Zugl.: Marburg, University, Diss., 2007.

Zugl.: Halle, Universiẗat, Diss., 2001.

Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2006 u.d.T.: Auftreten und Bekämpfung phytophager Insekten an Getreide und Raps in Schleswig-Holstein / Gerd Kirch / Hergestellt on demand

Abiotic environmental stress, as evoked by short-term exposure of greenhousegrown plants to ambient ultraviolet radiation (UV), induces chemical and morphological adaptations of plants. Responses depend on the strength of stress and differ between species and tissues of variable age. In two Brassicaceae, Sinapis alba and Nasturtium officinale, stress responses towards short-term exposure to ambient radiation including or excluding UV reveal a high phenotypic plasticity, with strong differences their chemical composition compared to plants that remained in the greenhouse. The most pronounced defensive response against UV, the accumulation of flavonoid pigments, was strongest in young UV-exposed leaves, with an increase of the more effectice flavonol quercetin on the expense of less effectice kaempferol. Glucosinolates and myrosinase enzymes showed highly species-specific responses to UV-stress. Feeding behaviour and larval performance of the oligophagous Brassicaceae specialist, Phaedon cochleariae (Chrysomelidae; Coleoptera) were poorly affected by these differently UV-exposed host plants. Effects of plant stress on larval development were restricted to a minor variation in body mass due to variable food conversion of certain larval instars, which were compensated until pupation. Moreover, larval developmental times were unaffected by UV-exposure, but varied between species and leaves of different age. For P. cochleariae, this lack of variation in larval and pupal development towards UV-altered phytochemistry may suggest a strong genetic fixation of life history traits. In combination, the high plasticity towards variable food quality may correspond to the beetles’s specialisation on a narrow range of chemically highly variable host plants. Apart from being involved in plant defence against generalist herbivores, glucosinolates may also act as recognition cues and feeding stimulants for specialist insects. In earlier studies, glucosinolates were assumed to stimulate feeding by P. cochleariae, and they were suggested to be present on outermost leaf surfaces. However, since these findings were based on crude extraction methods, the presence of feeding stimulants in epicuticular waxes of Brassicaceae was re-investigated. In our study, glucosinolates were not detectable in mechanically removed waxes in Brassica napus and N. officinale, whereas substrate concentrations in solvent leaf extracts corresponded to densities and closure of leaf surface stomata. Therefore, glucosinolates that originate from the mesophyll may have been washed out through open stomata. Neither leaf waxes, nor leaf waxes combined with sinigrin or pure sinigrin evoked feeding. Moreover, in choice tests, these leaf beetles clearly preferred to feed on de-waxed surfaces. Finally, the presence of feeding stimulants in epicuticular waxes is highly unlikely considering the physico-chemical properties of the plant cuticle. The lack of stimulants on the outermost surface corresponds to the plant’s perspective, which should avoid easily accessible feeding stimulants. Nevertheless, the role of glucosinolates for feeding stimulation of P. cochleariae remained unclear. Therefore, S. alba leaf extracts of different polarities were tested in bioassays in order to identify which chemical leaf compounds act as stimulants. In bioassay-guided fractionations of methanol extracts by semi-preparative HPLC, two distinct fractions with stimulating activity were detected, whereas other fractions were not effective. Flavonoids were identified as main component in one stimulating fractions, the second fraction mainly contained glucosinolates, including sinalbin. The combination of both fractions was significantly more stimulating than each individual fraction, indicating additive effects of at least one compound of each fraction. However, since the combined fractions were less effective compared to the original extracts, other compounds may additionally be involved in the complex composition of leaf compounds acting as feeding stimulants for P. cochleariae. Finally, fractionated extracts of UV altered plants were used to test whether the strength of feeding responses depend on different ratios of glucosinolates and flavonoids. However, since the feeding behavior of this leaf beetle was not affected, such quantitative variations were concluded to be less important. The initiation of feeding behaviour may solely depend on the presence of stimulating compounds. / Abiotische Umwelteinflüsse induzieren chemische und morphologische Adaptionen in Pflanzen. Nachdem Pflanzen im Gewächshaus in Lichtverhältnissen ohne ultraviolette Strahlung (UV) aufgezogen wurden, zeigten diese bei Einwirkung von UV zeigen artspezifische Veränderungen, die sich außerdem zwischen Blättern unterschiedlichen Alters unterschieden. Sinapis alba und Nasturtium officinale, zwei Vertreter der Brassicaceae zeigten dabei eine ausgeprägte phänotypische Plastizität. Die Akkumulation von Flavonoiden in der Epidermis stellt die wirksamste pflanzliche Schutzreaktion gegen UV dar. Die höchste Flavonoidkonzentration lag in jungen UV-exponierten Blättern vor, verbunden mit einem Anstieg hochwirksamer Quercetine auf Kosten der weniger wirksamen Kämpferole. Weiterhin wurden artspezifische Veränderungen der Konzentration von Glukosinolaten und Myrosinase-Enzymen festgestellt. Die Larvalentwicklung von Phaedon cochleariae (Chrysomelidae; Coleoptera), einem oligophagen Spezialisten auf Brassicaceae, wurde kaum von der veränderten Qualität der unterschiedlich exponierten Pflanzen beeinflusst. Auswirkungen von Pflanzenstress auf die Larvalentwicklung des Blattkäfers beschränkten sich auf geringe Gewichtsveränderungen durch unterschiedliche Futterverwertung bei bestimmten Larvenstadien, die aber noch vor der Verpuppung kompensiert wurden. Die Dauer der Larvalentwicklung unterschied sich zwischen Pflanzenarten und bei unterschiedlichem Blattalter, nicht aber in Folge der UV-Behandlung des Pflanzenmaterials. Dass die Entwicklung von Larven und Puppen trotz der durch UV hervorgerufenen Unterschiede der Wirtpflanzenchemie nicht beeinflusst wurde, könnte in der strengen genetischen Festlegung der Wachstumsparameter des Käfers begründet sein. Die hohe phänotypische Plastizität des Blattkäfers in Bezug auf unterschiedliche Futterqualität, könnte mit seiner starken Spezialisierung auf wenige Wirtspflanzen zusammenhängen. Neben ihrer Funktion im Abwehrsystem gegen generalistische Herbivore nehmen Glukosinolate außerdem eine wichtige Rolle bei der Wirtspflanzenerkennung und Fraßstimulanz von Spezialisten ein. In früheren Studien wurde angenommen, dass Glukosinolate auf P. cochleariae fraßstimulierend wirken und auf Blattoberflächen vorhanden sind. Die in diesen Studien angewandte Methode zur Extraktion von Blattoberflächen scheint jedoch ungeeignet und wurde in unserer Studie modifiziert. In mechanisch abgelösten Blattwachsen von Brassica napus und N. officinale (Brassicaceae) konnten keine Glukosinolate nachgewiesen werden. In Lösungsmittelextrakten hingegen stieg die Glukosinolatkonzentration mit dem Öffnungszustand und der Anzahl der Stomata deutlich an. Offenbar werden demnach Glukosinolate aus dem Mesophyll durch geöffnete Stomata extrahiert. In Biotests konnte P. cochleariae weder durch Blattwachse, noch durch ein Gemisch aus Wachsen und Sinigrin oder reines Sinigrin stimuliert werden. Darüber hinaus präferierten sie entwachste Blätter gegenüber bewachsten Blättern. Schließlich sprechen auch physikochemische Eigenschaften von Glukosinolaten und pflanzlicher Kutikula gegen das Vorkommen von Glukosinolaten in epikutikulären Wachsen. Somit blieb die Rolle von Glukosinolaten für die Fraßstimulation von P. cochleariae unklar. Um fraßstimulierende Komponenten zu identifizieren, wurde die Wirkung von S. alba Blattextrakten unterschiedlicher Polarität auf das Verhalten der Käfer untersucht. Durch Fraktionierungen mittels HPLC, begleitet durch Biotests, wurden zwei stimulierende Fraktionen aus stimulierenden Methanol-Extrakten isoliert, während die übrigen Fraktionen unwirksam waren. Eine der aktiven Fraktionen enthielt hauptsächlich Flavonoide, die zweite Glukosinolate, darunter Sinalbin. Die Kombination dieser beiden Fraktionen wirkte signifikant stimulierender als die Einzelfraktionen, sodass auf eine additive Wirkung mindestens zweier Komponenten jeder Fraktion geschlossen werden kann. Da die Aktivität dieser kombinierten Fraktionen jedoch geringer war als die der Ausgangsextrakte, könnten weitere Komponenten in das komplexe Zusammenwirken von Blattinhaltsstoffen zur Fraßstimulantion von P. cochleariae involviert sein. Extrakte unterschiedlich UV exponierter Pflanzen wurden getestet, um festzustellen, ob die Stärke der Fraßreaktion durch das Verhältnis von Glukosinolaten und Flavonoiden bestimmt wird. Das Verhalten von P. cochleariae wurde jedoch nicht beeinflusst, sodass die Quantität der involvierten Komponenten von geringer Bedeutung sein könnte. Zur Initiierung des Fraßverhaltens könnte allein die Anwesenheit von Stimulantien genügen.

Zugl.: Göttingen, Univ., Diss., 2008

Konstanz, Univ., Diss., 2005.

Zugl.: Göttingen, University, Diss., 2008.