Diss. ETHNo. 15685
From the molecular to the behavioural level
in
insect-plant interactions: attraetion of a parasitic wasp
by herbivore-induced plant chemical signals
A dissertationsubmitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTEOF TECHNOLOGYZÜRICH
for the degree of
DoctorofNatural Sciences
Nadia
Scascighlni
Dipl. Agr. ETH
born25July 1975
Minusio (TI), Switzerland
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. S. Dorn, examiner
Prof. Dr. F. Jüttner, co-examiner
Prof. Dr. A. Schaller, co-examiner
Dr. A. Rott, co-examiner
2004
1
Summary
One of the most
fascinating mechanisms
herbivore-inducedvolatiles which
used by predators and parasitoids as
a cue
to find
tritrophic system of Brassica oleracea var.
gemmifera plants, Pieris brassicae caterpillarsand Cotesia glomerataparasitoids was
used as a model to elucidate central aspects of inducible defenses. An interdisciplinary
approach was thereby applied, using molecular,chemical, and behavioural methods, to
clarifyhow the volatile emissions ofthe cabbage plant are linked to the attraetionof the
their prey
or
host. In this
study,
are
in plant defense consists in the emission of
the
parasitoid in a well orchestrated defense system.
At the molecular level, the changes in the expression of genes as related to
the
produetion of the volatileswere monitored in order to elucidate the dynamics of defense
activation in herbivore-damaged and systemicallyinduced leaves of the cabbageplant
(chapter 4). Herbivorymainly triggers the expressions of genes of the myrosinaseglucosinolate system and of the pathways for the oxilipin and aromatic biosynthesis in
both herbivore-damaged and systemic leaves. No induction ofthe isoprenoid pathway,
which is responsible for the produetion of terpenoids, has been detected, thus induced
defenses in cabbage appear to rely mainly on direct defenses (i.e. glucosinolate
breakdown produets) and wound signaling (i.e. oxylipin biosynthesis produets).
At the chemical level, the temporal dynamics of the emission of volatiles upon
caterpillarfeedingwere monitored in a time course experiment (chapter 5) by means of
headspace gas chromatography-massspectrometry analyses. Two green leaf volatiles, a
terpenoid and a nitrile show a significant increase in their emissions within the first 5
hours following initial herbivory. Subsequently,the chemical Compounds of healthy and
herbivore-damagedcabbage leaves were characterizedusing the recently developed
SBSE (stir bar sorptive extraction) to allow a Statistical Simulationofthe parasitoid's
selective attention towards the chemical Stimuli it pereeives (chapter 6). The selective
attention of C. glomerata was emulated using PCA (principal components analysis)
which reduced the amount of Compounds to be considered for later investigations with
bioassays.
At the behavioural level, several bioassays were performed to assess the
attraetive effect and the dynamics of the volatiles emitted upon herbivory by cabbage
plants (chapter
changes
4 and 5). The responses of the parasitoid correlate well with both the
in gene expression observed at the molecular level and the emission of volatiles
monitored at the chemical level. In
an
additional set of bioassays, the
Compounds
that
statistically from the chemical analyses with SBSE were tested for their
bioactivity (chapter 6). Surprisingly, the combination of two Compounds, one green leaf
volatile and a nitrile, is sufficient to attract the parasitoid. In fact, these two Compounds
appear to provide the parasitoid C. glomerata with enough information as to plant
species and its damage Status.
In conclusion, this study provides valuable insights into the mechanisms shaping
the relationships within the organisms of this tritrophic system. In particular, the
dynamics of defense induction related to volatile emission in cabbage were elucidated
and the Compounds relevant for the attraetionofthe parasitoid have been identified.
were
selected
2
Riassunto
Uno dei meccanismi piü affascinanti
piante si difendono dall'attacco di
organismi erbivori consiste nell'emissionedi composti volatili i quali vengono utilizzati
da predatori e parassitoidi come segnale per localizzare le prede o gli ospiti. In questo
studio, il sistema tritrofico comprendente la pianta Brassica oleracea var. gemmifera
(cavolo cappuccio), l'erbivoro Pieris brassicae (cavolaia) e il parassitoide Cotesia
glomerata (vespabraconide) e stato usato come modello per approfondirealcuni aspetti
centrali di questo sistema di difesa. Si e applicato un approccio interdisciplinare, basato
su
con
cui le
metodi molecolari, chimici ed osservazionietologiche. L'obiettivo dello studio
e
di
pianta in relazione con l'emissione dei composti
volatili e di identificare quelli che attraggono il parassitoide.
A livello molecolare, i cambiamentinell'espressione dei geni in relazione con 1'
emissione delle sostanze volatili sono stati esaminati nelle foglie direttamente
danneggiate dall'erbivoro e in quelle sistemiche, cioe dov'era stato indotto un
meccanismo di difesa, per chiarire le dinamiche di attivazione delle difese nella pianta
del cavolo (capitolo 4). II danno provocato dell'erbivoro attiva soprattutto l'espressione
dei geni nel sistema mirosinasi-glucosinolati e quelli nella via della lipossigenasi e della
biosintesi dei composti aromatici in tutti i due tipi di foglia. Non e stata osservata alcuna
induzione nella via biosintetica degli isoprenoidi, per cui le difese indotte nel cavolo
sembrano contare principalmente sulle difese dirette (cioe i prodotti di degradazione dei
glucosinolati) e sulla trasduzione del segnale di attacco (prodotti di degradazione dei
lipoperossidi).
chiarire il sistema di difesa della
A livello
chimico, le
all'attacco dell'erbivoro
spettrometria di
sono
dinamiche di emissione dei
State monitorate mediante
composti
seguito
analisi gas-cromatografiche a
volatili in
(capitolo 5). Nelle prime 5 ore dopo l'inizio dell'attacco
dell'erbivoro si misura un aumento significativo nell'emissione di due "green leaf
volatiles", di un terpene e di un nitrile. In seguito, i composti chimici delle foglie di
cavolo, sane e danneggiate dall'erbivoro, sono stati caratterizzatiusando l'estrazione
per SBSE (stir bar sorptive extraction). Sui risultatidi queste analisi e stata eseguita una
massa
simulazione statistica dell'attenzione selettiva del
parassitoide
nei confronti
degli
percepisce (capitolo 6). L'attenzione selettiva di C. glomerata e
stata simulata mediante PCA (Analisi delle Component Principali) che ha cosi
contribuito alla riduzione dei composti chimici da considerare nelle mdagini con i
biosaggi.
A livello comportamentale, sono stati condotti diversi biosaggi per determinare
sia l'effetto di attrazione che le dinamiche temporali delle emissioni dalla pianta di
cavolo in seguito al danno dell'erbivoro (capitolo 4 e 5). Le risposte del parassitoide
corrispondono bene sia con i cambiamenti a livello molecolare nell'espressione dei
geni, sia con le emissioni dei composti volatili evidenziate dalle analisi chimiche. In
un'altra serie di biosaggi, i composti selezionati statisticamente dai risultati delle analisi
chimiche tramite SBSE sono stati testati per determinare la loro bioattivitä (capitolo 6).
Sorprendentemente, la combinazionedi due composti, un "green leaf volatile" con un
nitrile e sufficiente ad attrarre il parassitoide. In particolare, questi due composti
sembrano fornire Finformazione minima necessaria al parassitoide C. glomerata
riguardante la specie vegetale e il tipo di danno subito dalla pianta stessa.
stimoli chimici che
