Otiorhynchus spp. (Coleoptera: Curculionidae) as pests in horticulture: genetics and management options with entomopathogenic fungi

Doctoral thesis English OPEN
Hirsch, Jacqueline (2012)
  • Publisher: Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Zoologie
  • Subject: Rüsselkäfer | Entomopathogene Pilze | Endosymbiont | Fingerprint | 454 Pyrosequenzierung | weevils | entomopathogenic fungi | endosymbionts | 454 pyrosequencing | fingerprint | Life sciences
    • ddc: ddc:570

Worldwide, weevils of the genus Otiorhynchus (Coleoptera: Curculionidae) cause damage with detrimental economic effects to many horticultural crops due to the root feeding of their larvae as well as foliage feeding of their adults. Aside from the black vine weevil Otiorhynchus sulcatus, which is the best-known pest within this genus, numerous other Otiorhynchus species have been increasingly recognized as pests in recent years. Nocturnal adult weevils and soil-inhibiting larvae are in principle difficult to control with biological or chemical plant protection products. In addition, each Otiorhynchus species shows a different phenology or may have a varying susceptibility towards plant protection products. Therefore, the exact species identification of the respective weevil pest is a prerequisite for the development of efficient control strategies. While adult weevils can be distinguished by phenotypical characteristics, the determination of Otiorhynchus eggs, larvae and pupae, only on the basis of morphological features, is nearly impossible. For that reason, a molecular diagnostic method, which allows the species determination of 16 Otiorhynchus and eight other weevil species, independent of their developmental stage, was developed. This diagnostic method might be used in future for fast and cost-efficient species identification of weevils in plant protection. The application of entomopathogenic nematodes is a well established method for biological control of O. sulcatus larvae. Another biocontrol strategy is the application of entomopathogenic fungi. So far, both entomopathogenic fungi and nematodes have been used mainly against the black vine weevil. As less is known about the effectiveness of entomopathogenic fungi against different Otiorhynchus species, the present thesis analysed the efficacy of the entomopathogenic fungi Beauveria bassiana, Isaria fumosorosea and Metarhizium anisopliae (formulated in the commercially available products Naturalis®, PreFeRal® WG and GranMet-P®, respectively) against different developmental stages of several Otiorhynchus species under laboratory conditions. Infection experiments revealed that different species of adult Otiorhynchus weevils show a different susceptibility to the analysed entomopathogenic fungi. In addition, a method to quantify the efficacy of entomopathogenic fungi against adult Otiorhynchus spp. under field conditions was developed. Worldwide, entomopathogenic fungi, in particular the species B. bassiana, are used for biological insect pest control. They are either incorporated into the potting media at the time of planting or applied directly onto the plant or onto the surface of the soil. While the effect of entomopathogenic fungi against insects has been well studied, little is known so far about their fate, spread and influence on the naturally occurring soil fungi. As decomposers of dead organic material or as mycorrhizal symbionts of plants, fungi play an important role in the terrestrial ecosystem. New insights into the fate, spread and interactions of entomopathogenic fungi and soil-inhabiting microorganisms could therefore provide important information for proper risk assessment of plant protection products which are based on entomopathogenic fungi. For this reason, the influence of the entomopathogenic fungus B. bassiana strain ITCC 4688 on the indigenous fungal diversity of an agricultural field was analysed. During the seven weeks of study B. bassiana became established within the field. In addition, a natural spread, as well as no effect on the diversity of the indigenous soil fungi was detected. As previously mentioned, in recent years additional different Otiorhynchus species have caused damage to numerous crops which are grown for horticultural purposes worldwide. The increasing extension of their geographic range is probably caused by climate change and/or an intensified international trade of infested plants. Several Otiorhynchus species are extremely polyphagous, have the potential to adapt to new host plants and reproduce by parthenogenesis. Those abilities may favour the establishment of an Otiorhynchus species in a newly colonised habitat. The genetic equipment of the weevils or the association with endosymbiotic bacteria may be responsible for the potential to adapt to new host plants or the parthenogenetic mode of reproduction. Therefore the endosymbiotical spectrum of four Otiorhynchus species was investigated. As one of the results, bacteria of the genera Rickettsia and ?Candidatus Nardonella? were detected. So far, the biological function of bacterial endosymbionts in Otiorhynchus spp. is speculative. However, new insights into the association of bacteria and weevils may be used in future to develop novel strategies for the control of Otiorhynchus pests. Rüsselkäfer der Gattung Otiorhynchus (Coleoptera: Curculionidae) verursachen durch Wurzelfraß als Larven sowie durch Blattfraß als adulte Tiere weltweit einen wirtschaftlichen Schaden an zahlreichen gartenbaulichen Kulturen. Neben dem bekanntesten Schädling dieser Gattung, dem Gefurchten Dickmaulrüssler Otiorhynchus sulcatus, traten in den vergangenen Jahren diverse andere Otiorhynchus Arten zunehmend als Schaderreger auf. Die nachtaktiven Käfer sowie die bodenbewohnenden Larven sind grundsätzlich schwer mit biologischen oder chemischen Pflanzenschutzmitteln zu bekämpfen. Da jede Otiorhynchus Art unterschiedlich empfindlich gegenüber Pflanzenschutzmitteln reagieren kann sowie ihre eigene Phänologie aufweist, ist die exakte Artbestimmung dieser Schädlinge eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung von effektiven Bekämpfungsstrategien. Adulte Rüsselkäfer lassen sich anhand ihrer Morphologie gut bestimmen. Die morphologische Artunterscheidung von Otiorhynchus Eiern, Larven und Puppen ist jedoch nahezu unmöglich. Deshalb wurde im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit ein molekulares Diagnoseverfahren entwickelt, das es ermöglicht 16 Otiorhynchus Arten und acht weitere Rüsselkäferarten, unabhängig von ihrem Entwicklungsstadium, zu bestimmen. Dieses Verfahren kann zukünftig als schnelle und kostengünstige Methode zur sicheren Identifikation von Rüsselkäfern im Pflanzenschutz eingesetzt werden. Zur biologischen Bekämpfung von O. sulcatus Larven werden in der Praxis häufig entomopathogene Nematoden verwendet. Eine weitere biologische Bekämpfungsmöglichkeit stellen entomopathogene Pilze dar. Bislang wurden sowohl entomopathogene Nematoden als auch Pilze hauptsächlich gegen den Gefurchten Dickmaulrüssler eingesetzt. Über die Wirksamkeit gegenüber anderen Otiorhynchus Arten ist jedoch nur wenig bekannt. Deshalb wurden die entomopathogenen Pilze Beauveria bassiana, Isaria fumosorosea und Metarhizium anisopliae, welche in den kommerziell erhältlichen Präparaten Naturalis®, PreFeRal® WG bzw. GranMet-P® enthalten sind, im Labor gegen unterschiedliche Entwicklungsstadien verschiedener Rüsselkäferarten der Gattung Otiorhynchus getestet. Es konnte gezeigt werden, dass verschiedene Otiorhynchus Arten als adulte Käfer unterschiedlich empfindlich gegenüber den getesteten entomopathogenen Pilzen sind. Außerdem wurde im Freiland eine Methode zur Quantifizierung der Effizienz von entomopathogenen Pilzen gegenüber adulten Käfern der Gattung Otiorhynchus etabliert. Entomopathogene Pilze, insbesondere die Art B. bassiana, werden weltweit zur biologischen Schädlingsbekämpfung von Insekten eingesetzt. Dabei kann das Kultursubstrat beim Topfen von Pflanzen mit entomopathogenen Pilzen gemischt werden oder die entomopathogenen Pilze werden direkt auf die Pflanze oder auf den Boden ausgebracht. Während die Wirkung von entomopathogenen Pilzen auf Insekten gut untersucht ist, ist bisher nur wenig über deren Persistenz, Verbreitung und Einfluss auf die im Boden natürlich vorkommenden Pilze bekannt. Pilze spielen z. B. als Zersetzer von totem organischem Material oder als Mykorrhiza-Symbionten von Pflanzen eine wichtige Rolle im terrestrischen Ökosystem. Neue Erkenntnisse über die Persistenz, Verbreitung sowie Interaktion von entomopathogenen Pilzen mit den im Boden lebenden Mikroorganismen könnten deshalb wichtige Informationen zur Risikobewertung von biologischen Pflanzenschutzmitteln basierend auf entomopathogenen Pilzen liefern. Aus diesem Grund wurde der Einfluss des entomopathogenen Pilzes B. bassiana Stamm ITCC 4688 auf die indigene Pilzdiversität einer landwirtschaftlich genutzten Ackerfläche untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich B. bassiana während des Untersuchungszeitraumes von sieben Wochen im Feld etablierte und verbreitete, sowie dass B. bassiana keinen Effekt auf die Diversität der natürlich vorkommenden Pilz-Gemeinschaft hatte. Wie bereits erwähnt, haben in den letzten Jahren vermehrt verschiedene Rüsselkäferarten der Gattung Otiorhynchus weltweit Schäden an zahlreichen gartenbaulichen Kulturen verursacht. Die zunehmende Ausbreitung der Arten ist wahrscheinlich auf den Klimawandel und/oder auf den verstärkten globalen Handel von befallenen Pflanzen zurückzuführen. Viele Otiorhynchus Arten sind extrem polyphag, besitzen das Potential sich an neue Wirtspflanzen anzupassen und vermehren sich durch Parthenogenese. Diese Fähigkeiten könnten die Etablierung einer Otiorhynchus Art in einem vorher unbesiedelten Gebiet begünstigen. Das Potential, sich an neue Wirtspflanzen anzupassen sowie die parthenogenetische Fortpflanzung könnten sowohl in der genetischen Ausstattung der Käfer als auch in einer Vergesellschaftung mit endosymbiontischen Bakterien begründet sein. Deshalb wurde im Rahmen der vorliegenden Dissertation das Endosymbiontenspektrum von vier verschiedenen Otiorhynchus Arten untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass unter anderem Bakterien der Gattungen Rickettsia sowie ?Candidatus Nardonella? in den untersuchten Käfern vorkamen. Die biologische Funktion dieser Endosymbionten ist bisher spekulativ. Erkenntnisse darüber könnten jedoch zukünftig zur Entwicklung von neuen Bekämpfungsstrategien gegenüber Rüsselkäfern der Gattung Otiorhynchus genutzt werden.
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