Розгадування чергування Cacopsylla pruni на рослині-господарі - Дорослі, але німфи можуть вижити на хвойних деревах завдяки складу флоеми/ксилеми

Jannicke Gallinger

1 Лабораторія прикладної хімічної екології, Федеральний науково-дослідний центр культурних рослин, Інститут захисту рослин у плодових культурах та виноградарстві, Юліус Кюн-Інститут, Доссенхайм, Німеччина

2 Кафедра хімічної екології рослин, Технічний університет Дармштадта, Дармштадт, Німеччина

Юрген Гросс

2 Кафедра хімічної екології рослин, Технічний університет Дармштадта, Дармштадт, Німеччина

Анотація

Вступ

Псиліди або воші, що стрибають, - це комахи, що живлять рослинний сок, охоплюючи понад 3000 видів. Більшість з них є олігофагами і використовують багаторічні дводольні покритонасінні рослини як рослини-хазяїни для розмноження (Hodkinson, 2009; Mayer et al., 2009, 2011). У роду Cacopsylla можна спостерігати дві різні стратегії: Існують види поліволтину, які розмножуються і харчуються виключно однією рослиною-хазяїном і одновольтові види з обов’язковим чергуванням двох рослин-господарів (Ossiannilsson, 1992; Hodkinson, 2009). Останні мігрують між своїми рослинами-хазяїнами, що розмножуються (відповідні плодові культури), та їх зимуючими рослинами-хазяїнами (хвойні породи) (Mayer and Gross, 2007; Mayer et al., 2011). Для ідентифікації їх конкретних рослин-господарів для годівлі та розмноження у багатьох видів під час міграції використовуються летючі сигнали (Soroker et al., 2004; Gross and Mekonen, 2005; Mayer et al., 2008a, b, 2009; Weintraub and Gross, 2013 ).

Тут ми вивчали харчову поведінку дорослих та німф на кількох видах хвойних порід, а також на Prunus domestica, та проводили біопроби, щоб виявити здатність C. pruni виживати та розвиватися на соках рослин зимуючих господарів. Крім того, ми витягли сік флоеми/ксилеми обох Prunus spp. і хвойні дерева та аналізовані цукри та органічні кислоти, включаючи амінокислоти.

Матеріали і методи

Комахи

Ремігрантів Cacopsylla pruni (перезимували дорослі особини) було спіймано методом биття з дерев Prunus domestica, розташованих на дослідному полі Інституту Юлія Кюна в Доссенхаймі, Німеччина, та в експериментальному саду Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum Rheinpfalz, Neustadt an der Weinstrasse, Німеччина весна 2017. Псиліди утримувались на деревах Prunus (cv. GF655/2 та Prunus spinosa) у клітках, розміщених у кліматичній камері при 20 ° C під час фотофази та 16 ° C під час скотофази (L16: D8). Після спаровування та відкладення яєць польові дорослі особини були переведені в клітини зі свіжими рослинами. Для експериментів з виживання близько 200 німф п'ятого віку акуратно переносили на нове дерево P. domestica (cv. Wavit) і щодня збирали нових дорослих (емігрантів).

Рослини

Для експериментів були використані чотири види хвойних порід, Abies alba (срібляста ялина), Larix decidua (європейська модрина), Picea abies (ялина норвезька), Pinus sylvestris (сосна звичайна) та сорт P. domestica Wavit. Рослини вирощували в природних умовах у безпечному для комах середовищі. Hexythiazox (Ordoval, BASF, Ludwigshafen am Rhein, Germany) та Fenpyroximate (Kiron, Cheminova Deutschland GmbH & Co. KG, Stade, Germany) застосовувались одноразово до рослин P. domestica у квітні 2017 року, щоб запобігти зараженню павутинними кліщами.

EPG-записи

Біопроби

Виживання

(A – D) Приклади записів EPG від німф C. pruni (5-й етап) на смереці (A) з детальним збільшенням форми хвилі фази флоеми (B) і на ялиці (C) з докладним збільшенням форми сигналу живлення ксилеми (D). (E, F) Приклади записів від самки C. pruni емігрантки на модрині (E) і чоловік-емігрант на ялиці (F) з помітними фазами проникнення та подачі.

Біопроби

Виживання

Нещодавно вибулі C. pruni емігранти вижили на P. abies та A. alba до тих пір, поки на P. domestica cv. Вавіт (Рисунок Рисунок2 2 ). Регресійна модель Кокса показала, що небезпека смерті суттєво різнилася між рослинами-господарями та контрольними групами без забезпечення їжею (коефіцієнт вірогідності = 81,76, df = 3, R 2 = 0,431, p 2 = 0,431, p = 0,803) та A. alba (коефіцієнт вірогідності = 81,76, df = 3, R 2 = 0,431, p = 0,846). Емігранти на всіх трьох потенційних видах рослин-господарів мали значно нижчий ризик смерті, ніж псиліди без їжі (контроль). Співвідношення небезпеки було зменшено на 97, 97 та 96%, якщо C. pruni дозволялося харчуватися P. abies, A. alba або P. domestica cv. Wavit, відповідно.

Кількість виселених C. pruni емігрантів з німф (2-й етап) на P. abies, A. alba та P. domestica cv. Wavit.

Хімічний склад вмісту флоеми та ксилеми

Види рослин суттєво відрізнялись за хімічним складом цукрів та інших сполук, виявлених методом ГХ-МС-аналізу після дериватизації ТМС рослинного соку (ПЕРМАНОВА, df = 4, R 2 = 60,83, N = 10000, Р 0,05), підтверджуючи, що поділ видів було обумовлено їх місцезнаходженням. Діаграма NMDS ілюструє відмінності хімічних профілів (Рисунок Рисунок4 4 ).

Візуалізація відмінностей Брея – Кертіса на ділянках неметричного багатовимірного масштабування (NMDS) (стрес = 0,14) зразків соку рослин із ялини (n = 10), сосни (n = 6), модрини (n = 6), ялиці (n = 10), і P. domestica cv. Вавіт (n = 11) після метоксимації з подальшим триметилсилилированием.

Рослинні соки дерев P. domestica містили високу кількість сорбіту. Цей цукровий спирт становив близько 58% рослинного соку з P. domestica cv. Wavit, але не був виявлений у зразках хвойних дерев (Рисунок Рисунок5 5 ). На відміну від цього, пінітол містився виключно в рослинному соку з хвойних дерев. Однак найбільш поширеним компонентом була хінова кислота у всіх зразках хвойних порід (Рисунок Рисунок5 5 ). Відносна кількість хінової кислоти коливалася від 30% у сосні до 56% у смереці. Зразки соку P. domestica складалися з 80% цукрів та цукрових спиртів та 18% кислот, тоді як зразки ялини, ялиці, сосни та модрини складалися з 29, 41, 50 та 36% цукрів та цукрових спиртів та 69, 53, 43 та 61% кислот відповідно.

Склад цукрів та кислот у вмісті судинних пучків P. domestica cv. Вавіт (n = 11), ялина (n = 10), ялиця (n = 10), сосна (n = 6) та модрина (n = 6). Рослинний сік збирали центрифугуванням та дериватизували триметилсилілюванням після метоксимації. Темно-синій означає високу відносну кількість компонентів, світло-блакитний - низьку. Числа - це середні значення відносної чисельності.

Склад амінокислот та інших органічних кислот суттєво відрізнявся між видами рослин (ПЕРМАНОВА, df = 4, R 2 = 46,85, N = 10000, P Рисунок 6 6 ). Ділянка NMDS показує, що кофеїнова кислота та аспарагін сприяють виділенню P. domestica cv. Вавіт з хвойних дерев (Рисунок Рисунок6 6 ). Кавова кислота була виключно виявлена у P. domestica cv. Wavit, тоді як аспарагіну було більше в P. domestica cv. Вавіт, як у P. abies та A. alba (Рисунок Рисунок 7 7 ).

Візуалізація відмінностей Брея – Кертіса на ділянках NMDS (стрес: 0,13) зразків соку рослин із ялини (n = 8), сосни (n = 6), модрини (n = 6), ялиці (n = 10) та P. domestica cv. Дериватизація Wavit (n = 10) метилхлороформатом.

Склад органічних кислот у вмісті судинних пучків P. domestica cv. Вавіт (n = 10), ялина (n = 8), ялина (n = 10), сосна (n = 6) та модрина (n = 6). Рослинний сік збирали центрифугуванням та дериватизацією метилхлороформатом. Темно-зелений вказує на високий відносний вміст відповідної органічної кислоти, світло-зелений - на низький. Числа - це середні значення відносної чисельності.

Основним органічним кислотним компонентом у рослинному соку всіх випробуваних видів рослин була яблучна кислота (29–48%). Аспарагінова кислота була другим за поширеністю компонентом у всіх рослинах, за винятком модрини, яка містила більше глутамінової кислоти. Виявлені відмінності між видами рослин щодо відносної кількості лізину у складі соку рослини. Лізин представляв близько 17% зразків соку ялин і був третім за кількістю компонентів у цих деревах, оскільки глутамінова кислота була в ялиці (10%), сосні (15%) та P. domestica cv. Wavit (12%) (Рисунок Рисунок 7 7 ). Цистеїн, метіонін та треонін знаходились під межами виявлення у всіх зразках. Графіки NMDS вказують на відповідальність незамінних амінокислот тирозину, триптофану, лізину та гістидину за відділення ялини та ялиці від P. domestica cv. Вавіт (Рисунок Рисунок6 6 ).

Обговорення

Аналіз GC-MS виявив величезні відмінності в хімічному складі соку рослин виду Rosacea P. domestica cv. Вавіт та чотири вивчені види хвойних порід. Особливо відсутність сорбіту у всіх чотирьох хвойних деревах, а також велика кількість хінової кислоти та пінітолу (що не було виявлено у дерев Прунус) може бути складною для флоем, що живлять комах, які чергуються між розацеа та хвойними рослинами протягом свого життєвого циклу. Незважаючи на те, що було відомо, що голки ялини містять хінову кислоту, шикімову кислоту, фруктозу, глюкозу, сахарозу та пінітол (Schopf et al., 1982), на сьогоднішній день було неясно, в якій пропорції вони трапляються у флоемі та ксилемі хвойних дерев, і як їх пропорція відрізняється у різних порід дерев.

До сьогоднішнього дня було поширеним переконанням, що хвойні рослини використовуються мігруючими видами Cacopsylla, такими як C. pruni, C. picta та C. melanoneura, для укриття виключно в зимовий час (Burckhardt et al., 2014; Jarausch and Jarausch, 2016). У представленому дослідженні ми вперше змогли продемонструвати, що хвойні рослини є не тільки притулком для мігруючих видів, що належать до роду Cacopsylla, але також важливим харчовим ресурсом, що дозволяє перезимувати. Таким чином, термін "рослина-притулок" у подальшому повинен бути замінений на "перезимуючий господар" або просто "рослина-альтернатор".

Через відсутність знань про те, що псиллиди живляться хвойними породами, вплив таких складових флоеми, як хінова кислота, шикімова кислота та пінітол, на поведінку та розвиток псилідів раніше не вивчався. Пінітол - це циклічний поліол, який служить осмопротектором і бере участь у широкому спектрі фізіологічних процесів у рослин (Chiera et al., 2006; Kordan et al., 2011; Saxena et al., 2013). Він міститься в хвойних, бобових (Fabaceae) та Caryophyllales, таких як Simmondsia chinensis (Angyal and Macdonald, 1952; Dittrich and Korak, 1984; Guo and Oosterhuis, 1995; Chiera et al., 2006). D-пінітол викликає яйцекладку трави жовтої метелики Eurema mandarina (Mukae et al., 2016). Однак впливу пінітолу з флоеми люцерни на флоєму, що годує горохову попелицю, виявити не вдалося (Campbell and Binder, 1984).

Є дані про те, що дорослі та німфи псиліди толерантні до високого осмотичного тиску у їх дієтах (Hall et al., 2010; Russell and Pelz-Stelinski, 2015). Тому ми висуваємо гіпотезу про відсутність негативного впливу пінітолу на C. pruni, навіть якщо він зустрічається у великих кількостях у перезимуючих господарів. Навпаки, пінітол може виступати механізмом захисту від стресового замерзання, як показано для інших поліолів (Бейл, 2002). Температура замерзання зеленої ялинової попелиці знижується у присутності маніту в гемолімфі попелиці (Parry, 1979). Білокрилки накопичують сорбіт для термо- та осмозахисту (Hendrix and Salvucci, 1998). Sømme (1965) виявив накопичення сорбіту в зимуючих яйцях європейського червоного кліща (Panonychus ulmi).

Висновок

Ніякі механічні та хімічні кордони не заважають дорослим C. pruni та німфам харчуватися хвойними породами. Емігранти харчуються та виживають на своїх зимуючих господарях. Німфи можуть харчуватися, але не можуть розвиватися на смереці та ялиці. Ймовірно, це пов’язано із значними відмінностями у складі органічних кислот та цукрів між соками рослин хвойних дерев та P. domestica. Крім того, експерименти з годуванням німф на штучних дієтах повинні виявити, які компоненти відповідають за успішний розвиток C. pruni. Крім того, більше розуміння складу флоемового соку може відкрити нові можливості для культивування фітоплазми та дослідження патогенів.

Внески автора

JGa та JGr розробляли дослідження, сприяли інтерпретації даних, затверджували остаточну версію рукопису та забезпечували точність та цілісність роботи. JGa провів експерименти та аналіз і написав перший проект рукопису, який переглянув і відредагував JGr. JGr контролював проект.

Заява про конфлікт інтересів

Автори заявляють, що дослідження проводилось за відсутності будь-яких комерційних або фінансових відносин, які можна трактувати як потенційний конфлікт інтересів.

Подяка

Ми вдячні Моніці Бауерле та Анжі Франк за чудову експериментальну допомогу та Феліксу Хергенхану (JKI, Доссенхайм, Німеччина) за вирощування рослин. Ми вдячні Margit Rid (JKI, Dossenheim, Germany) за корисні поради щодо AMDIS. Ми вдячні Єві Гросс (Шрісхайм, Німеччина) за редагування мови.

Виноски

Фінансування. JGa підтримав фонд “Landwirtschaftliche Rentenbank” номер 28RF4IP008.