cependant en évidence la monophylie de 10 parmi 12 sous-espèces échantillonnées. L’incongruence entre la morphologie et l’information nucléaire et mitochondriale peut être expliquée par l’hybridation des lignées, éventuellement en combinaison avec un polymorphisme ancestral important. J’ai par la suite analysé la phylogéographie de deux sous-espèces d’Oreina speciosissima, sur la base de trois marqueurs d’ADN mitochondriaux et d’un génotypage AFLP. Tandis que les marqueurs mitochondriaux n’ont démontré qu’un très faible niveau de variation, la phylogénie basée sur les AFLP a permis de mettre en évidence une structuration très fortement corrélée à l’écologie, et notamment au type d’habitat. Néanmoins, la présence de morphes intermédiaires à la base des clades des deux sous-espèces indique que la divergence entre ces deux sous-espèces n’est pas encore terminée. Enfin, dans un volet d’écologie comportementale, j’ai testé si la couleur pouvait être impliquée dans le choix du partenaire et si cela pouvait influencer les densités relatives des différentes couleurs au sein des populations d’Oreina gloriosa. Les résultats des expériences (au cours desquelles on a testé le choix du partenaire entre deux morphes de couleurs et d’origines populationnelles différentes) n’a pas permis de conclure à des différences significatives entre les différents types d’accouplements, et par conséquent à des préférences dans le choix du partenaire liées à la couleur. Finalement, on a réalisé une expérience de terrain pour tester si la sélection positive ″fréquence-dépendante″ des prédateurs est une force évolutive suffisante pour modifier les proportions des différentes couleurs au sein des populations d’Oreina gloriosa et maintenir le polymorphisme. Les résultats montrent que la survie du morphe le plus rare est significativement plus faible que celle du morphe le plus fréquent, indiquant par là que la prédation peut influencer le patron de coloration d’une population., Changes in tectonic conformation and orbital parameters of the Earth (eccentricity, obliquity and axial wobble) caused drastic climatic oscillations during the Quaternary. These oscillations strongly influenced the genetic landscape of the contemporary European flora and fauna. During cold periods the extending ice sheets and permafrost forced many temperate species to migrate into southern refugia. During interglacial periods these species recolonized northern Europe following the retreating ice shelf. The resulting patterns have been well demonstrated for temperate and lowland species, whereas much less is known about the effect on arctic or high altitude species. In my study we investigated the phylogeography of four alpine leaf beetles to uncover the influence of Quaternary climatic changes on high altitude species. We used AFLP (amplified fragment-length polymorphism) genotyping and single marker sequencing methods for the construction of phylogenies and the geographical distribution of lineages. In the phylogeny of Oreina elongate, a species restricted to the Alps and Apennines, only three out of seven described subspecies form monophyletic clades. The basal clades are found in the central Swiss Alps and northern Italy. Applying a molecular clock, we found that the split of the major clades occurred long before the last glacial maximum suggesting that O. elongate persisted for many glacial cycles within or at the edges of the Alps and Apennines. The phylogeny of O. gloriosa, a species with a uniquely alpine distribution, splits into three main clades, one in the western Alps, one in the central Alps (southern Switzerland) and one in the eastern Alps. The molecular clock estimates suggest that the divergence into the three main clades occurred 0.5 MYA and can be considered as recent, which concords with the lack of morphological variation across the distribution. The comparison of the phylogeography of Peucedanum ostruthium and its monophagous herbivore O. gloriosa based on AFLP genotyping suggests incongruence between the histories of these antagonistic species. Oreina cacaliae and O. speciosissimav are two closely related species occurring in sympatry and with ranges that cover most of the distribution of the genus. The analysis of a nuclear marker and morphological criteria clearly split the two species. The phylogeny of three mtDNA markers show paraphyly for both species but suggest that 10 out of 12 analysed subspecies are monophyletic. And incongruence between the makers may be a result of hybridisation or lineage sorting of the ancestral polymorphism. Further I analyzed the phylogeography of two subspecies within Oreina speciosissima based on three mtDNA markers and AFLP genotyping. The phylogeny of the mtDNA markers show very little structure whereas the AFLP phylogeny showed clear structure, strongly correlated with the ecology and particularly with the habitat. The presence of intermediate morphotypes at the base of both subspecies clades suggests that the divergence between these two subspecies is not yet complete. I tested if colour is involved in mate choice and could influence the colour pattern inO. gloriosa populations. Mate choice experiments between two colour morphs of O. gloriosa with origin in pure or mixed populations show no assortative mating and thus no preference for colour. Finally, we carried out a field experiment to test if positive frequency-dependent selection by predators drives O. gloriosa populations to monomorphism. The survival of the rare morph was significant lower than the survival of the common morph and thus suggests that predation can influence the population colour.
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    Compatibility of Bt-transgenic crops with biological control
    (2008)
    Lawo, Nora Caroline
    ;
    Rahier, Martine 
    ;
    Romeis, Jörg
    L’un des risques les plus largement débattus en matière de transgenèse réside dans l’impact potentiel des plantes génétiquement modifiées (GM) sur les organismes non ciblés. Les ennemis naturels des organismes nuisibles en font partie, car ils jouent un rôle majeur dans la régulation des ravageurs et ont donc une grande importance sur le plan économique. Avant de commercialiser une plante GM, il est donc nécessaire d’analyser sérieusement les risques d’effets secondaires pouvant toucher les organismes non ciblés et de choisir des espèces représentatives pour cette étude. Dans ce but, un réseau trophique simplifié des principaux ravageurs et de leurs ennemis naturels a été créé pour un champ de pois pigeons indiens (Cajanus cajan). En examinant par exemple un pois pigeon Bt qui exprime les protéines Cry1Ac et Cry2Ab produites par la bactérie du sol Bacillus thuringiensis, nous obtenons des indications sur les organismes qui devraient être considérés dans une analyse des risques. Etant donné que les protéines Bt ne sont actives qu’après leur ingestion, une méthode a été développée pour tester les effets toxiques directs sur la chrysope verte Chrysoperla carnea (Neuroptera: Chrysopidae), un insecte utile. Les larves ont été exposées à diverses protéines, dont la Cry1Ab et la Cry1Ac, dissoutes dans une solution de saccharose. Aucune des deux protéines Bt n’a eu d’effet négatif sur C. carnea, ce qui confirme les résultats d’autres études. En outre, l’effet direct du coton Bt sur l’herbivore non ciblé Aphis gossypii (Hemiptera: Aphididae) a été étudié. L’évolution des pucerons a été suivie sur trois variétés de cotons indiens exprimant la Cry1Ac et sur les variétés non transgéniques correspondantes. Nous avons également examiné si les aphidés absorbaient la protéine Bt présente dans la plante. Par ailleurs, la composition du sucre contenu dans le miellat des aphidés a été analysée pour savoir s’il convient à l’alimentation des consommateurs de miellat. Notre étude révèle que la Bt n’influe pas sur l’évolution des pucerons; seules de légères variations s’observent entre les variétés de coton, ce qui pourrait être dû aux différentes densités des poils glandulaires. Aucun des échantillons de pucerons ne contenait de la Bt. Toutefois, une variation a été constatée dans la composition nutritionnelle du miellat; elle est due à la transformation de la Bt et dépend de la variété. Des études antérieures avaient montré que les larves Bt perdaient de leur qualité nutritive, ce qui se répercute indirectement sur l’aptitude prédatrice des insectes utiles, comme les larves de la chrysope verte. Cette hypothèse a été vérifiée dans une étude sur le régime alimentaire de C. Carnea. L’insecte utile a été nourri de larves de Helicoverpa armigera (Lepidoptera: Noctuidae) sensibles ou résistantes à la Cry1Ac et qui s’étaient alimentées auparavant sur un cotonnier Bt ou non transgénique. Un effet indirect a été constaté sur les larves de C. Carnea ayant consommé des chenilles sensibles à la Bt mais pas sur celles qui s’étaient nourries de chenilles résistantes à la Cry1Ac et qui avaient absorbé de la Bt auparavant. Des analyses biochimiques des compositions et des teneurs en glycogène, en lipide, en saccharose et en acide aminé ont été réalisées afin de déceler des différences dans les nutriments entre les sources de nourriture sensibles à la Cry1Ac et les autres résistantes à cette protéine. Hormis une différence significative dans la composition du saccharose chez des larves sensibles à la Bt, aucune modification n’a été constatée. Cette première évaluation des effets indirects nécessite des études complémentaires, car beaucoup d’autres substances nutritives ont leur importance dans l’alimentation des insectes. Etant donné que la technologie Bt n’offre pas une protection à 100% contre les lépidoptères nuisibles, il importe d’évaluer l’interaction entre les plantes Bt et la protection phytosanitaire biologique. Des études ont donc été réalisées à propos de la compatibilité entre des pois chiches (Cicer arietinum) exprimant la Cry2Aa, des larves de H. armigera résistantes ou sensibles à la Cry2A et le champignon entomopathogène Metarhizium anisopliae. Différents essais en laboratoire nous permettent de conclure que M. anisopliae, associé à des pois chiches Bt, obtiennent un taux de mortalité élevé parmi les ravageurs sensibles ou résistants à la Cry2A. En outre, il apparaît que la résistance à la Bt n’exerce aucun effet sur l’évolution des larves et que M. anisopliae a une meilleure efficacité sur des chenilles intoxiquées par la protéine Bt sublétale. En résumé, cette étude montre que les plantes Bt sont compatibles avec la protection biologique des organismes testés., One of the most widely discussed ecological effects of genetically engineered (GE) crops is their impact on non-target organisms including natural enemies that are important for pest regulation and thus of economic value. Prior to commercialization of a GE crop a detailed risk assessment for potential adverse effects on non-target organisms has to be conducted. Finding surrogate species is therefore of major importance. A simplified arthropod food web including the most important herbivores and their natural enemies for Indian pigeonpea was constructed. Using Bt pigeonpea, expressing Cry1Ac/Cry2Ab proteins derived from Bacillus thuringiensis (Bt) as an example, an indication of which organisms would need to be addressed in a regulatory risk assessment are given. Since Bt proteins are active only after ingestion, a dietary bioassay was developed to test direct toxic effects on the predator Chrysoperla carnea (Neuroptera: Chrysopidae). Larvae were exposed to different insecticidal proteins dissolved in a sucrose solution. Besides other insecticidal proteins, Cry1Ab and Cry1Ac proteins were tested. Neither did caused a negative effect on C. carnea, which is consistent with earlier studies. Further, the direct effect of Bt cotton was examined for the non-target herbivore Aphis gossypii (Hemiptera: Aphididae). Besides the evaluation of aphid performance on three Indian Bt cotton varieties (expressing Cry1Ac) and their non-transformed near-isolines, we investigated weather aphids pick up any Bt protein. Further, the sugar composition of aphid honeydew was analyzed to evaluate its suitability for honeydew-feeders. The studies revealed no influence on cotton aphid performance due to Bt-expression and only slight variation among varieties which could be explained by the different trichome densities. None of the aphid samples contained Bt protein. However, a variation in the nutritional balance of aphid honeydew was detected due to the factors “transformation” and “variety” but it remains unknown whether this shift is of ecological relevance. As previous studies suggest that Bt-fed lepidopteran pests can lower predator performance due to a reduced prey quality, studies were performed to investigate whether prey nutritional composition causes indirect (prey-quality mediated) effects on C. carnea. Conducting feeding studies with Bt and non-Bt fed Cry1Ac-resistant and susceptible Helicoverpa armigera (Lepidoptera: Noctuidae) larvae, confirmed the observation of prey-quality mediated effects when the predator was fed with susceptible Bt-fed prey larvae but not when feeding on Bt-fed Cry1Ac-resistant lepidopterans. Biochemical analyses of the glycogen and lipid content as well as the amino acid and sugar content and composition were conducted aiming to detect differences in the nutrients between Cry1Ac-resistant and susceplible food sources. Except for a significant difference in the sugar composition of Bt-fed susceptible larvae, no shift could be detected. This was the first attempt to evaluate prey-quality mediated effects. However, other nutrients are important in insect nutrition, and therefore more studies are necessary. As the Bt technology does not provide 100% control against caterpillars, evaluation of the compatibility between Bt crops and biological control agents will be important. Therefore, bioassays were conducted to understand the interactions between a Cry2Aa-expressing chickpea line, either susceptible or Cry2A-resistant H. armigera larvae, and the entomopathogenic fungus Metarhizium anisopliae. Different laboratory studies allowed the conclusion that M. anisopliae was compatible in controlling Cry2A-resistant and susceptible H. armigera larvae. Further, it appeared that the Bt resistance did not cause a fitness cost and that M. anisopliae had an enhanced effectiveness on sublethally Bt-affected caterpillars. Summarizing this thesis, it appeared that Bt crops are compatible with biological control for the organisms tested.
  • Publication
    Accès libre
    Ecological interactions between two species of leaf beetle, a rust fungus, and their host plant
    (2007)
    Röder, Grégory
    ;
    Rahier, Martine 
    Les champignons parasites et les insectes herbivores sont connus pour leur influence négative sur les populations de plantes, affectant leur reproduction, leur croissance, leur survie, et interférant dans leurs relations avec d’autres espèces. En fournissant un logement, une protection et une source de nourriture pour de nombreux organismes, les végétaux représentent un élément essentiel des écosystèmes terrestres dans lesquels ils permettent la rencontre d’organismes aussi différents que des champignons pathogènes et des insectes phytophages. Les relations triangulaires qui naissent de cette proximité peuvent être directes ou indirectes lorsque la plante hôte joue le rôle de médiateur. Les insectes peuvent se nourrir du champignon ou de l’une de ses parties, comme le mycélium ou les structures reproductrices, et de ce fait réduire l’ampleur de l’infection ou de la transmission de la maladie. En revanche, d’autres espèces sont susceptibles de véhiculer des spores infectieuses et d’inoculer de nouvelles plantes. Ici, les champignons et les insectes s’influencent directement, positivement ou négativement, mais leurs relations deviennent indirectes lorsqu’ils engendrent des perturbations chez leur hôte. Une attaque fongique est susceptible de produire des changements dans la qualité de la plante hôte, mais aussi d’y activer des résistances qui peuvent également agir sur les insectes, grâce à des mécanismes de défenses croisés. Ainsi, les plantes participent activement à ces relations en mettant en oeuvre des défenses permanentes ou activables, impliquant des structures morphologiques, des substances chimiques internes ou externes, leur phénologie, ou des stratégies de tolérance. Ce travail est centré sur l’étude des relations directes et indirectes entre la plante Adenostyles alliariae, la rouille Uromyces cacaliae, et deux chrysomèles alpines Oreina elongata et Oreina cacaliae. Dans leur environnement naturel, régit par des conditions difficiles, leur relation prend une importance particulière, principalement due à une période d’activité très courte, mais aussi à cause de la stratégie de défense des chrysomèles alpines, impliquant des composés secondaires (pyrrolizidine alcaloïdes) produits par la plante et séquestrés par ces insectes pour leur propre défense. Dans ce contexte, le nombre de conséquences possibles est accru. L’influence de chacun des protagonistes sur les deux autres fut observée à l’aide d’expériences combinées entre le terrain, le laboratoire, et l’analyse de composés chimiques. Quatre sites différents furent choisis au sein les Alpes suisses et italiennes. Les résultats montrent que des interactions triangulaires influencent nos rotagonistes, avec des effets sur leur comportement, leur phénologie, leur cycle de vie, leurs performances, leur distribution et la dynamique de leurs populations. Ces conséquences sont majoritairement négatives et les rares effets positifs ne fournissent pas d’explication valable à l’apparente continuité de ce système. Néanmoins, un mélange de défenses, d’évitement et de tolérance entre les membres de ce système semble être à la base de leur coexistence., Independently, both fungal disease and herbivorous insects are considered to have major impacts on plant populations, affecting growth, survival, and reproduction, as well as modifying their interactions with other species. By providing habitats, protection, and food for numerous species, plants form an essential component of terrestrial ecosystems and constitute the convergent point for interactions between many groups, including plant pathogenic fungi and phytophagous insects. The three-way interactions resulting from this junction may be direct, plant-mediated, or both. Insects can feed on fungal mycelia and reproductive structures, reducing the infection and its transmission, or transport infectious spores to inoculate new plants. Fungi and insects exercise an influence, positive or negative, directly on each other. The relationships can be indirect if attack transforms the host plant, such as when fungal infection induces plant resistance against fungal attack, but in doing so also induces defences against herbivores by cross-effect mechanisms, and produces changes in host plant quality. The plants participate actively through their permanent and induced defences, involving morphological structures, internal, external, and emitted chemical compounds, phenology, or tolerance. This study focus on the direct and indirect interactions between the host plant Adenostyles alliariae, systemic infections of the rust Uromyces cacaliae, and attacks by the alpine leaf beetles Oreina elongata and Oreina cacaliae. In the harsh conditions of their high alpine habitats, their relations are likely to be particularly intense, due to the very short period of activity as well as to the specificity of the defence strategy used by the Oreina leaf beetles. The involvement of pyrrolizidine alkaloids (PAs), secondary compounds produced by the plant and sequestered by the leaf beetles for their own defence, increases the potential consequences of these three-way interactions beyond those typically considered. Field trials in four populations across the Swiss and Italian Alps were combined with laboratory experiments and chemical analyses to examine the influence of each protagonist on the others. The results show that the tripartite interactions affect all three participants, with implications for their behaviour, phenology, life cycle, fitness, population dynamics, and distribution. Negative impacts seem to prevail, while concrete positive interactions are weak and not sufficient to explain the apparent continuity of this system. Nonetheless, a mix of defences, avoidance and tolerance to the presence of the other members seems to be basis of their coexistence.
  • Publication
    Accès libre
    Transgene products in honeydew: estimating risks for non-target insects
    (2006)
    Hogervorst, Petronella Alida Maria
    ;
    Rahier, Martine 
    Insect-resistant genetically modified (GM) crops could harm organisms other than the pests targeted by the toxin. These so-called non-target organisms include parasitoids and predators that are important for natural pest regulation, which could be exposed to the expressed insecticidal proteins through feeding on transgenic plant tissue or through feeding on target or non-target herbivores containing the transgene product. In this thesis, honeydew excreted by phloem-feeding insects is addressed as an additional route of exposure to insecticidal proteins. Since honeydew is commonly used by insects as a sugar source, a broad range of non-target organisms could potentially be exposed to transgene products. The importance of this exposure route was studied for GM wheat expressing snowdrop lectin (Galanthus nivalis agglutinin, GNA) to control phloem-feeding insects, such as aphids. Since risk is defined by both hazard and exposure, these aspects were studied for GNA-containing honeydew. Three predator species (Adalia bipunctata, Coccinella septempunctata and Chrysoperla carnea) were tested for their sensitivity towards GNA. Longevity of the species studied was directly affected by GNA dissolved in a sucrose solution. This was confirmed by the fact that digestive enzymes in the guts of the predator larvae were unable to break down GNA. Whilst A. bipunctata and C. septempunctata excreted most of the GNA, C. carnea accumulated the toxin in the gut since they are not able to excrete faeces. Moreover, GNA was found to bind to glycoproteins in the gut, being a prerequisite for its toxicity, and transferred into the insects’ haemolymph. As a first step in studying honeydew as an exposure route, the nutritional suitability of honeydew from three aphid species feeding on potato or wheat plants was investigated for the aphid parasitoid Aphidius ervi. The different honeydews were all relatively suitable food sources for adult parasitoids, but not always as suitable as a sucrose solution. The sugar composition of the honeydews differed significantly among the three aphid species on both potato and wheat. Multivariate analysis showed that small differences in parasitoid longevity could to some extent be explained by honeydew sugar composition, indicating that sugar composition is an important factor in determining the nutritional quality of honeydew. When sensitivity towards GNA was tested for adult A. ervi, a direct dose-dependent effect on longevity was found. To study GNA-exposure through honeydew, the aphid Rhopalosiphum padi was fed on a GNA-containing artificial diet. Honeydew collected from these aphids contained 10-40% of the GNA concentration that was present in the aphid diet. When feeding on this honeydew, A. ervi suffered a reduction in longevity that was more pronounced than was to be expected based on the detected GNA concentration in the honeydew. Analysis of carbohydrate and amino acid composition revealed that a change in honeydew composition caused by a GNA-effect on the aphids could be a possible explanation for the additional reduction in parasitoid longevity. Honeydew from aphids feeding on GNA-expressing wheat did not affect the longevity of A. ervi compared to honeydew from non-transformed wheat plants, which was probably due to low GNA expression levels in the plants. In order to establish the importance of honeydew feeding for adult aphidophagous insects, aphid parasitoids, hoverflies and green lacewings were collected in wheat fields. Analyses of the insects’ sugar profiles revealed that the majority of the insects had recently consumed sugars. Especially the two green lacewing species (Chrysoperla lucasina and C. carnea) were found to be at a high nutritional state. Recent honeydew feeding was detected in 35% of the hoverflies (Episyrphus balteatus) and 63% of the parasitoids (Aphidius spp.) that had been classified as having consumed sugars. These results demonstrate that aphid honeydew is an important food source for aphid parasitoids, and to a lesser extent for hoverflies, in wheat fields. To assess if honeydew consumption could be important for omnivorous predators, it was studied whether C. carnea larvae use honeydew as a food source in the presence of aphids, their preferred prey. Both in a choice and a no-choice situation, it was found that honeydew was utilized by the larvae, but to a lesser extent than aphids. Furthermore, previous feeding on aphids or honeydew reduced the subsequent consumption of honeydew. Having shown that GNA in honeydew poses a hazard for a range of non-target insects and that predators and parasitoids will be exposed to GNA in honeydew, this thesis demonstrates that transgene products in honeydew pose a risk for honeydew-feeding non-target insects. This route of exposure should thus be considered in future risk assessment of transgenic plants expressing phloem-transported insecticidal compounds.
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    Accès libre
    Host-Plant Use in the Specialist Leaf Beetle Oreina gloriosa : the Role of Linear Furanocoumarins
    (2004)
    Nessi, Luca
    ;
    Rahier, Martine 
    ;
    Tabacchi, Raffaele 
    ;
    Küpfer, Philippe 
    ;
    Städler, Erich
    La chrysomèle alpine Oreina gloriosa (Coleoptera: Chrysomelidae) est hautement spécialisée sur l'ombellifère Peucedanum ostruthium (Apiaceae), l'impératoire. Dans la nature, adultes et larves sont très sélectifs: les uns et les autres se nourrissent exclusivement de feuilles, mais surtout, ils choisissent certaines plantes et en ignorent complètement d'autres. En outre, des études préliminaires ont suggéré que les larves soient actives la nuit. Comme de nombreuses autres apiacées, P. ostruthium synthétise plusieurs furanocoumarines linéaires, métabolites secondaires décrits pour leur activité antiappétante et/ou toxique à l'égard d'insectes phytophages généralistes. Par ailleurs, les furanocoumarines linéaires sont connues pour leur action phototoxique: le rayonnement ultraviolet proche du spectre visible induit chez ces substances une excitation électronique qui peut déterminer différents processus toxiques au niveau cellulaire. Le but de cette étude a été de vérifier l'hypothèse selon laquelle la chimie secondaire de P. ostruthium constituerait un facteur explicatif de l'utilisation de la plante hôte par la strictement monophage O. gloriosa. Toute la recherche a été menée au sein d'une seule population de la plante et de la population du coléoptère qui lui est inféodée.

    Dans un premier temps, nous avons étudié le rythme d'activité de la chrysomèle sur les 24 heures dans son mileu. Ce travail a révélé que les larves se nourrissent exclusivement pendant la nuit et s'enfoncent dans le sol pendant le reste de la journée. Certaines jeunes larves se retirent dans les gaines ou les bourgeons. Au contraire, les adultes ont été observés sur les plantes pendant les 24 heures. Nous avons ensuite vérifié si la croissance larvaire était affectée par la photoactivation des furanocoumarines. Pour cela, les larves ont été placées dans deux environnements lumineux, avec et sans rayonnement ultraviolet. La mortalité a été plus grande dans le deuxième traitement: nous n'avons néanmoins pas pu tirer de conclusions définitives sur l'effet de la photoactivation des furanocoumarines. Dans un travail de terrain, nous avons montré que les invertébrés antagonistes de O. gloriosa sont essentiellement actifs pendant la nuit. Au vu du chevauchement entre les périodes d'activité de la chrysomèle et de ses prédateurs, nous suggérons que les ennemis naturels ne constituent pas la raison d'être du comportement des larves. Nous proposons que l'activité nocturne représente une contre-adaptation à la photoactivité des furanocoumarines. Il s'agirait alors d'un rare exemple d'adaptation comportementale chez un insecte spécialisé sur une plante hôte avec furanocoumarines linéaires. En effet, les insectes avec un régime alimentaire strictement lié à ces métabolites secondaires, disposent en général de moyens de détoxification métaboliques. La différence comportementale entre larves et adultes est probablement liée à l'épaisseur et à la pigmentation de la cuticule imaginale, vraisemblablement opaque à la lumière ultraviolette.

    Nous avons également vérifié l'hypothèse selon laquelle O. gloriosa dans la nature sélectionnerait les plantes en fonction de leur attributs chimiques. Nous avons échantillonné des plantes fortement consommées et des plantes libres de toute attaque d'O. gloriosa. Les feuilles ainsi récoltées ont été extraites et analysées par chromatographie liquide pour déterminer la composition qualitative et quantitative en furanocoumarines linéaires. La chimie secondaire a permis de bien discriminer plantes consommées et non consommées. O. gloriosa est probablement à même de reconnaître certaines de ces substances comme signaux ou elle est en mesure de mieux en tolérer certaines plutôt que d'autres dans leur action toxique. De toute façon, la chimie secondaire explique, du moins en partie, l'utilisation de la plante hôte par ce coléoptère strictement monophage au sein d'une population de sa plante nourricière. Cet exemple révèle la nécessité d'approfondir l'investigation, trop souvent négligée, du rôle de la variation chimique intrapopulationnelle dans les études concernant la convenance de l'hôte pour des insectes spécialistes., The alpine leaf beetle Oreina gloriosa (Coleoptera: Chrysomelidae) is highly specialized on the umbelliferous plant Peucedanum ostruthium (Apiaceae). Adults and larvae feed on leaves and clearly discriminate between individual plants in nature. Preliminary studies suggested that the larvae are active at night. Like many other apiaceous plants, P. ostruthium produces several linear furanocoumarins, secondary metabolites shown to be deterrent and/or toxic to generalist herbivorous insects. Moreover, linear furanocoumarins are well known as phototoxins: when irradiated with long-wave ultraviolet light, these compounds enter an excited state which can mediate different within cell toxic processes. The aim of the present thesis was to verify the hypothesis that the secondary chemistry of P. ostruthium is a factor explaining the actual host-plant use by the strictly monophagous O. gloriosa. All of our work concentrated on a single plant population and its affiliated beetle population.

    We firstly investigated the daily activity rhythm of the beetles in the field. Larvae have been shown to feed exclusively at night and to burrow into the soil for the remainder of the day. Some young larvae hid within sheaths or buds during daylight. In contrast, adults were found on the plants over the 24 hours. We further verified if the performance of the larvae was affected by the photoactivation of the linear furanocoumarins. Larvae were forced to remain in two different light environments, with and without ultraviolet radiation. O. gloriosa was shown to suffer higher mortality when forced under light with ultraviolet radiation. Nonetheless, we were not able to draw definitive conclusions on the effect of the furanocoumarin photoactivation. In a field study, we showed that invertebrate natural enemies of O. gloriosa are mainly active at night. Because of the congruence in time between the beetle and the predators activities we suggest that natural enemies should not be considered as a driving force for the larval night behaviour. We propose that night activity counteracts the photoactive furanocoumarins and should be considered a rare example of behavioural adaptation in a linear furanocoumarin-specialized insect. In fact, specialists are reported to rely on metabolic detoxification. The difference in the behaviour between larvae and adults may be related to the thick and pigmented cuticle of the latter, probably opaque to ultraviolet light.

    Finally we tested the hypothesis that individual plants remain free from O. gloriosa attack due to their chemical attributes. Samples of plants hosting actively feeding O. gloriosa (strongly consumed leaves) and plants exhibiting no damage (unattacked leaves) were collected in the field and examined by HPLC for their qualitative and quantitative linear furanocoumarin composition. The secondary chemistry allowed us to clearly segregate attacked and unattacked plants. We suggest that plant chemistry, relative to the ability of O. gloriosa to tolerate or recognise plant chemicals, can to some extent explain the host use of this monophagous leaf beetle within a population of its host plant. This shows the need for further work on the neglected impact, for specialists, of intrapopulation variation in secondary chemistry on host suitability., Il crisomelide alpino Oreina gloriosa (Coleoptera: Chrysomelidae) è altamente specializzato sull'ombellifera Peucedanum ostruthium (Apiaceae), l'imperatoria vera o erba rena. Adulti e larve in natura sono estremamente selettivi: gli uni e le altre si nutrono solo di foglie, ma distinguono tra le singole piante cibandosi di alcune e trascurandone completamente altre. Inoltre indagini preliminari hanno suggerito che le larve siano attive di notte. Analogamente ad altre ombellifere, P. ostruthium contiene varie furanocumarine lineari, metaboliti secondari con effetto deterrente e/o tossico per insetti fitofagi generalisti. Le furanocumarine lineari sono pure note per la loro fototossicità: la luce ultravioletta di lunghezza d'onda vicina allo spettro visibile induce in queste sostanze un'eccitazione elettronica che può provocare vari processi tossici a livello cellulare. La nostra tesi aveva lo scopo di verificare l'ipotesi secondo cui la chimica secondaria di P. ostruthium spiegherebbe l'utilizzazione della pianta ospite - così come l'osserviamo oggi - da parte dello specialista O. gloriosa. Per l'insieme della ricerca ci siamo concentrati su una singola popolazione della pianta e sulla popolazione dell'insetto ad essa legata.

    Per prima cosa abbiamo studiato il ritmo di attività dei coleotteri in natura. Abbiamo mostrato che le larve si nutrono esclusivamente di notte e passano il resto della giornata nel suolo. Alcune giovani larve si ritirano dentro le guaine o i germogli. Gli adulti invece sono presenti sulle piante durante tutte le 24 ore. In una ricerca successiva abbiamo verificato se la crescita larvale sia compromessa dalla fotoattivazione delle furanocumarine lineari. Abbiamo tenuto le larve in due distinti ambienti luminosi, con e senza radiazione ultravioletta. Quest'ultima ha determinato una maggiore mortalità di O. gloriosa, tuttavia non siamo stati in grado di formulare conclusioni definitive sull'effetto della fotoattivazione. Un lavoro sul campo ha mostrato che gli invertebrati antagonisti del crisomelide sono essenzialmente attivi di notte. Dato che i periodi di attività di O. gloriosa e dei suoi predatori si sovrappongono, suggeriamo che i nemici naturali non costituiscano il fattore selettivo all'origine del comportamento notturno delle larve. Proponiamo che questa limitazione notturna nell'attività trofica rappresenti un'acquisizione adattativa contro la fotoattività delle furanocumarine. Si tratterebbe allora di un raro esempio di adattamento comportamentale in un insetto specializzato su una pianta contenente furanocumarine lineari. In effetti, in generale gli insetti con un regime alimentare strettamente legato a queste sostanze dispongono di strumenti di detossificazione metabolici. La differenza comportamentale tra larve e adulti potrebbe essere ricondotta al tegumento spesso, colorato e probabilmente opaco alla luce ultravioletta di questi ultimi.

    Abbiamo infine verificato l'ipotesi secondo cui la chimica secondaria determinerebbe l'idoneità delle singole piante per la crescita di O. gloriosa. Abbiamo proceduto ad un campionamento sul campo di piante fortemente consumate e di piante prive di qualsiasi segno d'attacco del crisomelide. Le foglie così raccolte sono state estratte e analizzate con la cromatografia liquida per determinare la composizione qualitativa e quantitativa delle furanocumarine. La chimica secondaria ha permesso di ben caratterizzare le piante consumate rispetto a quelle non utilizzate. O. gloriosa è probabilmente in grado di riconoscere talune di queste sostanze quali segnali o di tollerarne alcune piuttosto di altre nella loro azione di tossine. In ogni caso, la chimica secondaria permette di spiegare perlomeno in parte l'utilizzazione della pianta in seno ad una popolazione da parte di questo coleottero altamente specializzato. Questo risultato rivela l'interesse di ulteriori ricerche su un aspetto spesso ignorato quale è l'impatto, per artropodi specialisti, della variazione intrapopolazionale nella chimica secondaria sull'idoneità della pianta ospite.
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    Local adaptations in an alpine leaf beetle
    (2003)
    Margraf, Nicolas
    ;
    Rahier, Martine 
    L'adaptation locale ainsi que la spécialisation sur un hôte ont souvent été considérés comme les fruits de l'action combinée de trois forces : la sélection naturelle, la dérive génétique et le flux génique. Chez les insectes phytophages, la relation entre l'herbivore et sa plante hôte est si intime que les pressions de sélection entraînant la spécialisation de l'insecte, ne sont souvent envisagées qu'au travers de la plante. Dans notre étude, nous avons examiné les adaptations locales chez la Chrysomèle alpine Oreina elongata dont les populations présentent un sélection variable des quatre plantes hôtes connues chez ce coléoptère. Nous avons testé plusieurs caractères susceptible de révéler des adaptations locales liées à plantes hôtes et qui participent au processus de spécialisation. Nous n'avons pas mis en évidence de différence entre les populations quant aux performances larvaires, ni aux préférences d'oviposition qui puissent être attribuées à l'utilisation d'un certain type de plante en nature. Cependant, nous avons mis en lumière des adaptations comportementales des populations présentant plusieurs type d'hôtes qui permettent aux larves de ces dernières de bénéficier des avantages liés à l'utilisation de plusieurs hôtes. Dans une étude génétique comprenant 13 populations et mettant en œuvre des marqueurs microsatellites, nous avons montré la forte structuration génétique des populations d'O. elongata, ce qui nous a permis de désigner la dérive génétique comme facteur principal de différentiation génétique entre populations. L'affiliation géographique s'est révélée être bien plus fortement corrélée avec les différences génétiques que l'utilisation d'un type de plante. Les groupes formés par les populations se sont démontrés monophylétique et correspondent aux sous-espèces confirmant ainsi la différentiation morphologique en sous-groupe. Nous avons pu rejeter l'idée d'une spécialisation liée à la plante hôte chez O. elongata et nous avons conclu que les facteurs qui sont susceptibles de conduire cette espèce dans un processus de spéciation sont des forces de sélection indépendantes des plantes hôtes mais qui comprennent un phénomène de dérive génétique souligné par un flux génique faible., Local adaptation and host specialization is often seen as the result of the balance between three major forces: natural selection, genetic drift and gene flow. In phytophagous insects, the relationship between the insect and its host plant is so intimate that the selective pressures leading to local adaptation are often seen as being related to host plant use only. In this study, we investigate local adaptation in populations of the alpine leaf-beetle Oreina elongata that differ in the availability of the four host plant of the species. We tested several traits that are susceptible to adapt according to the host plant locally available and that are known mechanisms of specialization. We found no differences among populations in larval performance and oviposition preferences that were attributable to differences in host plant use in the field. However, we revealed a behavioural adaptation of a two host population that allows individuals to take advantage of the presence of both plants at this location. A genetic survey using microsatellite markers on 13 populations of the species showed a highly genetically structured distribution and designated genetic drift as the main factor in population genetic differentiation. Instead of host plant use, regional affiliation turned out to be strongly correlated to genetic differences. Populations perfectly clustered according to their subspecies, therefore confirming previous morphological work. We can then dismiss the idea of host plant specialization in O. elongata and conclude that the factors that may ultimately drive O. elongata towards a speciation event are selective forces independent of host plant use but genetic drift supported by very weak gene flow.
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    Accès libre
    Biology, behaviour and taxonomy of two Oleria onega subspecies (Ithomiinae, Nymphalidae, Lepidoptera) in north-eastern, Peru
    (2002)
    Gallusser, Stéphanie Astrid
    ;
    Rahier, Martine 
    Oleria onega agarista (Felder , Oleria onega agarista (Felder