| License: Publishing license for publications excluding print on demand (3MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-300977
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.30097
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 7 April 2015 |
| Referee: | Prof. Dr. Joachim Ruther |
| Date of exam: | 17 June 2014 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie |
| Keywords: | Lariophagus distinguendus, cuticular hydrocarbon, 3-methylheptacosane, parasitoid, triacylglycerole |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 30097 |
Abstract (English)
Animals communicate with each other by means of optical, acoustic, tactile, electrical and chemical signals. This doctoral thesis deals with the contact sex pheromone of the parasitic wasp species Lariophagus distinguendus (Hymenoptera: Pteromalidae). Males respond to the cuticular lipids of conspecific females by stereotypic courtship behaviour. Young males and pupae of either sex also produce ...
Abstract (English)
Animals communicate with each other by means of optical, acoustic, tactile, electrical and chemical signals. This doctoral thesis deals with the contact sex pheromone of the parasitic wasp species Lariophagus distinguendus (Hymenoptera: Pteromalidae). Males respond to the cuticular lipids of conspecific females by stereotypic courtship behaviour. Young males and pupae of either sex also produce the cuticular lipids that release courtship behaviour in conspecific males. However, with increasing age, males actively remove 3 MeC27 and some other straight-chain alkanes and methylalkanes from their cuticular lipid profile. The disappearance of these components is accompanied by a loss in their attractiveness towards other males. The capability of the males to actively remove components of their cuticular lipid profile probably rendered a non-communicative barrier against water loss and pathogen attack into a species-specific contact sex pheromone. These findings from previous work led to some questions: is 3-MeC27 actually part of L. distinguendus contact sex pheromone? If this is true, is 3 MeC27 alone bioactive or only in combination with other cuticular lipids? Do L. distinguendus males respond enantioselectively towards 3-MeC27? Can the addition of synthetic 3-MeC27 onto the cuticle of aged males restore their bioactivity? Can 3-MeC27 be replaced by structurally related methylalkanes that differ in their chain length or the position of the methyl-branch? Or does the application of additional n-alkanes and structurally related methylalkanes interfere with the intact cuticular profile?
During this doctoral thesis, I have shown that 3-MeC27 is the key component of the female contact sex pheromone of L. distinguendus. However, unlike in other insects studied so far, the key component 3-MeC27 alone is not attractive to L. distinguendus males. For a full behavioural response, 3-MeC27 has to be perceived by the males together with a chemical background consisting of the other cuticular hydrocarbons (CHC) and hitherto widely ignored cuticular triacylglycerides (TAG). The occurrence of cuticular TAGs has probably been underestimated in the past and a behavioural function for TAGs is described here for the first time.
Behavioural experiments with fractionated wasp extracts and synthetic 3-MeC27 and other structurally related components revealed that the cuticular lipid profile of aged males can be rendered attractive again by the addition of synthetic 3-MeC27 in physiological amounts. L. distinguendus males responded specifically to even small variations of chain length or methyl-branch position of monomethylalkanes because chemically related components such as 3-MeC29 or 5-MeC27 could not replace 3-MeC27. On the contrary, the addition of such components rendered behaviourally active cuticular lipid profiles of females and young males unattractive. These results demonstrate that the contact sex pheromone in L. distinguendus is perceived as a whole, possibly by means of a specialized sensillum type as used by ants in the context of nestmate recognition.
The males of L. distinguendus were able to differentiate between the two enantiomers of 3 MeC27, but this was only behaviourally relevant when fractionated extracts combined with (R) or (S)-3-MeC27 were applied onto filter paper and offered to the responding males. In experiments with three-dimensional wasp dummies, however, L. distinguendus males did not show a preference for one of the enantiomers implying that a visual component of the dummy also plays a role.
During the development of parasitoids, the host is typically the only available food source. Hence, host species and quality might affect the CHC profiles of parasitoids and thus also its intraspecific communication. In this doctoral thesis it was shown that the CHC profiles of L. distinguendus wasps are host specific. CHC profiles of wasp strains reared on different host species were distinguishable by a non-metric multidimensional scaling (NMDS) and a non-parametric multivariate analysis of variance (NPMANOVA). In particular, wasps reared on Stegobium paniceum could be significantly distinguished from all wasps reared on other hosts according to their CHC profile. Remarkably, a host shift from Sitophilus granarius to Stegobium paniceum lead to a significant shift of the CHC profiles within one generation. Provided that these differences actually influence the mate recognition behaviour in L. distinguendus, these results suggest that host shifts might result in the reproductive isolation of host races and, in the long-term, end in speciation.
As part of this doctoral thesis, SPME-FAME-GC-MS was developed as a new easy-to-use method for the solvent-free analysis of more polar cuticular TAGs. With this method, the TAGs were sampled from the insect cuticle with the solid phase microextraction (SPME) and transesterified in situ with trimethylsulphonium hydroxide into more volatile fatty acid methyl esters (FAME). These can be analysed easily by standard gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC-MS) techniques. The occurrence of TAGs on the insect cuticle might have been widely underestimated, because their high melting points make them undetectable with standard GC-MS. Furthermore, the use of solvents for the extraction of cuticular lipids runs the risk of additionally extracting lipids from internal tissues. Six insect species from four different orders were analysed with the new method of SPME-FAME-GC-MS, and TAGs were detected on the cuticle of all examined species. Thus, TAGs might be far more common cuticular components of insects than usually thought.
Translation of the abstract (German)
Tiere kommunizieren untereinander mittels optischer, taktiler, elektrischer und chemischer Signale. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Kontakt-Sexualpheromon der parasitoiden Wespenart Lariophagus distinguendus (Hymenoptera: Pteromalidae). Die Männchen reagieren auf die kutikulären Lipide artgleicher Weibchen mit einem stereotypen Balzverhalten. Junge Männchen und die Puppen beider ...
Translation of the abstract (German)
Tiere kommunizieren untereinander mittels optischer, taktiler, elektrischer und chemischer Signale. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Kontakt-Sexualpheromon der parasitoiden Wespenart Lariophagus distinguendus (Hymenoptera: Pteromalidae). Die Männchen reagieren auf die kutikulären Lipide artgleicher Weibchen mit einem stereotypen Balzverhalten. Junge Männchen und die Puppen beider Geschlechter produzieren dieselben kutikulären Lipide, welche Paarungsverhalten bei artgleichen Männchen auslösen. Allerdings entfernen die Männchen mit zunehmendem Alter 3-MeC27, sowie andere n-Alkane und methylverzweigte Alkane aktiv aus ihrem kutikulären Lipid-Profil. Das Verschwinden dieser Komponenten von der Kutikula der Männchen geht mit einem Verlust ihrer Attraktivität gegenüber anderen, artgleichen Männchen einher. Die Fähigkeit der Männchen, aktiv und gezielt diese kutikulären Lipide zu entfernen, hat mutmaßlich eine Barriere gegen Krankheitserreger und Wasserverlust, welche vorher keine kommunikative Funktion hatte, in ein artspezifisches Kontakt-Sexualpheromon verwandelt. Diese Erkenntnisse aus vorangegangenen Arbeiten führen zu einer Reihe von Fragen: Ist 3-MeC27 tatsächlich ein Bestandteil des Kontakt-Sexualpheromons von L. distinguendus? Wenn das stimmt, ist dann 3-MeC27 alleine verhaltensaktiv oder nur in Kombination mit weiteren kutikulären Lipiden? Reagieren die L. distinguendus Männchen enantioselektiv auf 3 MeC27? Kann die Applikation von synthetischem 3-MeC27 auf die Kutikula von älteren Männchen deren Verhaltensaktivität wiederherstellen? Kann 3-MeC27 durch strukturell verwandte Methylalkane, welche sich in der Kettenlänge oder der Position der Methylverzweigung voneinander unterscheiden, ersetzt werden? Oder beeinträchtigt die Applikation zusätzlicher n-Alkane und Methylalkane sogar das intakte Kutikula-Profil?
Im Verlauf dieser Doktorarbeit habe ich herausgefunden, dass 3-MeC27 die Schlüsselkomponente des Kontakt-Sexualpheromons der Weibchen von L. distinguendus ist. Allerdings ist 3-MeC27 alleine, im Gegensatz zu Erkenntnissen aus Studien mit anderen Insekten, nicht attraktiv für L. distinguendus Männchen. Um das Balzverhalten der Männchen in vollem Umfang auszulösen, müssen die Männchen 3-MeC27 zusammen mit einem chemischen Hintergrund, bestehend aus den anderen kutikulären Kohlenwasserstoffen (CHC) und den bis dato weitgehend vernachlässigten Triacylglycerolen (TAG), wahrnehmen. Das TAGs ein Bestandteil der kutikulären Lipide sind, wurde in der Vergangenheit vermutlich unterschätzt. Eine verhaltensauslösende Funktion der TAGs wurde hier zum ersten Mal gezeigt.
Verhaltensexperimente mit fraktioniertem Wespenextrakt in Kombination mit synthetischem 3 MeC27 und anderen strukturell verwandten Komponenten haben gezeigt, dass die Attraktivität des kutikulären Lipidprofils von älteren Männchen durch den Zusatz von synthetischem 3-MeC27 in physiologischen Mengen wiederhergestellt werden kann. L. distinguendus Männchen reagieren sehr spezifisch, selbst auf geringfügige Veränderungen der Kettenlänge oder der Position des Verzweigungspunktes von Methylalkanen, da 3-MeC27 nicht durch chemisch verwandte Substanzen, wie 3-MeC29 oder 5-MeC27 ersetzt werden konnte. Im Gegenteil, die Zugabe solcher Komponenten führte dazu, dass die verhaltensaktiven kutikulären Lipid-Profile von Weibchen und jungen Männchen unattraktiv wurden. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Kontakt-Sexualpheromon von L. distinguendus als ein Ganzes wahrgenommen wird, mutmaßlich durch den Einsatz eines spezialisierten Sensillums, welches bei Ameisen zur Erkennung von Nestgenossen dient.
Die Männchen von L. distinguendus können zwischen den beiden Enantiomeren von 3 MeC27 unterscheiden, was sich aber im Verhalten nur dann auswirkt, wenn fraktionierte Extrakte zusammen mit synthetischem (R)- oder (S)-3-MeC27 auf Filterpapier aufgetragen und den Männchen angeboten werden. Die L. distinguendus Männchen zeigten dagegen in Experimenten mit dreidimensionalen Dummys keine Präferenz für eines der beiden Enantiomere. Dies lässt den Schluss zu, dass der Dummy als optische Komponente ebenfalls eine Rolle spielt.
Während der Entwicklung eines Parasitoiden, stellt dessen Wirt üblicherweise seine einzige Nahrungsquelle dar. Daher können die Spezies und die Qualität des Wirtes einen Einfluss auf das CHC Profil des Parasitoiden und seine Fähigkeiten zur intraspezifischen Kommunikation haben. In dieser Doktorarbeit konnte gezeigt werden, dass die CHC-Profile von L. distinguendus-Wespen wirtsspezifisch sind. CHC-Profile von Stämmen, die auf unterschiedlichen Wirten gezogen wurden, konnten mittels der nicht-metrischen multidimensionalen Skalierung (NMDS) und der nichtparametrischen multivariaten Varianzanalyse (NPMANOVA) voneinander unterschieden werden. Insbesondere Wespen, die auf Stegobium paniceum gezogen wurden, unterschieden sich in ihrem CHC Profil von allen Stämmen, die auf anderen Wirten gezogen wurden. Bemerkenswerterweise, führte ein Wirtswechsel von Sitophilus granarius auf Stegobium paniceum zu einem signifikant unterschiedlichem CHC Profil innerhalb von nur einer Generation nach dem Wirtswechsel. Unter der Voraussetzung, dass diese Unterschiede tatsächlich die Erkennung von Paarungspartnern beeinträchtigen, legen meine Ergebnisse nahe, dass solche Wirtswechsel eine reproduktive Isolation der Wirtsrassen verursachen und langfristig zur Artaufspaltung führen können.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde SPME-FAME-GC-MS als eine neue, einfach anzuwendende Methode zur lösungsmittelfreien Analyse der polaren, kutikulären Triacylglycerole (TAG) entwickelt. Mit dieser Methode, können die TAGs mittels der Festphasen-Mikroextraktion (SPME) direkt von der Kutikula gesammelt werden. Anschließend können sie noch auf der SPME-Faser, mittels Trimethylsulfoniumhydroxid in volatilere Fettsäuremethylester umgewandelt werden, welche mittels Standard- Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie (GC-MS) einfach nachweisbar sind. Das Vorhandensein von TAGs auf der Insekten-Kutikula wurde bisher auch aufgrund der hohen Schmelzpunkte von TAGs, welche eine Analyse ohne Derivatisierung mittels (GC-MS) unmöglich machen, vermutlich weitgehend unterschätzt. Der Einsatz von Lösungsmitteln zur Extraktion von kutikulären Lipiden birgt außerdem das Risiko, dass zusätzlich Lipide aus internen Geweben extrahiert werden. Sechs verschiedene Insektenarten aus vier verschiedenen Ordnungen wurden mit der neuen SPME-FAME-GC-MS Methode getestet, wobei TAGs auf der Kutikula von allen untersuchten Arten nachgewiesen werden konnten. TAGs sind daher vermutlich weit häufigere Bestandteile der Kutikula von Insekten als bisher angenommen.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 01:02
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