Pea aphids, Acyrthosiphon pisum, have the potential to increase reproduction as a defence against pathogens, though how frequently this occurs or how infection with live pathogens influences this response is not well understood. Here we determine the minimum infective dose of an environmentally common bacterium and possible aphid pathogen, Pseudomonas syringae, to determine the likelihood of pathogenic effects to pea aphids. Additionally, we used P. syringae infection to investigate how live pathogens may alter reproductive rates. We found that oral bacterial exposure decreased subsequent survival of aphids in a dose-dependent manner and we estimate that ingestion of less than 10 bacterial cells is sufficient to increase aphid mortality. Pathogen dose was positively related to aphid reproduction. Aphids exposed to low bacterial doses showed decreased, although statistically indistinguishable, fecundity compared to controls. Aphids exposed to high doses reproduced significantly more than low dose treatments and also more, but not significantly so, than controls. These results are consistent with previous studies suggesting that pea aphids may use fecundity compensation as a response to pathogens. Consequently, even low levels of exposure to a common plant-associated bacterium may therefore have significant effects on pea aphid survival and reproduction.

The rotation of the earth leads to a cyclic change of night and day. Numerous strategies evolved to cope with diurnal change, as it is generally advantageous to be synchronous to the cyclic change in abiotic conditions. Diurnal rhythms are regulated by the circadian clock, a molecular feedback loop of RNA and protein levels with a period of circa 24 hours. Despite its importance for individuals as well as for species interactions, our knowledge of circadian clocks is mostly confined to few model organisms. While the structuring of activity is generally adaptive, a rigid temporal organization also has its drawbacks. For example, the specialization to a diurnal pattern limits the breadth of the temporal niche. Organisms that are adapted to a diurnal life style are often poor predators or foragers during night time, constraining the time budget to only diurnal parts of the day/night cycle. Climate change causes shifts in phenology (seasonal timing) and northward range expansions, and changes in season or in latitude are associated with novel day length – temperature correlations. Thus, seasonal organisms will have some life history stages exposed to novel day lengths, and I hypothesized that the diurnal niche determines whether the day length changes are beneficial or harmful for the organism. I thus studied the effects of day length on life-history traits in a multi-trophic system consisting of the pea aphid Acyrthosiphon pisum and predatory larvae of Chrysoperla carnea (common green lacewing) and Episyrphus balteatus (marmalade hoverfly). In order to identify the mechanisms for phenological constraints I then focused on diurnal rhythms and the circadian clock of the pea aphid. Aphids reacted to shorter days with a reduced fecundity and shorter reproductive period. Short days did however not impact population growth, because the fitness constraints only became apparent late in the individual’s life. In contrast, E. balteatus grew 13% faster in the shorter day treatment and preyed on significantly more aphids, whereas C. carnea grew 13% faster under longer days and the elevation of predation rates was marginally significant. These results show that day length affects vital life-history traits, but that the direction and effect size depends on species. I hypothesized that the constraints or fitness benefits are caused by a constricted or expanded time budget, and hence depend on the temporal niche. E. balteatus is indeed night-active and C. carnea appears to be crepuscular, but very little data exists for A. pisum. Hence, I reared the pea aphid on an artificial diet and recorded survival, moulting and honeydew excretion. The activity patterns were clearly rhythmic and molting and honeydew excretion were elevated during day-time. Thus, the diurnal niche could explain the observed, but weak, day length constraints of aphids. The diurnal niche of some organisms is remarkably flexible, and a flexible diurnal niche may explain why the day length constrains were relatively low in A. pisum. I thus studied its circadian clock, the mechanism that regulates diurnal rhythms. First, I improved an artificial diet for A. pisum, and added the food colorant Brilliant Blue FCF. This food colorant stained gut and honeydew in low concentration without causing mortalities, and thus made honeydew excretion visible under dim red light. I then used the blue diet to raise individual aphids in 16:08 LD and constant darkness (DD), and recorded honeydew excretion and molting under red light every three hours. In addition, we used a novel monitoring setup to track locomotor activity continuously in LD and DD. Both the locomotor rhythm and honeydew excretion of A. pisum appeared to be bimodal, peaking in early morning and in the afternoon in LD. Both metabolic and locomotor rhythm persisted also for some time under constant darkness, indicating that the rhythms are driven by a functional circadian clock. However, the metabolic rhythm damped within three to four days, whereas locomotor rhythmicity persisted with a complex distribution of several free-running periods. These results fit to a damped circadian clock that is driven by multiple oscillator populations, a model that has been proposed to link circadian clocks and photoperiodism, but never empirically tested. Overall, my studies integrate constraints in phenological adaptation with a mechanistic explanation. I showed that a shorter day length can constrain some species of a trophic network while being beneficial for others, and linked the differences to the diurnal niche of the species. I further demonstrated that a flexible circadian clock may alleviate the constraints, potentially by increasing the plasticity of the diurnal niche. / Die Rotation der Erde bedingt den zyklischen Wechsel von Tag und Nacht. Verschiedene Anpassungen an den täglichen Wechsel evolvierten, da es generell von Vorteil ist, mit der abiotischen Umwelt synchron zu sein. Die Tagesrhythmik wird von der circadianen Uhr reguliert, einem molekularen Rückkopplungsmechanismus auf RNA- und Protein- Ebene mit einer Periode von etwa 24 Stunden. Trotz der Bedeutung der circadianen Uhr, sowohl für Individuen als auch für Wechselwirkungen mit anderen Arten, ist unser Wissen auf wenige Modellorganismen beschränkt. Während die Strukturierung von Aktivitätsmustern im Wesentlichen adaptiv ist, kann eine strenge zeitliche Organisation auch Nachteile mit sich bringen. Zum Beispiel limitiert die Spezialisierung auf ein Aktivitätsmuster die Breite der zeitlichen Nische. So können tagaktive Organismen häufig nur schlecht in Dunkelheit Nahrung finden, so dass das Zeitbudget von der Tageszeit begrenzt wird. Der Klimawandel führt zu Veränderungen der Phänologie (saisonales Timing) und zur Ausbreitung der Arten Richtung Norden, und Veränderungen in der Phänologie oder im Breitengrad sind mit neuen Korrelationen von Tageslänge und Temperatur verknüpft. Daher werden einige Stadien im Lebenszyklus saisonaler Organismen neuen Tageslängen ausgesetzt. Ich habe die Hypothese aufgestellt, dass die zeitliche Nische bestimmt, ob Veränderungen in der Tageslänge für den Organismus von Vorteil oder von Nachteil sind. Daher untersuchte ich die Effekte von Tageslängen auf den Lebenszyklus von Arten in einem multi-trophischen System, bestehend aus der Erbsenblattlaus, Acyrthosiphon pisum und räuberisch lebenden Larven von Chrysoperla carnea (Gemeine Florfliege) und Episyrphus balteatus (Hainschwebfliege). Um die Mechanismen der Einschränkungen in der Phänologie zu verstehen, untersuchte ich anschließend die Tagesrhythmik und die circadiane Uhr der Erbsenblattlaus. Die Blattläuse haben auf Kurztagbedingungen mit einer niedrigeren Fruchtbarkeit und kürzerer Reproduktionsspanne reagiert. Kurze Tage haben jedoch nicht das Populationswachstum beeinflusst, da die Leistungseinbußen erst spät im Leben des Individuums in Erscheinung traten. Im Gegensatz zur Erbsenblattlaus entwickelte sich E. balteatus 13 % schneller unter Kurztagbedingungen und erbeutete signifikant mehr Blattläuse, während C. carnea sich 13% schneller unter Langtagbedingungen entwickelte und marginal höhere Prädationsraten erreichte. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Tageslänge wichtige Aspekte der Biologie von Organismen beeinflusst, aber dass die Richtung und Bedeutung von Art zu Art unterschiedlich ist. Ich nahm an, dass die Einschränkungen oder Vorteile durch ein verkleinertes oder vergrößertes Zeitbudget bestimmt werden und daher von der zeitlichen Nische abhängen. E. balteatus ist tatsächlich nachtaktiv, während C. carnea dämmerungsaktiv zu sein scheint. Für A. pisum existieren hingegen nur unzureichende Daten. Daher züchtete ich A. pisum auf künstlichem Futter und nahm Überlebensraten, Häutung und Honigtau-Exkretion auf. Die Aktivitätsmuster waren deutlich rhythmisch, und Häutung und Honigtau-Exkretion waren tagsüber erhöht. Daher kann die Einnischung auf Tagaktivität die beobachteten (aber schwachen) Nachteile kurzer Tage erklären. Die zeitliche Nische einiger Organismen ist überraschend flexibel, und eine flexible zeitliche Nische könnte erklären warum der Effekt der Tageslänge relativ niedrig in A. pisum war. Daher untersuchte ich die circadiane Uhr der Erbsenblattlaus, da dieser Mechanismus die Aktivitätsmuster reguliert. Zunächst verbesserte ich das künstliche Futter von A. pisum, und fügte den Lebensmittelfarbstoff Brilliant Blue FCF hinzu. Dieser Farbstoff färbte sowohl Magen als auch Honigtau in niedriger Konzentration ohne die Mortalität zu erhöhen, und machte dadurch die Exkretion von Honigtau unter schwachem Rotlicht sichtbar. Ich nutzte anschließend das blaue Futter, um Blattläuse einzeln in 16:08 LD und konstanter Dunkelheit (DD) aufzuziehen und dabei Honigtau-Exkretion und Häutungen alle drei Stunden zu notieren. Zusätzlichen nutzten wir ein neues Überwachungssystem um Aktivitätsmuster in Lokomotion kontinuierlich in LD und DD aufzuzeichnen. Sowohl Lokomotionsrhythmik als auch Honigtau-Exkretion von A. pisum schienen bimodal zu sein und erreichten früh morgens und nachmittags ihre Maximalwerte in LD. Beide Rhythmen bestanden auch unter konstanter Dunkelheit einige Zeit fort, was aufzeigt, dass die Rhythmen von einer funktionierenden inneren Uhr gesteuert werden. Die Rhythmik im Metabolismus dämpfte jedoch innerhalb von drei bis vier Tagen aus, während die Lokomotionsrhythmik mit einer komplexen Verteilung verschiedener free-running-Perioden fortbestand. Diese Ergebnisse passen zu einer gedämpften circadianen Uhr, die aus mehreren Oszillatorgruppen besteht. Ein solches Modell wurde vorgeschlagen, um circadiane Uhren mit Messungen der Photoperiode zu verknüpfen, aber nie empirisch überprüft. Insgesamt verbinden meine Versuche die Einschränkungen phänologischer Anpassung mit einer mechanistischen Erklärung. Ich zeigte, dass kürzere Tage einigen Arten eines trophischen Netzwerks Vorteile, anderen jedoch Nachteile verschafften, und habe diese Unterschiede auf die zeitliche Nische der Arten zurückgeführt. Ich habe weiterhin gezeigt, dass eine flexible circadiane Uhr die Nachteile lindern kann, möglicherweise weil sie die Plastizität der zeitlichen Nische erhöht.

pisum Harris, 1776) and syrphids (Diptera: Syrphidae; aphid´s predators) and their spatio-temporal associations in pea (Pisum sativum L.) monocrops and pea/spring barley intercrops were assessed (2014 – 2016). The second part of the dissertation thesis was based on the comparisons of abundances of pea aphid (A. pisum) and their natural enemies found on field pea plants, grown either as a monoculture or intercropped with spring cereals in small plot trials vs. large plot trials (2013 - 2015). In the third part of the dissertation thesis (2015 – 2017) the abundances and the distributions of B. pisorum eggs and the seeds infested by the insect pest were assessed in four differently structured field pea crops.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22281号 / 理博第4595号 / 新制||理||1659(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科生物科学専攻 / (主査)教授 沼田 英治, 准教授 森 哲, 教授 曽田 貞滋 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Intracellular symbioses between bacteria and insects are numerous, and alter the ecology and evolution of host and symbiont alike. Long-term persistence results from either exploitation (e.g., reproductive manipulations) or mutually beneficial interactions (e.g., nutritional mutualisms). The endosymbiont Hamiltonella defensa, while not essential for growth or survival of healthy aphids, protects aphids from attack by parasitoid wasps. In this thesis, I have used a variety of sequenced-based techniques to illuminate the population and genome dynamics of H. defensa and to disentangle how these factors contribute to its ability to persist and protect its hosts.I characterized the phylogenetic relationships among H. defensa strains from aphids and a whitefly using a multilocus approach. Most loci evolve in a clonal manner, and one cluster of strains may have given rise to an obligate symbiosis. Some H. defensa strains were infected with the bacteriophage APSE, which encodes putative eukaryotic specific toxins and has been suggested to be involved in protecting aphids. I sequenced the toxin locus and the flanking regions from the APSE strains and found that although the phage genome backbone was highly conserved, strains contained non-orthologous toxin-cassettes. Sequenced cassettes contained one of three putative toxin families: Shiga toxin, cytolethal distending toxin, and YD-repeat toxins. A correlation was noted that of several genetically identical H. defensa strains, the one without phage APSE encoding the YD-repeat toxin failed to protect its aphid host. This APSE strain carrying the YD-repeat toxin has since been demonstrated to be essential for protection in several related H. defensastrains.To examine additional bacterial encoded loci that might facilitate the persistence in and protection of aphids by H. defensa, I sequenced the genome of one strain and obtained partial genomes of two additional strains. These genomes exhibit a streamlined metabolism, but are littered with mobile DNA and putative virulence factors. Horizontal gene transfer, recombination and rearrangements are common, and phage and plasmids have played an important role in resorting genes. Thus, although H. defensa benefits its host, its facultative lifestyle has resulted in a pattern of genome evolution associated with reproductive parasites rather than long-term mutualists.

Les progrès fulgurants de ces dix dernières années réalisés dans les domaines de la microinformatique et de la microfluidique associés au génie génétique (PCR et séquençage) ont permis un changement d'échelle dans la quantité des données acquises au cours d'une même expérience. La transcriptomique est directement issue de ces avancées technologiques. Ce mémoire présenté pour l'obtention d'une Habilitation à Diriger des Recherdes porte sur l'analyse du transcriptome de la bactérie intracellulaire obligatoire des pucerons, Buchnera aphidicola. Dans la première partie, les principales méthodes d'analyses statistiques différentielles et d'intégration des données transcriptomiques sont présentées sous la forme d'une analyse bibliographique. La deuxième partie est consacrée au développement d'outils bioinformatiques : ROSO, un logiciel d'optimisation des sondes oligonucléotidiques, la puce Buchnera et SITRANS, un système d'information pour la gestion et la publication des données d'expression. Enfin, la dernière partie est consacrée à la caractérisation du transcriptome de Buchnera en condition de stress trophique de son hôte, le puceron du pois Acyrthosiphon pisum. La régulation transcriptionnelle chez les bactéries symbiotiques intracellulaires à génome réduit est encore actuellement très mal connue. Cette question sera abordée chez Buchnera tout d'abord au niveau évolutif par l'étude de la relation entre l'expression des gènes et leur organisation dans le génome, puis au niveau fonctionnel, par la caractérisation de la réponse de la bactérie à une diminution de la quantité d'acides aminés essentiels dans le substrat nutritif du puceron, combinée à un stress osmotique.

Nous avons recherché des protéines toxiques pour les pucerons (Homoptères, insectes piqueurs-suceurs phloémophages) et étudié le mode d'action de certaines d'entre elles. Ce travail constitue une première étape d'un programme de création de plantes résistantes aux pucerons par génie génétique. <br />Les caractéristiques toxicologiques de nombreuses protéines sont évaluées par des tests d'ingestion sur milieux artificiels définis. Des lectines d'origine végétale se liant au mannose présentent des propriétés toxiques intéressantes. Notre étude porte sur la Concanavaline A (lectine de Canavalia ensiformis [L.] DC, ConA) qui est une lectine modèle très étudiée du point de vue biochimique, et la lectine du perce-neige (Galanthus nivalis L., GNA) dont les caractéristiques en font un bon candidat à l'application envisagée. <br />Nous mettons en évidence une variabilité de la toxicité des lectines à mannose chez six espèces de pucerons. La ConA est moins active sur les espèces polyphages. Elle n'est pas phagorépulsive pour notre puceron modèle, Acyrthosiphon pisum (Harris) et agit en quelques heures aux doses moyennes, notamment en inhibant l'ingestion. Une adaptation comportementale à moyen terme (24 h-48 h) est également mise en évidence. Des techniques de marquage révèlent que la cible physiologique primaire de la ConA est la portion antérieure du mésentéron. Elle s'y fixe en très grande quantité. Après liaison aux cellules épithéliales, la lectine induit une hypertrophie de ces cellules et un détachement de leur membrane apicale. Des expériences de compétition lectines/mannosides indiquent que la liaison toxine-épithélium ne semble pas dépendre uniquement d'une interaction sucre-lectine. Nous observons également une forte perturbation du métabolisme des acides aminés des pucerons. Le mode d'action de la ConA et de la GNA diffèrent sensiblement sur ce point. <br />Les premiers tests biologiques effectués sur des pommes de terre transgéniques exprimant de manière constitutive le gène de la GNA sont variables mais prometteurs.

No description available.

Arthropod species that have the potential to damage crops are food resources for communities of predators and parasitoids. From an agronomic perspective these species are pests and biocontrol agents respectively, and the relationships between them can be important determinants of crop yield and quality. The impact of biocontrol agents on pest populations may depend on the availability of other food resources in the agroecosystem. A scarcity of such resources may limit biological control and altering agroecosystem management to alleviate this limitation could contribute to pest management. This is a tactic of ‘conservation biological control’ and includes the provision of flowers for species that consume prey as larvae but require floral resources in their adult stage. The use of flowers for pest management requires an understanding of the interactions between the flowers, pests, biocontrol agents and non-target species. Without this, attempts to enhance biological control might be ineffective or detrimental. This thesis develops our understanding in two areas which have received relatively little attention: the role of flowers in biological control by true omnivores, and the implications of flower use by fourth-trophic-level life-history omnivores. The species studied were the lacewing Micromus tasmaniae and its parasitoid Anacharis zealandica. Buckwheat flowers Fagopyrum esculentum provided floral resources and aphids Acyrthosiphon pisum served as prey. Laboratory experiments with M. tasmaniae demonstrated that although prey were required for reproduction, providing flowers increased survival and oviposition when prey abundance was low. Flowers also decreased prey consumption by the adult lacewings. These experiments therefore revealed the potential for flowers to either enhance or disrupt biological control by M. tasmaniae. Adult M. tasmaniae were collected from a crop containing a strip of flowers. Analyses to determine the presence of prey and pollen in their digestive tracts suggested that predation was more frequent than foraging in flowers. It was concluded that the flower strip probably did not affect biological control by lacewings in that field, but flowers could be significant in other situations. The lifetime fecundity of A. zealandica was greatly increased by the presence of flowers in the laboratory. Providing flowers therefore has the potential to increase parasitism of M. tasmaniae and so disrupt biological control. A. zealandica was also studied in a crop containing a flower strip. Rubidium-marking was used to investigate nectar-feeding and dispersal from the flowers. In addition, the parasitoids’ sugar compositions were determined by HPLC and used to infer feeding histories. Although further work is required to develop the use of these techniques in this system, the results suggested that A. zealandica did not exploit the flower strip. The sugar profiles suggested that honeydew had been consumed by many of the parasitoids. A simulation model was developed to explore the dynamics of aphid, lacewing and parasitoid populations with and without flowers. This suggested that if M. tasmaniae and A. zealandica responded to flowers as in the laboratory, flowers would only have a small effect on biological control within a single period of a lucerne cutting cycle. When parasitoids were present, the direct beneficial effect of flowers on the lacewing population was outweighed by increased parasitism, reducing the potential for biological control in future crops. The results presented in this thesis exemplify the complex interactions that may occur as a consequence of providing floral resources in agroecosystems and re-affirm the need for agroecology to inform the development of sustainable pest management techniques.