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Turlings, Ted
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- PublicationAccès libreTritrophic interactions : possible host-plants effects on the resistance of "Diabrotica" pests to natural enemies(2021)
; La sous-tribu Diabroticina de chrysomèles comprend de nombreux ravageurs importants des cultures agricoles et horticoles dans les Amériques, tels que le maïs et le concombre. L'une des espèces les plus dévastatrices, la chrysomèle des racines de maïs Diabrotica virgifera virgifera (WCR), est également un ravageur envahissant en Europe. Pour ce ravageur et les espèces de Diabrotica apparentées, le développement d'une lutte biologique efficace est nécessaire de toute urgence, et pour cela, des connaissances supplémentaires sur les interactions tri-trophiques entre Diabrotica, leurs plantes hôtes et leurs ennemis naturels sont nécessaires. Dans cette thèse, j’ai exploré les adaptations des ravageurs Diabrotica à leurs plantes hôtes avec leurs composés défensifs, et évalué l’éventuelle protection que les larves de Diabrotica obtiennent après l'ingestion de ces métabolites secondaires des plantes. Au cours d'échantillonnages sur le terrain au Mexique, j’ai observé que le parasitisme des coléoptères Diabroticina adultes par des parasitoïdes est minime (Chapitre I), mais j’ai constaté que les larves peuvent être infectées avec succès par des nématodes entomopathogènes (EPN) adaptés (Chapitre II). Des isolats d'EPN hautement infectieux collectés dans des champs de maïs mexicains pourraient être des candidats prometteurs pour contrôler WCR en Europe. Ces isolats et/ou leurs bactéries endosymbiotiques pourraient être adaptés à l'arsenal de défense déployé par les larves de WCR, qui comprend la séquestration des benzoxazinoïdes du maïs, mais des stratégies inconnues supplémentaires semblent également être impliquées. Les larves du généraliste Diabrotica balteata ne séquestrent pas des benzoxazinoïdes après s'être nourries des plantes de maïs et semblent moins capables de résister aux infections à EPN que les WCR. Cependant, elles sont capables de séquestrer des cucurbitacines après avoir mangé des plantes de concombre (Chapitre III). J'ai fourni des preuves solides que les larves de D. balteata peuvent transformer et séquestrer les cucurbitacines des plants de concombre. Cependant, je n'ai trouvé aucune preuve que les cucurbitacines séquestrées puissent protéger les larves de l'infection par des EPN, ni de l'attaque par des insectes prédateurs, des champignons entomopathogènes ou des bactéries. La performance des larves n'a pas non plus été affectée positivement par la teneur en cucurbitacines des tissus végétaux qu'elles ont consommées, d'où la signification adaptative de la séquestration de cucurbitacines reste à élucider. Curieusement, j’ai observé que les larves de D. balteata se nourrissent activement de tissus au-dessus de la surface, tels que tiges, cotylédons et feuilles, ce qui m’a incité à étudier si ce comportement procure des avantages et si d'autres espèces de Diabrotica ont un comportement similaire (Chapitre IV). Les larves de D. balteata, D. undecimpunctata et D. virgifera, normalement décrites comme larves de racines, se sont toutes avérées capables de se nourrir de feuilles ainsi que de racines de différentes plantes agricoles contenant des métabolites secondaires distincts. Pourtant, leurs performances et leur sensibilité à l'infection par des EPN n’ont pas été affectées différemment par le tissu que les larves avaient consommées. Ensemble, ces résultats contribuent à une meilleure compréhension de l'impact des métabolites secondaires des plante hôte ingérés par des insectes herbivores sur le troisième niveau trophique. Le succès des espèces de Diabrotica en tant que ravageurs des cultures semble être lié à leurs caractéristiques uniques pour survivre dans un environnement imprévisible en se nourrissant de différentes plantes et tissus, faisant face avec succès à une grande variété de composés de défense des plantes, qui dans certains cas peuvent fournir une protection contre les ennemis naturels. J’émet l'hypothèse que les larves de Diabrotica se nourrissant de maïs sont capables de détoxifier les benzoxazinoïdes, et discute de l'origine et de l'importance adaptative de la séquestration de cucurbitacines par les espèces de Diabrotica, qui ne semblerait pas liée à la défense contre les ennemis naturels. Enfin, les isolats d'EPN obtenus, ainsi que les nouvelles connaissances sur le comportement alimentaire des larves de Diabrotica rapportées dans cette thèse, contribueront, espérons-le, au développement de stratégies de biocontrôle nouvelles et efficaces contre les ravageurs du genre Diabrotica. ABSTRACT The subtribe Diabroticina of chrysomelid beetles includes many important pests of extensive and horticultural crops in the Americas, such as maize and cucumber. One of the most devastating species, the western corn rootworm Diabrotica virgifera virgifera (WCR), is also an invasive pest in Europe. For this and related Diabrotica pests, the development of efficient biological control is urgently needed, and for this further knowledge on tritrophic interactions of Diabrotica, their host plants and their natural enemies is required. In this thesis, I explored the adaptations of Diabrotica pests to their host plants and the plants’ defensive compounds, and evaluated the possible protection that Diabrotica larvae derive from ingesting these plant secondary metabolites. During field surveys in Mexico, I observed that parasitism of adult Diabroticina beetles by parasitoids is minimal (Chapter I), but found that the larvae can be successfully infected by adapted entomopathogenic nematodes (EPN) (Chapter II). Highly-infective EPN isolates collected in Mexican maize fields could be promising candidates to control the maizespecialist WCR in Europe. These isolates and/or their endosymbiotic bacteria may have adapted to the defense arsenal deployed by WCR larvae, which includes the sequestration of maize benzoxazinoids, but additional unknown strategies seem to be also involved. Larvae of the generalist Diabrotica balteata do not sequester benzoxazinoids after feeding on maize and seem to be less able to resist EPN infections than WCR. However, they are able to sequester cucurbitacins after feeding on cucumber plants (Chapter III). I provided strong evidence that D. balteata larvae can transformation and sequester cucurbitacins from cucumber plants. However, I found no evidence that the sequestered cucurbitacins can protect the larvae from infection by EPN, nor from the attack by insect predators, entomopathogenic fungi or bacteria. Larval performance was also not positively affected by cucurbitacin contents in plant tissues that they consumed, hence the adaptive significance of cucurbitacin sequestration remains to be unraveled. Surprisingly, the D. balteata larvae were observed to actively forage on aboveground tissues, which prompted us to study whether this behavior provides any benefits and if other Diabrotica species do the same (Chapter IV). Larvae of D. balteata, D. undecimpunctata and D. virgifera were all found to be able to feed on leaves as well as roots from different agricultural plants that contain distinct secondary metabolites. Yet, their performance and the susceptibility against EPN infection were not differentially impacted by the tissue that the larvae had fed on. Taken together, these results contribute to a better understanding of the impact of host plant secondary metabolites ingested by insect herbivores on the third trophic level. The success of Diabrotica species as crop pests seems to be related to their unique traits to survive in an unpredictable environment by feeding on different plants and tissues, successfully coping with a wide variety of plant defense chemicals, which in some cases may provide protection against natural enemies. I hypothesize that maize- feeding Diabrotica larvae may be able to detoxify benzoxazinoids, and discuss the origin and adaptive significance of cucurbitacin sequestration by Diabrotica species, which appears not to be related to defense against natural enemies. Finally, the isolates of EPN obtained, as well as the new insights on the aboveground feeding behavior by Diabrotica larvae reported in this thesis, will hopefully contribute to the development of novel and effective biocontrol strategies against Diabrotica pests. - PublicationAccès libreInteractions between cotton plants mediated by volatile organic compounds : prospects for pest control ?(2020)
; Le coton (Gossypium spp.) est la plante modèle la plus étudiée à cause de son énorme importance économique. En effet, ce genre est cultivé partout dans le monde, principalement pour ses fibres, mais aussi comme fourrage et huile de cuisson. Comme toutes les plantes, le coton interagit de manière bénéfique ou antagoniste avec plusieurs organismes grâce à différents traits développés au cours de l’évolution. Pour protéger et augmenter la performance des cultures de coton, plusieurs stratégies de lutte contre les ravageurs sont aujourd’hui appliquées. Par exemples, des pesticides, herbicides et fertilisants sont utilisés intensivement sur le coton. De plus, des variétés énétiquement modifiées ont été créées afin de les rendre résistantes contre les ravageurs ou tolérantes aux herbicides. Bien que ces techniques donnent un retour rapide en termes économiques, le développement des traits de résistances des ravageurs, l’affaiblissement des défenses naturelles des plantes, la pollution environnementale due aux produits agrochimiques et les effets imprévisibles liés à l’utilisation de cultures génétiquement modifiées, ont mis en exergue l’urgent besoin de stratégies alternatives plus respectueuses de la nature. Cette nécessité prend tout son sens à la lumière de l’activité humaine, qui aujourd’hui facilite extrêmement l’introduction et la dispersion d’organismes invasifs. Des plans de contrôle biologique et des stratégies de lutte intégrée contre les ravageurs (IPM) ont été lancés dans cette voie, mais il y a encore une grande marge de progression à réaliser avant de connaître et rejoindre le potentiel total de ces stratégies. Par exemple, une compréhension plus complète des défenses naturelles, directes, indirectes et inductibles des plantes contre les insectes et les pathogènes est essentielle. Des études sur les défenses indirectes des plantes ont montré que les composés organiques volatiles (COVs) émis par une plante attaquée par des herbivores sont capables d’attirer les ennemis naturels des ravageurs et de repousser ces derniers. De plus, les COVs peuvent être utilisés comme signaux d’alerte par des parties intactes de la plante elle-même ou d’une plante voisine, résultant en un effet de « priming » pour des défenses améliorées en cas d’attaque future.Des études récentes suggèrent que ce « priming » des individus voisins a un grand potentiel d’application dans le renforcement de la résistance aux ravageurs du coton. Cependant, les mécanismes à la base de ce phénomène sont encore mal connus. Le but de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension des rôles des COVs dans l’interaction entre les plantes de coton, en mettant en lumière les mécanismes biochimiques et moléculaires sous-jacent des phénomènes de “priming” et d’induction des défenses. Via différentes expériences, en exposant des plantes aux COVs, il a pu être prouvé que ces derniers peuvent changer la physiologie de la plante, en activant l’expression des gènes de défense et en altérant les niveaux des phytohormones et des métabolites secondaires de défense. Ces changements ont mené à une augmentation des émissions des COVs par les plantes exposées et ont réduit l’attraction des chenilles envers ces mêmes plantes. Ces changements sont spécifiques au génotype de la plante et semblent être dus aux COVs émis par le coton après une infestation prolongée des chenilles (COVs inductibles). Cette dernière hypothèse est basée sur les résultats d’une expérience ou nous avons exposé des plantes à des COVs émis par des plantes avec des dégâts frais ou avec des dégâts plus vieux. L’importance des différentes classes d’odeurs a également été testés en exposant des planes à plusieurs combinaisons de versions de synthèse et authentiques de certains COVs. Malheureusement, à cause de la grande variance et les difficultés dans le contrôle du taux d’émission des distributeurs d’odeur, il n’a pas été possible d’identifier le simple ou groupes de COVs responsable(s) pour l’activation des défenses dans les plantes voisines L’hypothèse qu’une plante intacte nécessite soit un bouquet d’odeurs complet et naturel, soit un ratio spécifique entre certains composés ou bien d’autres composés non-testés pour activer une réponse de défense a donc été émises. De plus, lors de l’analyse de feuilles de coton collectées dans des champs de culture avec des plantes endommagées mécaniquement (i.e. écimage) ou intactes, nous avons observé comme les composés organiques volatiles émis par les plantes endommagées peuvent induire la production de certains composés de défense dans la plante elle-même et parfois dans la plante voisine également. Cette thèse met en lumière le potentiel d’utilisation de certaines composés organiques volatiles pour le développement d’une nouvelle stratégie IPM visée à augmenter la résistance du coton aux ravageurs. Toutefois, de plus amples investigations sont nécessaires pour identifier des composés spécifiques puissants qui pourraient être in fine appliqué et protéger activement le coton. ABSTRACT Cotton (Gossypium spp) is one of the most studied plants in the world due to its great economic importance. This highly valuable crop is cultivated worldwide primarily to produce textile fibers and, to a lesser extent, for animal forage and cooking oil production. As for all plants, cotton is involved in several beneficial and antagonistic interactions and in nature it has evolved several direct and indirect defenses to ward off antagonists and to facilitate beneficial interactions. To protect and enhance the performance of cultivated cotton, various pest-management strategies are currently applied. For instance, pesticides, herbicides and fertilizers are intensively used in cotton cultivation. In addition, genetically modified varieties have been created in order to tolerate herbicides or enhance resistance to pest insects. Although these techniques result in short term economic returns, development of resistance in pests, weakening of natural plant defenses, environment pollution with agrochemicals, and unpredictable effects of introducing genetic modified crops, have increased the need for alternative, more environmentally friendly pest control strategies. This need is further enhanced by human activities that facilitate the introduction and dispersal of non-native invasive organisms. To fight these pests, bio-control and integrated pest management (IPM) strategies have been proposed, but much knowledge is lacking to achieve the full potential of these strategies. For instance, a comprehensive understanding of the plant’s direct and indirect inducible defenses against insects and pathogens under natural conditions is essential. Studies on indirect plants defenses have shown that volatile organic compounds (VOCs) emitted by herbivore-attacked plants, are able to attract the natural enemies of pests and may repel pests. Moreover, these herbivore-induced plant volatiles (HIPVs) may also serve as signals that alert undamaged leaves and neighboring plants to incoming attack and may prime them for enhanced defense induction. Recent studies suggest that this priming of neighbors has potential for application, by enhancing pest resistance in cotton, but the underlying mechanisms are still poorly understood. The aim of my thesis was to contribute to a better understanding of VOC-mediated signaling among cotton plants by elucidating the biochemical and molecular mechanisms that are involved in priming and/or induction. With a number of controlled plant exposure experiments I could show that cotton HIPVs change the physiology of receiver plants by means of defense-related gene activation, changes in plant hormones levels, as well as increases in levels of secondary metabolites. These changes resulted in increased VOC emissions by receiver plants and reduced palatability of the plants to caterpillar pests. These changes were found to be plant genotype-specific and seem to be mainly driven by VOCs that are emitted in the later stage of the caterpillar infestations (inducible volatiles). This notion was based on an experiment where plants were exposed to the volatiles of relatively freshly damaged plants or of plants with older damage. We further tested the importance of the different classes of volatiles by exposing plants to different sets of authentic, pure versions of VOCs. Unfortunately, due to high variation and difficulties in controlling dispenser emission rates, we could not determine single or group of compounds responsible for defense induction in neighboring plants. We hypothesized that intact plants may require a full natural blend, a specific ratio or other non-tested compounds in order to activate defense responses. Furthermore, we also analyzed field-collected leaves from plots with and without mechanically damaged (i.e. topped) plants and we could confirm that damage-induced volatiles can enhance the production of defense compounds in the plant itself and in neighboring plants. This thesis highlights the potential using volatile-mediated interactions among cotton plants for the development of a novel IPM strategy that enhances cotton resistance to pests. Still, further studies are required in order to identify potent volatiles compounds that may eventually be applied for cotton protection. - PublicationAccès libreFrom Asia to Europe: evaluation of parasitoids for the biological control of the invasive fruit pest "Drosophila suzukii"(2018)
- PublicationAccès libreThe mate-seeking strategies of four braconid parasitoids (Hymenoptera: Braconidae)(2017)
- PublicationAccès libreFactors that determine the effectiveness of entomopathogenic nematodes in combination with other beneficial soil organisms to control root herbivores(2017)
Cette thèse explore comment les facteurs abiotiques (e.g. texture et humidité du sol) et biotiques (e.g. bactéries associées aux racines) affectent l’émission et la fonction de un volatile de racines induis par des herbivores E-(β)-caryophyllene, un attracteur d’EPN, chez les plantes de maïs. De plus, nous avons examiné comment l’application simple et combinée d’EPN, Pseudomonas bacteria, ainsi que les AMF, peuvent augmenter les performances de culture de blé dans des conditions réalistes de terrain, et suivis leur persistance après augmentation.
En utilisant des analyses de chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse, nous avons trouvé que la E-(β)-caryophyllene se diffuse mieux lorsque l’humidité est élevée dans les sols agricoles (20%), ce qui est l’opposé du sable pur, où la diffusion est meilleure dans des conditions plus sèches. Nous avons aussi mis en évidence que ce signal produit par les racines recrute les EPN Heterorhabditis megidis de manière plus efficace dans un sol limon-argileux comparé aux autres types de sol (Chapitre 1). De plus, nous avons découvert que la colonisation des racines par les bactéries Pseudomonas protegens CHA0 augmentent l’émission de E-(β)-caryophyllene de racines de maïs infestées par D. balteata. Cela fut confirmé grâces aux analyses de qPRC de l’expression des gènes responsables de la synthèse de terpene Zm-tps23 dans les racines de maïs. Les larves de D. balteata avaient tendance à prendre plus de poids et à causer plus de dégâts quand elles se nourrissaient durant trois jours sur des racines colonisées par P. protegens CHA0, alors que la tendance opposée a été observée pour les larves se nourrissant de racines colonisées par P. chlororaphis PCL, résultant en un niveau plus bas de dégâts infligés aux racines (Chapitre 3).
Lors d’expériences de terrains avec du blé, nous avons trouvé que, après application, les EPN, les bactéries Pseudomonas, et les AMF persistent dans le sol jusqu’à la fin de la saison de culture, malgré un déclin considérable des populations au cours du temps. Des applications simples de P. protegens CHA0 et P. chlororaphis PCL, ainsi qu’en combinaison avec les EPN H. bacteriophora ont augmenté la survie des jeunes plantes lorsqu’elles étaient infestés avec des larves de frit flies et mouches de Hesse. De plus, les combinaisons avec P. protegens CHA0, P. chlororaphis PCL et H. bacteriophora ont conduit à une augmentation significative de la production de graines de blé en condition d’attaque de flies. La survie des jeunes plantes, sous attaque d’insecte, avait tendance à être supérieure dans les traitements inoculés avec des AMF Rhizoglomus irregulare (Chapitre 2).
Finalement, lors d’une expérience avec des pots, nous avons testé l’efficacité de certaines combinaisons d’EPN et de bactéries associées aux racines afin de lutter contre les larves de D. balteata dans la rhizosphère de plantes de courge. Nous avons seulement trouvé une différence marginale parmi les traitements. La combinaison de P. protegens et H. bacteriophora, les bactéries peuvent présenter un effet antagoniste contre les EPN et/ou leur bactéries entériques. H. bacteriophora seul a entraîné une plus haute mortalité que les bactéries P. protegens CHA0. La combinaison de P. chlororaphis PCL avec des EPN Steinernema feltiae a augmenté la mortalité des larvae compare avec le traitement avec P. chlororaphis PCL seul. Cependant, la mortalité des larves dans le traitement combinant S. feltiae et P. chlororaphis n’était pas différent de la mortalité observée avec S. feltiae seul., Belowground ecosystems are inhabited not only by organisms that represent a threat to plants (e.g. root herbivores and pathogens), but also by organisms that provide protection to these antagonists (e.g. entomopathogenic nematodes, mychorrizal fungi and root associated bacteria). Herbivore-induced root volatiles, such as the sesquiterpene E-(β)-caryophyllene, are an indirect defense in maize plants that attract entomopathogenic nematodes to their host habitat. Entomopathogenic nematodes (EPN) readily infect and kill root herbivores, such as the voracious maize pest D. virgifera virgifera, thereby providing protection to the emitting the plant. Certain root-associated bacteria of the genus Pseudomonas also benefit plants by promoting growth, suppressing pathogens or inducing systemic resistance (ISR). Some Pseudomonas strains also have insecticidal activity. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are beneficial symbionts that colonize the roots of the majority of land plants, promote water and nutrients uptake in their host plant and contribute to enhance tolerance of their host plants to biotic and abiotic stresses.
This thesis explores how abiotic (e.g. soil texture and moisture) and biotic (e.g. root-associated bacteria) factors affect the emission and function of the herbivore-induced root volatile E-(β)-caryophyllene, an EPN attractant, in maize plants. Furthermore, we investigated how the single and combined application of EPN, Pseudomonas bacteria, and AMF can enhance wheat crop performance under realistic field conditions and traced their persistence after augmentation.
Using gas chromatography-mass spectrometry analyses, we found that E-(β)-caryophyllene diffuses best when humidity in agricultural soils is high (20%), which is the opposite from pure sand, where diffusion is best under drier conditions. We also found that this root-produced signal recruits the EPN Heterorhabditis megidis more efficiently in clay loam soils than in any other type of soil (Chapter 1). Furthermore, we discovered that root-colonization by the bacterium Pseudomonas protegens CHA0 enhances the emission of E-(β)-caryophyllene from D. balteata-infested maize roots. This was confirmed with qPRC analyses of the expression of the terpene synthase gene Zm-tps23 in maize roots. Rootworm larvae tended to gain more weight and cause more damage when feeding for three days on roots colonized by P. protegens CHA0, whereas the opposite trend was found for larvae that fed on P. chlororaphis PCL-colonized roots, resulting in lower levels of root damage (Chapter 3).
In field trials with wheat, we found that, after application, EPN, Pseudomonas bacteria, and AMF persisted in the soil and persisted until the end of the cropping season, although populations declined considerably over time. Single applications of P. protegens CHA0 and P. chlororaphis PCL, as well as their application with the EPN H. bacteriophora improved seedlings survival in plots where the wheat plants were infested by larvae of the frit flies and hessian flies. Moreover, the combination of P. protegens CHA0, P. chlororaphis PCL and H. bacteriophora resulted in a significant increase of wheat seed productivity under frit-flies stress. Seedling survival, under insect attack, tended also to be higher in plots inoculated with the AMF Rhizoglomus irregulare (Chapter 2).
Finally, in pot experiments we tested the efficacy of certain combinations of EPN and root-associated bacteria to control D. balteata larvae in the rhizosphere of squash plants. We only found a marginal difference between treatments. The combination of P. protegens plus H. bacteriophora, the bacteria may display an antagonism against the EPN and/or its enteric bacteria. H. bacteriophora alone resulted in significant higher mortality than the bacteria P. protegens CHA0. The combination of P. chlororaphis PCL with the EPN Steinernema feltiae enhanced larvae mortality comparing with the treatment with P. chlororaphis PCL alone. But, larvae mortality in the combination S. feltiae plus P. chlororaphis was not different from mortality with S. feltiae alone (Chapter 2-Apendix)., Los ecosistemas subterráneos están habitados no solamente por organismos que representan una amenaza para las plantas (ejem: herbívoros de raíz y patógenos), pero también por organismos que proveen las protejen de estos antagonistas (ejem: nemátodos entomopatógenos, hongos micorrízicos y bacterias asociadas de raíz). En plantas de maíz, los volátiles de raíz inducidos por herbívoros, como el (E)-β-cariofileno, son una defensa indirecta que atrae nemátodos entomopatógenos al hábitat de su hospedero. Los nematodos entomopatógenos (NEP) localizan a los insectos herbívoros de raíz, inmediatamente, infectan y matan, como a la voraz plaga del maíz Diabrotica virgifera virgifera, protegiendo a la planta emisora de daños posteriores. Ciertas bacterias asociadas a raíz del género Pseudomonas también benefician a la planta promoviendo el crecimiento, suprimiendo patógenos o induciendo Resistencia Inducida (RSI). Se sabe que algunas cepas de Pseudomonas también tienen actividad oral insecticida. Los hongos micorrízicos arbusculares (HMA) son simbiontes benéficos que colonizan la mayoría de plantas terrestres, facilitan la adquisición de agua y nutrientes a su planta hospedera y contribuyen a incrementar su tolerancia a estreses bióticos y abióticos.
En esta tesis exploramos cómo factores abióticos (ejem: textura de suelo y humedad de suelo) y bióticos (ejem: bacterias asociadas a raíz) afectan la función y emisión del vólatil de raíz inducido por herbívoro (E)-β-cariofileno, un atrayente de NEP en plantas de maíz. Además, investigamos cómo aplicaciones individuales y combinadas de NEP, bacterias Pseudomonas y HMA pueden fortalecer el desarrollo del cultivo de trigo en condiciones reales de campo y trazamos su persistencia en el suelo después de la inoculación.
Usando cromatografía de gases-espectrometría de masas, encontramos que (E)-β-cariofileno se difunde mejor cuando la humedad es alta en suelos agrícolas (20%), lo cual es opuesto a la difusión en arena pura, donde la difusión es mejor en condiciones de menor humedad. También encontramos que esta señal producida por raíces recluta el NEP Heterorhabditis megidis más eficientemente en suelos arcillo-limosos que en otros tipos de suelo (Capítulo 1). Además, descubrimos que la colonización de raíz por la bacteria Pseudomonas protegens CHA0 incrementa la producción de (E)-β-cariofileno en raíces de maíz infestadas por larvas del insecto D. balteata. Esto fue confirmado mediante análisis de la expresión del gen Zm-tps23 en raíces de maíz con rt-PCR. Las larvas del insecto de raíz tendieron a ganar más peso y causar más daño cuando se alimentaron por 72 horas en raíces colonizadas por P. protegens CHA0; mientras la tendencia opuesta fue hallada para larvas que se alimentaron en raíces colonizadas por P. chlororaphis PCL resultando en niveles menores de daño de raíz (Capítulo 3).
En ensayos de campo en trigo, encontramos que después de la inoculación, NEP, bacterias Pseudomonas y HMA persistieron en el suelo hasta el final del ciclo de cultivo, aunque las poblaciones declinaron el transcurso del tiempo. Aplicaciones individuales de P. protegens CHA0 y P. chlororaphis PCL, así como su aplicación con el NEP H. bacteriophora mejoraron la sobrevivencia de plantitas de trigo en parcelas que infestadas por moscas del trigo y por moscas de los pastos. Además, la combinación de P. protegens CHA0, P. chlororaphis PCL y H. bacteriophora resultó en un incremento significativo de la productividad de semillas de trigo bajo condiciones de estrés por las moscas. La sobrevivencia de plantitas también tendió a ser más alta en parcelas inoculadas con el HMA Rhizoglomus irregulare (Capítulo 2).
Finalmente en experimentos en macetas probamos la eficacia de combinaciones de NEP y bacterias asociadas a raíz para el control de larvas de D. balteata en la rizósfera de plantas de zuquini. Encontramos solamente una diferencia marginal entre tratamientos. La combinación de P. protegens más H. bacteriophora, la bacteria podría mostrar un antagonismo en contra del NEP y/o su bacteria entérica. H. bacteriophora causó una mortalidad significativamente más alta que la bacteria P. protegens CHA0. La combinación de P. chlororaphis con el NEP Steinernema feltiae resultó en un incremento de la mortalidad comparando con el tratamiento individual con P. chlororaphis. Pero la mortalidad en la combinación de Steinernema feltiae con P. chlororaphis no fue diferente de la mortalidad causada por S. feltiae (Capítulo 2-APÉNDICE). - PublicationAccès librePyrrolizidine alkaloids: occurrence in bee products and impact on Honeybees ("Apis mellifera" L.)(2017)
Les recherches relatives à l’impact des AP sur les abeilles mellifères et les produits à base de miel représentent un domaine ambitieux. Les AP sont une catégorie de toxines difficile à étudier étant donné la grande diversité taxonomique des plantes produisant des AP, les nombreux isomères d’AP connus, le manque de matériel de référence approprié et l’absence de méthodes d’analyse standard fiables. C’est pourquoi la recherche suppose au préalable l’extraction, l’isolement et la purification d’AP issus de plantes, non disponibles dans le commerce.
Les abeilles mellifères forment de larges colonies eusociales qui dépendent du pollen et du nectar stockés dans la ruche comme réserve alimentaire. Les ouvrières recueillent de grandes quantités de ces ressources florales, mélangeant souvent de nombreuses sources botaniques, parmi elles E. vulgare. Le pollen est stocké dans la ruche sous la forme d’un pain d’abeille, tandis que le miel est obtenu à partir de la concentration du nectar et ne contient que quelques traces de pollen. Les abeilles mellifères adultes se nourrissent de ces deux produits qui sont les principales sources de protéines (pain d’abeille) et d’hydrates de carbone (miel) de l’ensemble de la colonie. Contrairement aux autres abeilles, les larves de l’abeille mellifère ne se nourrissent pas de pollen et de nectar au début de leur développement: elles sont nourries progressivement par les abeilles nourricières, qui consomment de larges quantités de pain d’abeille et produisent des sécrétions riches en protéines à l’aide de glandes spécifiques: les glandes hypopharyngiennes et mandibulaires. Le pollen est la principale source de protéines et les composés secondaires du pollen, tels que les AP, peuvent représenter un risque potentiel pour les larves lorsque des plantes produisant des AP sont présentes à proximité de la ruche. C’est pourquoi l’étude du parcours suivi par les composés secondaires du pollen et du nectar jusque dans la ruche est complexe et suppose des analyses de pollen, de nectar, de pain d’abeille, de miel et idéalement des sécrétions hypopharyngiennes.
La thèse de doctorat présentée ici étudie pour la première fois de manière approfondie la voie de contamination par les AP depuis les plantes jusqu’au miel de même que l’impact des AP contenus dans le pollen sur les abeilles mellifères et leurs larves. La thèse est divisée en trois chapitres:
Dans le chapitre 1, nous avons développé un protocole pour faciliter la collecte, l’extraction et le profilage LC-MS des AP contenus dans le pollen d’E. vulgare et d’Eupatorium cannabinum, deux plantes majeures productrices d’AP en Suisse. Nous proposons également une méthode permettant d’extraire et d’isoler de grandes quantités d’AP provenant d’E. vulgare afin d’obtenir de l’échimidine et de l’échivulgarine pures pour les tests biologiques.
Dans le chapitre 2, nous examinons la voie d’entrée des AP issus d’Echium dans le miel. Les espèces d’Echium sont suspectées d’être à la base des fortes concentrations d’AP que l’on trouve parfois dans le miel européen, puisque les miels contenant des AP présentent souvent des traces de pollen d’Echium. Sachant que le pollen d’Echium contient des concentrations particulièrement élevées d’AP, l’hypothèse actuelle est qu’il est la principale source de contamination du miel par ce métabolite. Par conséquent, il a été suggéré de filtrer le miel pour réduire les teneurs en AP dans les miels provenant d’Echium. Nous avons comparé les profils AP du nectar de fleurs et du pollen des plantes d’E. vulgare aux profils AP du miel produit dans des ruchers situés à proximité de plantes d’E. vulgare. Nos résultats indiquent que le nectar est probablement le contribuant principal de la teneur du miel en AP et non pas le pollen, comme supposé jusqu’à aujourd’hui. Ces découvertes ont des implications importantes pour les pratiques apicoles et permettent d’établir des directives afin de minimiser la concentration en AP des miels.
Dans le chapitre 3, nous étudions de manière approfondie les effets des AP contenus dans le pollen sur le développement des colonies d’abeilles mellifères en effectuant des tests toxicologiques alimentaires avec des AP sur les abeilles mellifères adultes (Apis mellifera) et sur leurs larves. Selon les résultats obtenus, les AP d’Echium sont toxiques pour les larves en faibles concentrations. Il est ainsi démontré pour la première fois que les composés secondaires trouvés dans le pollen sont susceptibles d’influencer considérablement le développement des abeilles. Le contraste est d’autant plus frappant que les AP en concentrations nettement plus élevées, proches des concentrations réelles, étaient tolérées par les abeilles adultes. Toutefois, sachant que le pollen est la seule source de protéines des abeilles nourricières, il suffit qu’une fraction d’AP passe du pain d’abeille dans les sécrétions nourricières destinées à l’alimentation des larves pour que les AP du pollen aient un impact sur le développement de la colonie. Afin d’étudier cette question, nous avons développé une nouvelle méthode dans laquelle les abeilles mellifères nourricières étaient obligées de se nourrir de pain d’abeille dont la teneur en AP était connue. Les sécrétions hypopharyngiennes produites par ces abeilles étaient ensuite recueillies et analysées. Seules des traces d’AP ont été trouvées dans ces sécrétions, ce qui est surprenant et prouve que l’acte nourricier agit comme un filtre pour certaines toxines dans les colonies d’abeilles mellifères. Ces résultats ont des implications majeures. Premièrement, l’abeille mellifère est l’espèce d’abeille le plus généraliste que l’on connaisse. Comment ce large spectre de pollen est-il possible étant donné la complexité et la diversité chimiques du pollen ? C’est une question qui reste en suspens. Nos résultats suggèrent que l’alimentation des larves réduit les contraintes physiologiques associées à la digestion du pollen. Deuxièmement, différents produits chimiques, tels que les pesticides sont susceptibles de suivre le même chemin en passant du pollen et du nectar à la ruche. Actuellement, aucune étude n’a été faite pour savoir si les pesticides passaient dans le régime alimentaire des larves; notre système expérimental pourrait servir à étudier cette question importante.
En conclusion, cette thèse apporte des réponses cruciales. Premièrement, en dépit de sa faible teneur en AP, il s’est avéré que le nectar des plantes était le vecteur majeur des AP dans le miel, contrairement à l’hypothèse actuelle qui veut que le pollen des plantes soit le contribuant essentiel des AP dans le miel. Deuxièmement, nous avons trouvé une nouvelle caractéristique dérivée du comportement eusocial des abeilles mellifères. En effet, nous avons découvert que les soins parentaux jouaient un rôle clé dans la protection des générations futures contre les métabolites secondaires des plantes et que par conséquent, ils augmentaient les chances de survie de la colonie.
La thèse est le résultat de la collaboration entre l’Unine et Agroscope. Tous les essais biologiques ont été réalisés au centre de recherche apicole d’Agroscope (Liebefeld), l’extraction et l’analyse des AP ont été effectuées à l’Unine (Neuchâtel)., Pyrrolizidine alkaloids (PAs) are toxic plant secondary metabolites produced as defense against herbivores by a wide variety of plants, mainly of the Boraginaceae, Asteraceae and Fabaceae families. Consumption of products contaminated with PAs may lead to hepatotoxic, carcinogenic, genotoxic and teratogenic effects in animals and humans. PAs are mostly found in leaves, roots and seeds, and may directly enter the food chain via plant-derived food, such as teas or grains, or indirectly through the contamination of livestock fodder. Occasionally however, PAs are also found in honey or bee pollen when bees collect nectar and pollen from PA-producing plants. In plant pollen, the PA content is in some cases higher than the one in leaves, while little is known about the PA content of plant nectar. The presence of PAs in floral rewards raises two important questions. First, is nectar or pollen the main source responsible for PA contamination of honey? Second, what is the impact of these toxic secondary compounds on bee colonies? The aim of the present thesis is to examine these two questions using the European honeybee Apis mellifera L. and the viper bugloss Echium vulgare L. as a model system. E. vulgare is a common European plant producing copious pollen and nectar and it is an important resource for various bee species.
Research on the impact of PAs on honeybees and on bee products is a challenging field of research. PAs are a difficult class of toxins to investigate due to the large taxonomic diversity of PA-producing plants, the numerous known PA isomers, the lack of adequate reference material, and the absence of reliable standardized analytical methods. Therefore the extraction, isolation and purification of non-commercially available PAs from plants are research prerequisites.
Honeybees build large eusocial colonies relying on pollen and nectar, stored in the hive as food source. Workers collect large quantities of these floral resources, often mixing numerous botanical sources, including E. vulgare. Pollen is stored in the hive as "bee bread", while honey is obtained from the concentration of nectar and contains only traces of pollen. Adult honeybees feed on these two products, which are the main sources of protein (bee bread) and carbohydrates (honey) for the entire colony. Unlike other bees however, honeybee larvae do not primarily feed on pollen and nectar: they are progressively fed by nursing bees, which consume large quantities of bee bread and produce protein-rich secretions with specific glands: the hypopharyngeal and mandibular glands. Indirectly, pollen is still the main source of protein for larvae and pollen secondary compounds, such as PAs, may potentially pose a risk for larvae when PA-producing plants are present near the hive. Therefore, examining the pathway of pollen and nectar secondary compounds in the hive is complex and implies analyses of pollen, nectar, bee bread, honey and, ideally, hypopharyngeal secretions.
The following doctoral thesis comprehensively investigates for the first time the route of the PA contamination from the plants to the honey, and the impact of pollen PAs on honeybees and honeybee larvae. It is divided into the following three chapters:
In chapter 1, we develop a protocol to facilitate the collection, extraction and LC-MS profiling of PAs from plant pollen from E. vulgare and Eupatorium cannabinum, two main PA-producing plants found in Switzerland. We also propose a method for extracting and isolating of large quantities of PAs from E. vulgare to obtain pure echimidine and echivulgarine for bioassays.
In chapter 2, we track the entry pathway of Echium PAs into honey. Echium species are suspected to underlie the high PA concentrations sometimes found in European honey, since these PA-containing honeys often contain trace amounts of Echium pollen. Since Echium pollen contains particularly high concentrations of PAs, it is currently assumed that Echium pollen is the main source of PA contamination in honey. Consequently, honey filtration has been suggested as a measure to reduce PA levels in honeys derived from Echium. We compare the PA profiles of floral nectar and plant pollen of E. vulgare with the PA profile of honey produced at apiaries placed in the vicinity of E. vulgare plants. Our results strongly indicate that nectar is likely the main contributor to the PA content of honey, and not pollen as currently assumed. These findings have important implications for beekeeping practices and enable the formulation of guidelines to minimize PA levels in honeys.
In chapter 3, we comprehensively examine the effects of pollen PAs on the development of honeybee colonies by performing toxicological feeding assays with PAs on adult honeybees (Apis mellifera) and honeybee larvae. Our results show that Echium PAs are toxic to larvae at low concentrations, demonstrating for the first time that secondary compounds found in pollen have the potential to strongly impact bee development. In striking contrast, PAs at much higher, near realistic concentrations were tolerated by adult bees. However, since pollen is the exclusive source of protein for nursing bees, pollen PAs may still impact colony development if only a fraction of the PAs pass from the bee bread into the nursing secretions fed to larvae. To investigate this question we established a new method in which nursing honeybees were forced to feed on bee bread supplemented with known levels of PAs. Hypopharyngeal secretions produced by these bees were collected and analyzed. Surprisingly, only trace amounts of PAs were found in these secretions, demonstrating that nursing acts as a filter for some toxins in honeybee colonies. These results have two important implications. First, the honeybee is the most generalist bee species known. How this wide pollen spectrum is possible given the complex and diverse pollen chemistry has remained an unanswered question. Our results suggest that larval nursing relaxes the physiological constraints associated with pollen digestion. Second, various chemicals, such as pesticides, are likely to follow the same pathway from pollen and nectar into the hive. Whether pesticides pass into the larval diet has not been investigated so far; our experimental system may be used to examine this important question.
In conclusion, this thesis brings two important answers. Firstly, despite its low PA content, plant nectar was found as the major vehicle of PAs into honeys, in contrast to the current hypothesis suggesting plant pollen as the major contributor of PA in honey. Secondly, we discovered a new feature deriving from the honeybee’s eusocial behaviour. In fact, parental caring was found to play a key role for the protection of the future generations against plant secondary metabolites and therefore increase the chances of survival of the colony.
The thesis is the result of a collaboration between Unine and Agroscope. All bioassays were performed at the Agroscope Bee Research centre (Liebefeld), extraction and analytics of PAs were performed at Unine (Neuchâtel). - PublicationAccès libreEnhancing the use of entomopathogenic nematodes for biological control of root pests: from field persistence to improved shelf-life(2016)
Les NEP peuvent, dès maintenant, être produits en masse, et de nombreux efforts sont mis en œuvre pour développer de nouvelles méthodes de formulations et d’applications afin de réduire leur coût et de les rendre compétitifs comparés aux pesticides. De plus, Il est important de connaître les caractéristiques et les effets des sols sur les micro-organismes pour développer des stratégies de gestions et d’applications qui permettent aux NEP, présents naturellement ou introduits, d’être dans de bonnes conditions pour jouer leurs rôles d’agents biologiques.
Comprendre les conditions nécessaires aux NEP pour survivre et rester infectieux dans un certain type de sol est un point clé pour le succès de leurs établissements. Nous avons utilisé une méthode commune qui consiste à utiliser une larve comme appât, ainsi que la technique de la réaction en chaine polymérase quantitative (RCPq) pour mesurer les effets de différents systèmes agricoles (conventionnel, organique, biodynamique) ainsi que du type de culture (blé d’hiver, maïs, fourrages graminée-trèfle) sur les NEP, mais aussi sur d’autres membres de leur chaîne alimentaire. Dans tous les champs que nous avons investigués à travers la Suisse, les NEP étaient peu abondant, et nous n’avons détecté aucune différence entre les différents systèmes agricoles inclus dans cette étude. Cependant, le type de culture a influencé la distribution des NEP et des membres de leurs chaînes alimentaires qui étaient plus abondants dans les parcelles de blés d’hiver.
Dans cette thèse, nous avons aussi investigué des exsudats et des extraits de plantes contenant un ou des composés qui déclenchent un état réversible de dormance (ou quiescence) chez les NEP. Le but éventuel étant d’intégrer ces « facteurs de quiescence » (FQ) dans les formulations de NEP pour augmenter leur durée de vie. Nous avons montré que les exsudats de l’apex racinaire de germinât de petit pois (Pisum sativum) déclenchent un état de quiescence chez plusieurs espèces de NEP. Puis nous avons développé une méthode d’extraction, à partir de racine gelée dans l’azote liquide, pour augmenter la concentration du ou des facteur(s) de quiescence, et montré que ces extraits sont très puissants. Ils peuvent également être obtenus à partir de l’intégralité de racines de maïs (Zea maize). Les NEP sont capables de se réveiller et d’infecter une larve malgré une exposition à une forte dose de FQ. Les efforts produis pour identifier le ou les composés actifs sont toujours en cours.
Finalement, les NEP, naturellement présents dans le sol ou introduits, ont besoin de rester infectieux pour une période de temps suffisante, leur permettant de jouer leurs rôles d’agents biologiques. Le sort et la persistance des NEP dans un milieu dépendent en grande partie de la composition du sol et des stress biotiques et abiotiques qu’ils peuvent y rencontrer. Nous avons testé la possibilité d’utiliser des parcelles sous couvert végétaux au cours de l’hiver pour augmenter la survie des NEP pendant la période froide. De nouveau nous avons utilisé la méthode d’appât et de qPCR et montré que le couvert végétal avait un effet marginal sur la survie et l’infectivité hivernale des NEP. L’abondance des NEP naturellement présents dans le sol était très basse comme dans nos précédents résultats, mais celle des NEP introduits étaient plus satisfaisante même après l’hiver. Leurs abondances ont décru au fil du temps, mais ils étaient plus infectieux après l’hiver (Mars) que seulement un mois après les avoir introduits (Novembre).
Globalement, nos données montrent que les NEP étaient peu abondants dans les sols agricoles Suisse et leurs nombres ne semblaient pas être affectés par les différents systèmes agricoles mis en place. Cela voudrait dire que les NEP pourraient être utilisés dans des programmes de lutte intégrés dans des sols dont la gestion est lourde. De plus, nous avons mis en évidence le grand potentiel d’un composé naturellement produit par les plantes pour augmenter la durée de vie des NEP et donc d’être inclus dans les formulations de NEP. Finalement la survie après l’hiver des NEP appliqués était satisfaisante mais n’était que marginalement améliorée par la présence d’un couvert végétal. Nous faisons l’hypothèse que le manque d’hôtes adaptés, surtout dans les cultures, peut expliquer la faible présence des NEP. En Suisse, le sol n’est pas sujet à une invasion massive d’une peste, et le rôle des NEP est pour le moment optionnel. Cependant, en cas d’invasion, la faible abondance que nous avons enregistrée pourrait ne pas être suffisante pour contrôler une population de peste qui se répandrait. C’est pour cela que nous suggérons de contrôler la population de NEP à nouveau, et si leur abondance est toujours aussi faible, nous conseillons d’introduire des NEP., Agriculture is evolving towards more sustainable strategies since the application of agrochemicals and physical management of the soil have severe environmental impact and deplete soil quality. The potential of using biocontrol agents to replace or in combination with pesticides has been investigated for several decades. Entomopathogenic nematodes (EPN) are very promising in this respect. EPN are obligatory parasites of insects and together with symbiotic bacteria kill their host very rapidly. EPN can be mass-produced and efforts to develop novel formulation and application methods are ongoing to reduce the cost and increase their biocontrol efficacy as compared to pesticides. Moreover, it is recognized that investigations into how soil characteristics affect naturally occurring and the released EPN are needed to develop management and application strategies that provide favorable conditions for EPN.
Understanding the conditions that are necessary for nematodes to survive and to remain active in the soil is a key aspect for the successful application of EPN. We used traditional insect baiting methods and quantitative polymerase chain reaction (qPCR) measurements to investigate the effect of different farming systems (conventional, bio-organic, and biodynamic) and crop type (winter wheat, maize, grass-clover ley) on EPN, as well as on other members of the associated food web. The abundance of EPN was very low in the numerous field sites that were investigated throughout Switzerland, and no difference was detected between the different farming management practices that were included in the studies. However, the crop type influenced the distribution of the investigated microorganisms that were found to be more abundant in winter wheat plots.
In this thesis I also investigated plant root exudates and extracts containing a compound or compounds that trigger a reversible state of quiescence in EPN. The eventual aim is to incorporate such “quiescence factors” (QF) in EPN formulations in order to increase the shelf-life of such formulations. We found that pea (Pisum sativum) root-cap exudate triggered quiescence in several species of EPN. We develop a method to extract the active compound(s) from deep-frozen roots to increase the concentration of the sought-after compound(s), and we showed that this extract was highly potent and could also be readily obtained from maize (Zea maize) roots. EPN were able to recover and infect insect larvae even after exposure to very high doses of QF. Efforts to identify the active compound(s) are still ongoing.
Finally, naturally occurring or applied EPN need to remain active in the soil for a sufficient time period for them to be able to play their biocontrol role. The fate and persistence of EPN depend greatly on the composition of the soil and its protection against biotic and abiotic stresses. We investigated the use of winter cover crops that may enhance the survival of EPN throughout the winter. Again using insect baiting and qPCR methods we showed that cover crops have minimal positive effects on the overwintering survival and activity of EPN. The abundance of naturally occurring EPN was confirmed to be very low, but applied EPN were able to survive the winter. Their abundance decreased over time, but they were found to be as infectious after the winter (March) than just one month after application during the preceding fall (November).
Together, our data show that EPN in Swiss agricultural soil are scarce and their numbers do not seems to be affected by the different farming practices and they could be used in program involving heavily managed soils. Moreover, we bring strong support for the potential of a naturally plant-produced QF to be included in EPN formulation to increase their shelf-life. Finally, applied EPN persisted through the winter, but was moderately enhanced by the presence of a cover crop. We hypothesize that the low prevalence of EPN is due to a lack of suitable hosts, especially in agricultural fields. As yet, most Swiss crops have not suffered from extensive soil pest invasions and therefore EPN scarcity may not be relevant in these systems. This will change in case of pest outbreaks. The current EPN numbers in the soil may not be able to stop a spreading pest population and under those circumstances, an augmentation approach is advisable. - PublicationAccès libreTritrophic interactions on cultivated maize and its wild ancestor "teosinte"(2014)
At first, we assessed in nature which insects occur on teosinte. Fall armyworm, Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae), is reported as an important maize pest in the Americas and is frequently attacked by many species of parasitoids. However, little is known about the presence of this herbivore and its associated parasitoids on teosinte.
In a laboratory setting, we then assessed whether maize and teosinte emit a similar blend of volatiles when induced by lepidopteran herbivores. We also evaluated the attractiveness of the odor blends to females of two species of parasitoid wasps. Although the odor blends appeared similar upon gas chromatography analysis, the foraging parasitoids responded differentially to them. We obtained similar results when testing real plants and extracts of collected odors, indicating that these extracts can be used to identify the key compounds that are responsible for parasitoid attraction.
There is surprisingly little field evidence for fitness benefits for plants due to the action of natural enemies. This is still an important point in the discussion on the possible indirect defense role of inducible plant volatiles, especially in the case of parasitoids that, unlike predators, do not directly kill their hosts. Therefore, we evaluated how parasitoid wasps can affect plant performance in a semi-natural setting in Mexico. The presence of parasitoid wasps in field tents containing teosinte plants and fall armyworm significantly reduced herbivore damage, which, for the smallest plants, resulted in a reduction in plant mortality. These findings support the notion that plants may benefit from the presence of parasitoids and may help to resolve the current debate on the defensive function of herbivore-induced volatiles.
To further explore the importance of volatiles for the attraction of parasitoids under field conditions, we studied maize lox10 mutants, impaired in the biosynthesis of green leaf volatiles (GLVs). These volatiles, responsible for the smell of cut grass, are commonly emitted by plants when wounded or attacked by herbivores. Previously, laboratory studies have shown that GLVs can be used as foraging cues by predators and parasitoids. However, our results imply that GLVs are not of key importance for parasitoid attraction in the field.
Collectively, these studies provide novel insights into the importance of herbivore-induced volatiles for the attraction of parasitoid wasps, and their indirect importance for plant growth and survival. We identified differences between maize and its wild ancestor, teosinte, with respect to the attraction of parasitoids that could possibly be exploited for ecologically sound methods to better protect maize against insect pests. - PublicationAccès libreThe role of indole in maize-herbivore interactions(2014)
; Afin de se protéger contre les attaques d’insectes herbivores, les plantes ont développé de multiples moyens de défense, dont la libération de composés volatils induits par les herbivores (HIPVs). Ces composés volatils peuvent être utilisés par les ennemis naturels des herbivores tels que les prédateurs et les parasitoïdes. D’autre part, ils peuvent être exploités par les herbivores eux-mêmes pour localiser leurs plantes hôtes. Certains HIPVs peuvent aussi avertir les tissus non attaqués d’une même plante ou les plantes voisines d’un risque d’attaque. Le terme employé est “priming”. Les plantes averties pourront ainsi répondre plus rapidement et de manière plus efficace lorsque l’attaque se produira. Tandis que certains HIPVs ont été bien étudiés, le rôle de beaucoup d’autre reste à trouver. Par exemple, nous n’avons que peu de connaissances en ce qui concerne l’indole, un composé dominant du mélange de volatils émis par les plantes. Dans la thèse présentée ici, nous avons étudié le rôle de l’indole dans les défenses directes et indirectes du maïs grâce à l’utilisation de plantes mutantes dans la production d’indole et d’indole synthétique.
Dans le premier chapitre, nous avons étudié le rôle de l’indole en tant que signal de défense. Nous fournissons la preuve que l’indole est essentiel pour le “priming” d’autres HIPVs au sein d’une même plante mais qu’il agit aussi comme signal de communication entre différentes plantes afin de les préparer à une possible attaque. Dans le deuxième chapitre, nous avons étudié l’effet de l’indole sur un insecte herbivore généraliste, Spodoptera littoralis. Nous démontrons que l’indole agit en tant de défense directe chez le maïs en repoussant les adultes et les chenilles de cette espèce et en réduisant la survie des chenille et le succès reproducteur des adultes. Dans le troisième chapitre, nous avons étudié l’importance de l’indole au niveau du troisième niveau trophique. Nous avons trouvé que malgré une attraction de certains parasitoïdes, une exposition à l’indole protège les chenilles de l’espèce S. littoralis en augmentant leur résistance contre les parasitoïdes. Dans le quatrième chapitre, nous avons étudié la spécificité des effets trouvés dans les deux chapitres précédents. Nous avons trouvé que ni le degré de spécialisation pour les plantes hôtes, ni l’origine phylogénétique, ni l’association avec des plantes produisantde l’indole ne déterminent la réponse des insectes herbivores et des ennemis naturels à l’indole. Nous concluons que le rôle de l’indole est dépendant des espèces.
D’une manière générale, cette thèse contribue à une meilleure compréhension du rôle de l’indole dans les intéractions entre les plantes, les insectes herbivores et les ennemis naturels; elle confirme le rôle multiple des composés volatils dans les intéractions tri-trophiques., In order to counter herbivore attacks, plants have developed a multitude of defence strategies, including the release herbivore-induced plant volatiles (HIPVs). HIPVs can be used as foraging cues by natural enemies of the herbivores, including predators and parasitoids. In addition, they can also be exploited by herbivores themselves to localize their host plants. Some HIPVs even prime non-attacked plant tissues or neighbouring plants to respond faster and more strongly to subsequent attacks. Whereas some HIPVs have been well studied, the role of many others remains unclear. For instance, little is known about indole, a major constituent of the herbivore-induced volatile blend. In the present thesis, we studied the role of indole in direct and indirect defences in maize using indole deficient mutants and synthetic indole.
In Chapter 1 we investigated the role of indole as a plant defence signal. We provide evidence that indole is essential for within-plant priming of other HIPVs and acts as a between-plant signal that primes non-attacked neighbours. In Chapter 2, we investigated the impact of indole on the generalist herbivore Spodoptera littoralis. We demonstrate that volatile indole acts as a direct defence in maize by repelling S. littoralis moths and caterpillars and by reducing the survival of early instar caterpillars and the reproductive output of adults. In Chapter 3, we studied the importance of indole on the third trophic level. We found that, although indole attracts certain parasitoids, indole-exposure protects S. littoralis caterpillars by increasing their resistance against parasitism. In Chapter 4, we investigated the specificity of the effects found in chapters 2 and 3. We found that neither the degree of host plant specialization nor the phylogenetic origin or the association with indole-producing plants determines the response of herbivores and natural enemies to the volatile, and that the role of indole is highly species-specific.
Overall, this thesis contributes to a better understanding of the role of indole in interactions between plants, herbivore insects and natural enemies and highlights the diverse roles of HIPVs in tritrophic interactions. - PublicationAccès libreMites and endosymbionts: towards improved biological control(2012)
; Le microbiome vivant en association avec certains arthropodes est très divers et peut significativement influencer la biologie de nombreux agents de lutte biologique ou de ravageurs de culture. Certains endosymbiontes bactériens peuvent même être utilisés contre des populations de insectes ravageurs de ou de vecteurs de maladies dans un programme de lutte biologique.
Les espèces de la sous-classe des Acari (acariens et tiques) sont très diverses en forme, habitats et comportements. Il y a des acariens ravageurs, des parasites d’animaux domestiques ou de l’homme et même des acariens utiles, prédateurs pouvant s’attaquer à d’autres ravageurs de culture.
Le but du deuxième chapitre est de faire la synthèse de la littérature concernant les symbiontes d’acariens et en particulier sur l’incidence et la prévalence d’endosymbiontes maternellement transmis comme Arsenophonus spp., Cardinium spp., Flavobacteria spp., Rickettsia spp., Spiroplasma spp. et Wolbachia spp. chez les acariens (Chapitre 2). Bien que de nombreux articles aient été publié sur ce sujet, la plupart des études portent sur la présence d’endosymbiontes chez les tétranynques alors que de nombreuses espèces d’acariens ou des études sur les effets de ces bactéries sur leurs hôtes ont reçu moins d’attention. Ces données ont ensuite été complétées par notre propre étude ou des acariens phytophages, prédateurs et parasites ont été analysés pour la présence d’endosymbiontes (Chapitre 3). L’étape suivante de cette thèse a été de décrire les différents mécanismes par lesquelles les endosymbiontes peuvent influencer le succès de programme de contrôle biologique de ravageurs de culture ou de vecteur de maladies. Nous nous sommes également penchés sur l’apport de ces connaissances afin de mieux appréhender ou comprendre la biologie de ces arthropodes. Dans le chapitre un, nous faisons des recommandations pratiques sur les façons de prendre en compte les endosymbiontes dans le cadre de la lutte biologique (Chapitre 1).
L’acarien phytophage Rhizoglyphus robini s’attaque principalement aux racines de plantes cultivées de la famille des Liliacées. Bien que la plupart des animaux ne possèdent pas les enzymes nécessaires à la digestion d’hydrates de carbones d’origine fongique, cette espèce note une préférence alimentaire pour les plantes infectées par des champignons sur lesquelles elle est principalement trouvée. Par une approche multidisciplinaire, nous avons testé l’hypothèse que le bactériome était nécessaire à l’acarien pour digerer la chitine. Une analyse génétique préliminaire réalisée avec des sondes moléculaires générales a révélé une la présence d’une riche communauté de bactéries vivant avec cet acarien. Une analyse plus détaillée de cette communauté bactérienne par une approche métagénomique (454) a révélé la présence de plusieurs genres de bactéries connue pour être capables de dégrader la chitine. Des expériences en laboratoire ont confirmé la préférence des acariens pour une source de nourriture contenant des champignons et un taux de reproduction plus élevé sur ce type de régime alimentaire. Nous avons donc pu faire le lien entre la présence des bactéries et leur activité chitinolytique en démontrant l’activité de digestion d’homogénats d’acariens ainsi que de bactéries isolées de ces derniers (4). Nous avons enfin identifié la bactérie isolée comme Serratia marcescens (chapitre 5), une bactérie possédant une machinerie efficace pour dégrader la chitine des champignons.
Les détails de la biologie de l’acarien Rhizoglyphus robini ne peuvent donc être comprise qu’en tenant en compte de la biologie des bactéries qui lui sont associées. Cette étude complète nous a amené à reconsidérer le statut de peste de l’acarien. En effet R. robini était considéré comme une peste primaire, se nourrissant directement sur les racines des plantes alors que maintenant il est considéré comme une peste secondaire s’attaquant préférentiellement aux plantes préalablement infectées par un champignon. Le fait que l’acarien dépende de la présence de bactéries pour pouvoir digérer les champignons ouvre la voie pour de nouvelles stratégies de lutte. Nous sommes persuadés qu’une meilleure connaissance des communautés bactériennes vivant en association avec la plupart des acariens phytophages et des acariens bénéficiaires amèneront des informations cruciales pour le développement de nouvelles stratégies de lutte ou pour mieux comprendre les problèmes dans des programmes de lutte biologique existants. Dans le chapitre un, nous expliquons en détail pourquoi nous recommandons de se pencher sur les interactions entre les arthropodes utilisés en lutte biologique et leur microbiome (Chapitre 1)., Gliederfüsser (Arthropoden) beherbergen sehr diverse Bakteriengesellschaften in ihrem Innern. Sie können durch ihre Wirte grosse Auswirkungen auf die biologische Schädlingsbekämpfung haben. Vor allem dann nämlich, wenn sie ihren Wirt auf eine Weise beeinflussen, dass dieser entweder in seiner Funktion als Nützling beeinträchtigt wird oder aber, wenn sie einem Schädling zur erhöhten Resistenz gegen seine natürlichen Feinde verhelfen. Manchmal werden bakterielle Endosymbionten (ES) sogar gezielt zur Bekämpfung von Schädlingen eingesetzt.
Die Arthropoden-Untereinheit Acari (Milben und Zecken) ist sehr vielfältig in Form, Verhalten und Lebensraum. Es gibt Milben, die als Schädlinge auf Pflanzen leben, solche, die parasitisch auf Haustieren oder sogar Menschen leben und dann gibt es Milben-Nützlinge, die zur Eindämmung von Spinnmilben (Raubmilben) oder von Pflanzenschädlingen (Eriophyidae) eingesetzt werden. Milben-Symbionten wurden bisher wenig untersucht, trotz der Tatsache, dass alle Erkenntnisse aus diesem Forschungszweig für die biologischen Schädlingsbekämpfung von grossem Nutzen sein können.
Das erste Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, alle vorhandenen Studien (und ihre Resultate) zum Thema zu sammeln und eine gute Übersicht über ihre Resultate zu erstellen. Wir haben alle Literatur zur Häufigkeit und Verbreitung mütterlich-vererbter Endosymbionten (Arsenophonus spp., Cardinium spp., Flavobacteria spp., Rickettsia spp., Spiroplasma spp. und Wolbachia spp.) in Milben, sowie alles, was über die Auswirkungen der ES auf ihre Wirte bekannt ist zusammengetragen (Kapitel 2 dieser Arbeit) und sie durch unsere eigenen Resultate (Kapitel 3) ergänzt. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass es mehr Studien zu Milben-ES gibt als erwartet, dass die Forschung sich allerdings mehrheitlich darauf beschränkt, die An- bzw. Abwesenheit dieser ES in einem bestimmten Wirt festzustellen. Weitaus am besten untersucht sind die Spinnmilben und die ihnen zugehörigen Bakterien, während andere Milbenfamilien bisher wenig wissenschaftliche Aufmerksamkeit erhalten haben.
In einem nächsten Schritt haben wir an Beispielen aufgezeigt auf welche unterschiedlichen Weisen biologische Schädlingsbekämpfungsprogramme von ES beeinflusst werden können (Kapitel 1). Das geht von unausgewogenen Geschlechterverhältnissen in den Zuchten bis zur Inkompatibilität von eingeführten Nützlingen mit den ansässigen Populationen. Auch in der Kontrolle der Vektoren von Krankheitserregern können ES-Wirkungen auf die Wirte Folgen haben. Schlussendlich empfehlen wir die Präsenz von ES in Nützlingen und auch in den Schädlingen zu untersuchen, vor allem wenn Probleme wie Resistenzen oder Zuchtschwierigkeiten auftreten (Kapitel 1).
Unsere Theorie wird praktisch untermauert mit der Untersuchung der Wurzelmilbe (Rhizoglyphus robini). Die Wurzelmilbe ist ein Pflanzenschädling, der vor allem an den unterirdischen Knollen von Liliengewächsen frisst. Es wurde beobachtet, dass R. robini meistens auf Pflanzen gefunden wird, die zusätzlich auch von einem Pilz befallen sind. Nicht vielen Tieren jedoch sind Kohlenstoffe aus Pilzen als Nahrung zugänglich, da sie nicht die richtigen Enzyme besitzen für den Verdau von Chitin. Wir haben uns nun gefragt, ob die Bakterien im Innern der Milbe bei der Verdauung eine Rolle spielen könnten. Eine Voruntersuchung (Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) mit breitamplifizierenden Bakterienprimern) hatte gezeigt, dass R. robini eine grosse Bakterienvielfalt beherbergt. In einer mehr detaillierten Untersuchung durch 454 Sequenzierung der nächsten Generation konnten wir dann mehrere Bakteriengattungen finden, in denen Arten mit chitinolytischer Aktivität vorkommen. Mithilfe von Bio-Assays konnten wir die Vorliebe für Pilz- Nahrung und hohe Fortpflanzungsrate der Milben bestätigen. Den aktiven Chitinverdau des Milbenhomogenates wiesen wir nach, indem wir jeweils 1μl davon auf eine Chitin-beschichtete Platte gaben. Schon nach 12 Stunden bildeten sich klare Zonen, sogenannte „haloes“ (Heiligenscheine) um den Tropfen (Kapitel 4). Wir konnten Bakterien aus den klaren Zonen isolieren, kultivieren und molekular (durch Sequenzierung eines grossen 16S-Fragmentes) der Bakterienart Serratia marcescens zuweisen (Kapitel 5).
Man kann die Biologie von Rhizoglyphus robini nur verstehen, wenn man die dazugehörigen Bakterien in die Betrachtung miteinbezieht. Der Pflanzenschädlingsstatus dieser Milbe muss nun überarbeitet werden, da sie wahrscheinlich vor allem den Pilz frisst oder zumindest für eine Pflanze eine viel grössere Gefahr darstellt, wenn diese schon von einem Pilz befallen ist. Die am Beispiel der Wurzelmilbe gewonnen Erkenntnisse sind wichtig für die weitere Forschung in der biologischen Schädlingsbekämpfung, denn sie eröffnen viele neue Möglichkeiten. Die Bakterien von Milben in der biologischen Schädlingsbekämpfung sollten unter, The microbiome associated with arthropods is very diverse and may significantly influence the biology of biological biocontrol agents and arthropod pests. Some endosymbiont bacteria may even be used to achieve pest or disease vector biological control.
The subclass Acari (mites and ticks) is very diverse in form, habitat and behaviour. Mites can be plant pests, parasites of domestic animals and humans or predators of major crop-pests.
The aim of this second chapter was to collect and present an overview of the present literature and knowledge on the prevalence and distribution of maternally-inherited ES (Arsenophonus spp., Cardinium spp., Flavobacteria spp., Rickettsia spp., Spiroplasma spp. and Wolbachia spp.) in mite species (chapter 2). We completed this knowledge by adding the results of our own screening (chapter 3), including mite species of three different lifestyles (herbivorous, predatory and parasitic). We found that mites and their ES have been studied, but the focus has clearly been on presence and distribution of insect ES in spider mites, whereas many other mite families as well as the further characterization of effects of ES on their hosts have received less attention. As a next step we describe the different ways microorganisms associated with arthropods can have an influence on biological pest- and disease vector control, through the many ways they can be involved in their hosts biology and we then provide practical recommendations on the handling of ES in biological control agents and pests (chapter 1).
The bulb mite Rhizoglyphus robini is below-ground pest mostly on Liliacean crop plants, which has been observed mainly on plants already infested with a fungus. As not many animals carry the enzymatic machinery to digest fungal carbohydrates, we tested the hypothesis that associated bacteria are involved in the chitin digestion. Preliminary DGGE assessment with general bacterial primers, revealed a high diversity. Investigating the bacterial community associated with this mite in more detail by 454 metagenomic analysis, we found several genera which contain chitin-degrading species. Bioassays confirmed the mite’s preference for - and high fitness on - a fungal food source. Finally we could make the link between the fungal food source of the mite and the bacterial chitinolytic ability by demonstrating the digestion of chitin by mite homogenate and isolating bacteria from the chitin-free zones (chapter 4). We molecularly identified these isolated clones as Serratia marcescens (chapter 5), a bacterium well known for its chitinolytic machinery.
The biology of Rhizoglyphus robin i can be understood only if the associated bacteria are also considered. The mites’ status has to be reassessed now, as it was previously described as a primary pest, feeding on the bulbs and tubers of plants. If the mite attacks plants preferentially after previous plant- infection with a fungus, this could be exploited in biological control. The fact that the mite might need the bacteria to digest the fungus also opens up new possibilities for control of the mite. We believe that the bacterial community in most pest and beneficial mites will deliver valuable information, which can be used in the development of new control strategies or to explain and potentially solve problems in existing control programs (chapter 1). In chapter two we explain in detail why we recommend including an investigation of the associated microbiome in standard assessments of pests and control agents.