Dissertation/Thesis Abstract

Effects of Timing and Herbivory on a Grassendophyte Association and Its Trophic Interactions
by Fuchs, Benjamin Felix, Ph.D., Bayerische Julius-Maximilians-Universitaet Wuerzburg (Germany), 2016, 119; 27766766
Abstract (Summary)

I.) Mit Pflanzen assoziierte Mikroorganismen können die Interaktionen von Pflanzen mit Herbivoren und höheren trophischen Ebenen beeinflussen. Endophytische Pilze, die oberirdische Pflanzenteile von Gräsern infizieren, produzieren bioaktive Alkaloide, die negative Effekte auf pflanzenfressende Organismen haben können. Blattlaus parasitierende und räuberische Insekten hatten ebenso Fitnessnachteile, wenn sie mit Blattläusen gefüttert wurden, die auf Epichloë festucae var. lolii infiziertem Lolium perenne gezüchtet wurden. Umwelteinflüsse und Interaktionen zu anderen Arten beeinträchtigen das Wachstum und die Alkaloid Produktion von Endophyten. Die Häufigkeit von Endophyten in natürlichen Habitaten können von Herbivorie beeinflusst werden. Weiterhin sind Endophyten verursachte Effekte auf Pflanzenfresser am häufigsten in warmen Sommermonaten nach regenreichen Frühlingsmonaten. In dieser Studie analysieren wir, ob Endophyten produzierte Alkaloide in einer Nahrungskette aufsteigen und in höheren trophischen Ebenen gefunden werden (Kapitel II) und ob ihre Konzentrationen von Pflanzenalter und Saison abhängig sind (Kapitel III). Weiterhin analysieren wir, ob veränderte Phänologie von herbivoren Insekten den endophytischen Pilz beeinflussen (Kapitel IV) und ob Alkaloid Produktion von verschiedenen Pflanzenfressern induziert wird (Kapitel V).

II.) In der ersten Studie analysierten wir, ob Alkaloide, die von Gras Endophyten produziert werden, die Fitness von zwei Marienkäfer Arten verringern, wenn sie mit Blattläusen gefüttert werden, die ausschließlich auf Endophyten infiziertem Gras (6 Wochen alt) gezüchtet wurden. Weiterhin analysierten wir Arten aus drei trophischen Ebenen (Gras, Herbivore, Blattlaus Prädatoren) auf ihren Alkaloid Gehalt mit zwei Jahre altem Endophyten infizierten Gras als Futter für pflanzenfressende Insekten. Wir etablierten eine UPLC-MS Methode, um die Endophyten produzierten Alkaloide Peramin und Lolitrem B zu detektieren und zu quantifizieren, nach der Extraktion aus organischem Material von Pflanzen und Insekten. Fitness von Marienkäfern zeigte nur geringe Unterschiede zwischen Marienkäfern, denen Blattläuse gefüttert wurden, die ausschließlich auf Endophyten infizierten Grass oder nicht infiziertem Grass gezüchtet wurden. Die Ursache dafür, ist wahrscheinlich eine zu geringe Alkaloid Konzentration in dem jungen, Endophyten-infizierten Grass (6 Wochen alt), das für diesen Teil der Studie verwendet wurde. Die Quantifizierung der Alkaloide von zwei Jahre altem Endophyten infiziertem Gras, Herbivoren und Prädatoren zeigte ähnliche Konzentrationen zwischen Gras und Blattläusen, wohingegen Prädatoren etwa eine halb so hohe Alkaloid Konzentration enthielten, die aber dennoch den Grenzwert für biologische Wirksamkeit überschritt. Wir folgern, dass Endophyten produzierte Alkaloide innerhalb der Nahrungskette weitergegeben werden und somit verantwortlich für Nachteile auf die Fitness höherer trophischer Ebenen sind.

III.) In der zweiten Studie untersuchten wir den Einfluss von Pflanzenalter und Saison auf Wachstum des Endophyten und dessen Alkaloid Produktion. Pflanzen wurden im April 2013 gesät und über einen Zeitraum von 30 Monaten monatlich beprobt. Endophyten Wachstum wurde mittels real-time PCR (qPCR) und Alkaloide mittels UPLC-MS quantifiziert. Wir zeigten, dass Pilzwachstum und Alkaloid Produktion einer saisonalen Rhythmik folgen und Alkaloid Konzentrationen zudem mit dem Pflanzenalter ansteigen. Demzufolge tragen Pflanzenalter und Saison zur Toxizität von endophytischen Pilzen bei. Alkaloid Konzentrationen sind am höchsten im Sommer, wenn auch die Abundanzen von Herbivoren besonders hoch sind.

IV.) In der dritten Studie simulierten wir frühzeitiges Blattlausvorkommen, indem wir Blattlausabundanzen auf Endophyten freien und infizierten Graspflanzen im Frühling erhöhten und die Reaktionen auf drei trophischen Ebenen analysierten. Top-Down Kontrolle durch Blattlausprädatoren wurde nicht von erhöhten Blattlausabundanzen beeinflusst, aber innerhalb von zwei Wochen nach ihrem Erscheinen, reduzierten Prädatoren die Anzahl an Blattläusen erheblich, unabhängig von den Blattlausabundanzen. Bottom-Up Kontrolle durch erhöhtes Wachstum der Grasendophyten war zeitlich verzögert, zwei Wochen nachdem Blattlausabundanzen ihre Maxima erreichten und bereits durch Prädatoren stark dezimiert waren. Daraus schlussfolgern wir, dass Phänologieverschiebungen von pflanzenfressenden Insekten multi-trophische Interaktionen beeinflussen und zu einer Desynchronisierung der Phänologien von interagierenden Arten und somit unausgeglichenen Beziehungen in Nahrungsnetzen führen können.

V.) In der vierten Studie analysierten wir, ob Herbivore Insekten das Wachstum und die Alkaloid Produktion von endophytischen Pilzen induzieren und ob verschiedene Arten von Herbivorie die Produktion spezifischer Alkaloide induzieren. Wir applizierten drei verschieden Arten von Pflanzenfraß Treatments an Endophyten infiziertem Grass über einen Zeitraum von 18 Wochen und fanden heraus, dass Heuschrecken eine Erhöhung der Konzentration des insektenwirksamen Alkaloids induzieren und Schnitt der Pflanze (Simulierung von Weidevieh) eine Erhöhung des Vertebraten toxischen Alkaloids Lolitrem B. Herbivorie durch Blattläuse hatte keinen Einfluss auf Konzentrationen von Endophyten produzierten Alkaloiden. Reaktionen von endophytischen Pilzen auf Herbivorie sind demnach artspezifisch, was darauf hinweist, dass Alkaloide vorrangig zu Pflanzenschutz Zwecken gegen Fraßfeinde produziert werden.

VI.) Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass die von endophytischen Pilzen produzierten Alkaloide, Organismen höherer trophischer Ebenen beeinflussen können und dass Alkaloid Konzentrationen im Wirtsgras von Herbivorietyp, Pflanzenalter und saisonbedingten Umwelteinflüssen abhängig sind. Schlussendlich deuten unsere Ergebnisse auf eine enge chemische Verständigung zwischen Wirtsgras und endophytischem Pilz hin, empfindlich gegenüber Umweltveränderungen, die folglich eine Veränderung in der Konzentration von Endophyten produzierten Alkaloiden auslösen. Zukünftige Studien sollten die Mechanismen hinter induziertem Anstieg von Alkaloid Konzentrationen analysieren, speziell, ob Pflanzensignale die Reaktion des Endophyten auf Herbivorie vermitteln. Weiterhin könnte eine Endophyten-vermittelte Induktion von indirekter Pflanzenabwehr zur Interaktion zwischen mehreren trophischen Ebenen beitragen.

Indexing (document details)
Advisor: Krauss , Jochen , Müller , Martin J
Commitee:
School: Bayerische Julius-Maximilians-Universitaet Wuerzburg (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/7(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Biology
Keywords: Herbivores
Publication Number: 27766766
ISBN: 9781392667507
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