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Doctoral Thesis
2021
Morphological and chemical plant properties mediate host plant selection of whiteflies (Hemiptera: Aleyrodidae)
Morphological and chemical plant properties mediate host plant selection of whiteflies (Hemiptera: Aleyrodidae)
Abstract (English)
Whiteflies are among the most important pests causing severe damage to numerous cultivated and ornamental plants worldwide. The present dissertation comprises four studies and contributes to the knowledge of the host plant selection process by whiteflies.
In the first study, host preferences were determined in dual choice tests for Aleyrodes proletella (L.), Bemisia tabaci (Genn.), and Trialeurodes vaporariorum (Westw.) on several host plants. On the one hand, this study extends the knowledge on the food spectrum of these economically important pests; on the other hand, the results highlight the host adaptation of whiteflies.
The second study elucidated potential sources of host plant resistance against A. proletella, B. tabaci, and T. vaporariorum by recording their probing and feeding behaviour on two host plants each using the electrical penetration graph (EPG) method. It is concluded that whiteflies decide upon host plant acceptance by evaluation of multiple plant factors located in epidermal and/or mesophyll tissues of leaves as well as in the phloem sap of plants. Moreover, epicuticular leaf waxes are a key factor in the host selection process of A. proletella. It is hypothesized that constituents of the leaf surface wax act as stimulants promoting leaf penetration and phloem accession. The findings of this study shed light on the whitefly-host adaptation.
The goal of the third study was to identify the role of epicuticular leaf waxes of several Brassica cultivars in the host selection process of A. proletella. For this purpose, dual choice tests were carried out on both waxy and dewaxed plant leaves as well as on ParafilmĀ® treated with different leaf wax extracts. Also, life-history traits were monitored on waxy and dewaxed leaves, and the feeding activity of A. proletella was recorded on ParafilmĀ® with and without leaf wax extracts. Scanning electron microscopy (SEM) imaging was used to visualize epicuticular leaf waxes on the plant surface. Finally, it was proved that leaf surface waxes of host plants promote feeding and act as phagostimulants. Although the wax compounds mediating host plant selection remain unknown, these findings offer breeding potential for resistant crop cultivars.
In the fourth study, the influence of free phloem amino acids on the host plant selection of T. vaporariorum was investigated. Via liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS), the amino acid profiles in the phloem sap of six vegetable crops varying in their host plant attractiveness were analysed. Subsequently, stepwise multiple regressions of the relative amino acid compositions and the pre-determined host plant preferences were performed. To verify the contribution of single amino acids on host choice, dual choice tests on sucrose media with and without added single amino acids were carried out. Single amino acids play an active role in phagostimulation, whereas some amino acids exert strong inhibitory effects. This indicates that the dominant presence of such amino acids might reduce phloem sap uptake, thus contributing to host plant resistance towards T. vaporariorum.
Overall, this research compared the host selection process of three whitefly species to identify their underlying mechanisms. It is hypothesized that the observed host selection strategies are the result of evolutionary adaptations between whiteflies and their host plants. Depending on the occupied ecological niche, species-specific host plant ranges of varying complexity were formed. Accordingly, the host selection process of the more specialised species A. proletella is particularly efficient by consideration of characteristic leaf surface wax stimuli. In contrast, host selection of the extreme generalists B. tabaci and T. vaporariorum is regulated by simple gustatory stimuli in order to take advantage of the host diversity they are offered. The findings of this research provide the basis for new approaches to optimizing breeding programs for whitefly resistant crops.
Abstract (German)
WeiĆe Fliegen zƤhlen zu den bedeutendsten SchƤdlingen, die weltweit erhebliche SchƤden an zahlreichen Kultur- und Zierpflanzen verursachen. Die vorliegende Dissertation umfasst vier Studien und gibt Aufschluss Ć¼ber den Auswahlprozess von Wirtspflanzen durch WeiĆe Fliegen.
In der ersten Studie wurden in Dual-Choice-Tests die WirtsprƤferenzen von Aleyrodes proletella (L.), Bemisia tabaci (Genn.) und Trialeurodes vaporariorum (Westw.) fĆ¼r mehrere Wirtspflanzen bestimmt. Einerseits erweitert diese Studie den Kenntnisstand hinsichtlich des Nahrungsspektrums dieser wirtschaftlich bedeutenden SchƤdlinge, andererseits unterstreichen die Ergebnisse die Wirtsanpassung der WeiĆen Fliege.
Die zweite Studie beleuchtete anhand der Aufzeichnung des Probe- und Nahrungsaufnahmeverhaltens von A. proletella, B. tabaci und T. vaporariorum an je zwei Wirtspflanzen potenzielle Quellen der Wirtspflanzenresistenz mittels der electrical penetration graph (EPG)-Methode. Die Ergebnisse lassen darauf schlieĆen, dass WeiĆe Fliegen anhand der Bewertung mehrerer Pflanzenfaktoren, die sich sowohl in den epidermalen und/oder mesophyllischen Gewebsschichten der BlƤtter als auch im Phloemsaft der Pflanzen befinden, Ć¼ber die Akzeptanz einer Wirtspflanze entscheiden. DarĆ¼ber hinaus stellen epikutikulƤre Blattwachse einen SchlĆ¼sselfaktor im Wirtsselektionsprozess von A. proletella dar. Daraus lƤsst sich die Hypothese ableiten, dass Bestandteile des BlattoberflƤchenwachses als Stimulanzien wirken, die die Blattpenetration und das Erreichen des Phloems fƶrdern. Die Ergebnisse dieser Studie beleuchten die Anpassung von WeiĆen Fliegen an ihre jeweiligen Wirtspflanzen.
Das Ziel der dritten Studie war es, die Rolle epikutikulƤrer Blattwachse mehrerer Brassica-Sorten im Wirtsselektionsprozess von A. proletella zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden Dual-Choice-Tests an bewachsten und entwachsten PflanzenblƤttern sowie mit ParafilmĀ®, der mit verschiedenen Blattwachsextrakten behandelt wurde, durchgefĆ¼hrt. AuĆerdem wurden lebensgeschichtliche Parameter auf bewachsten und entwachsten BlƤttern ermittelt und die NahrungsaufnahmeaktivitƤt von A. proletella auf ParafilmĀ® mit und ohne Blattwachsextrakten erfasst. Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurde zur Visualisierung epikutikulƤrer Blattwachse auf der PflanzenoberflƤche eingesetzt. SchlieĆlich wurde nachgewiesen, dass BlattoberflƤchenwachse der Wirtspflanzen die Nahrungsaufnahme fƶrdern und als Phagostimulans wirken. Obwohl die Wachsverbindungen, die die Selektion von Wirtspflanzen bestimmen, unbekannt bleiben, bieten diese Erkenntnisse Potenzial fĆ¼r die ZĆ¼chtung resistenter Kultursorten.
In der vierten Studie wurde der Einfluss von den im Phloemsaft befindlichen freien AminosƤuren auf die Wirtspflanzenselektion von T. vaporariorum untersucht. Mittels FlĆ¼ssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung (LC-MS) wurden die AminosƤureprofile im Phloemsaft von sechs GemĆ¼sekulturen analysiert, die sich hinsichtlich ihrer WirtspflanzenattraktivitƤt unterschieden. AnschlieĆend wurden schrittweise multiple Regressionen unter Einbezug der relativen AminosƤure-Zusammensetzungen und den zuvor bestimmten WirtsprƤferenzen durchgefĆ¼hrt. Um den Beitrag einzelner AminosƤuren in Bezug auf die Wirtswahl zu verifizieren, wurden Dual-Choice-Tests auf Saccharosemedien mit und ohne Zusatz einzelner AminosƤuren durchgefĆ¼hrt. Einzelne AminosƤuren spielen eine aktive Rolle bei der Phagostimulation, wƤhrend einige AminosƤuren starke hemmende Effekte ausĆ¼bten. Dies deutet darauf hin, dass die dominante Anwesenheit solcher AminosƤuren die Aufnahme des Phloemsaft reduziert und damit zur Resistenz von Wirtspflanzen gegenĆ¼ber T. vaporariorum beitrƤgt.
Insgesamt wurde im Rahmen dieser Forschungsarbeit der Auswahlprozess dreier Arten WeiĆer Fliegen miteinander verglichen, um die ihnen zugrunde liegenden Mechanismen zu identifizieren. Es wird postuliert, dass die beobachteten Wirtsselektionsstrategien das Ergebnis von evolutionƤren Anpassungen zwischen WeiĆen Fliegen und ihren Wirtspflanzen sind. Entsprechend der jeweiligen besetzten ƶkologischen Nische bildeten sich artspezifische Wirtspflanzenspektren von unterschiedlicher KomplexitƤt. Demzufolge gestaltet sich der Wirtsselektionsprozess der spezialisierteren Art A. proletella durch die BerĆ¼cksichtigung charakteristischer Reize, welche von BlattoberflƤchenwachsen ausgehen, als besonders effizient. Im Gegensatz dazu wird das Wirtswahlverhalten der extremen Generalisten B. tabaci und T. vaporariorum von einfachen gustatorischen Reizen gesteuert, um die sich ihnen bietende Wirtsvielfalt auszunutzen. Die Ergebnisse dieser Forschung bilden die Grundlage neuer Ansatzpunkte fĆ¼r die Optimierung von ZĆ¼chtungsprogrammen fĆ¼r Nutzpflanzen, die gegen WeiĆe Fliegen resistent sind.
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Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Phytomedicine
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2021-05-05
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English
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Classification (DDC)
570 Biology