Molecular systematics of selected Diadegma species (Hymenoptera: Ichneumonidae: Campoplegine) important in biological control

Abstract

The genus Diadegma (Hymenoptera: Ichneumonidae: Campopleginae) represents a large group of parasitoids with 201 species worldwide. Adult Diadegma females parasitise larvae of various lepidopteran species and some species, in particular Diadegma insulare (Cresson) and D. semiclausum (Hellén), have gained economic importance as biological control agents of Plutella xylostella (Linnaeus). A low parasitism rate of <15 % of the parasitoid complex (Diadegma sp., Oomyces sokolowskii (Kurdjumov) and Diaplazon laetatorius (Fabricius)) in unsprayed cabbage and kale fields infested with P. xylostella in eastern and southern Africa was the starting point for the development of a biological control project for P. xylostella which was implemented by the International Centre of Insect Physiology and Ecology (ICIPE), Kenya. One of the objectives of the biocontrol project was to examine the taxonomic status of Diadegma species associated with P. xylostella in eastern and southern Africa and the exotic parasitoid D. semiclausum imported to Kenya from Taiwan (Asian Vegetable Research and Development Centre, AVRDC) by cross breeding experiments and molecular methods. Thus, two different molecular regions, a fragment of the mitochondrial cytochrome c oxidase subunit (COI) and the second internal transcribed spacer (ITS2) of ribosomal DNA were amplified utilising polymerase chain reaction (PCR) and digested afterwards with several restriction enzymes (PCR-Restriction Fragment Length Polymorphism-RFLP). In the due course of the study examinations of several Diadegma species attacking P. xylostella were undertaken with the PCR-RFLP method developed previously for the African Diadegma. This molecular method could solve some taxonomic difficulties of the genus Diadegma. Sequence analyses were used to investigate the phylogenetic relationship of nine Diadegma species (D. blackburni (Cameron), D. insulare, D. leontiniae (Brèthes), D. chrysostictos (Gmelin), D. armillata (Gravenhorst), D. fenestrale (Holmgren), D. mollipla (Holmgren), D. semiclausum, D. rapi (Cameron)) and the phylogenetic relationship of the genus Diadegma within the superfamily Ichneumonoidea. Cross breeding experiments were carried out between two populations of D. mollipla from eastern and southern Africa. No significant differences in the total number of progeny per female and the number of male offspring were obtained, whereas the female progeny showed significant differences. Hybrid females resulting from both reciprocal crosses were reproductively compatible with males of both parental lines, which indicated that no genetic incompatibility was apparent between the two D. mollipla populations. In contrast, crosses between D. mollipla and D. semiclausum resulted only in the occurrence of male offspring, which is typical for unfertilised progeny in Diadegma. The laboratory cultures of D. mollipla and D. semiclausum were highly male biased. Inbreeding, where homozygosity is much higher, is leading to a higher diploid male production. Diploid males can easily be detected by isoenzyme variations as a genetic marker. Heterozygote females/males of D. semiclausum and D. mollipla were identified by phosphoglucomutase (PGM) electrophoretic banding patterns. Crosses between a mother (heterozygote, diploid) and her son (homozygote, haploid) resulted in one diploid male in D. mollipla and none in D. semiclausum. Information about diploid males in D. semiclausum detected with PGM has already been published and different methodologies might be the reason why in D. semiclausum no diploid male was detected. Therefore the present analyses with PGM as molecular marker should be seen as a preliminary study.

Die Gattung Diadegma (Hymenoptera: Ichneumonidae: Campopleginae) umfasst eine grosse Gruppe von Schlupfwespen mit 201 Arten weltweit. Das Wirtsspektrum beschränkt sich auf die Ordnung Lepidoptera, wo sie die Larven- und Puppenstadien parasitieren. Diadegma insulare (Cresson) and D. semiclausum (Hellén) haben ökonomische Bedeutung und werden zur biologischer Bekämpfung der Kohlmotte (Plutella xylostella (Linnaeus) erfolgreich eingesezt. Im östlichen und südlichen Afrika wurde 1998 herausgefunden, dass in unbehandelten, von P. xylostella befallenen Kohlfeldern, die Parasitierungsleistung eines Komplexes bestehend aus Diadegma sp., Oomyces sokolowskii (Kurdjumov) und Diaplazon laetatorius (Fabricius) bei der Kohlmotte unter 15 % lag. Diese Erkenntnis führte zu der Entwicklung eines Projektes zur biologischen Bekämpfung der Kohlmotte im östlichen Afrika, welches seit 2000 vom International Centre of Insect Physiology and Ecology (ICIPE),Kenia, durchgeführt wird. Im Rahmen dieses Projektes entstand die vorliegende Arbeit, wobei in erster Linie der taxonomische Status der Diadegma Arten aus dem östlichen und südlichen Afrika sowie des aus Taiwan (Asian Vegetable Research and Development Centre, AVRDC) nach Kenia eingeführten Parasitoiden D. semiclausum mit Versuchen zur genetischen Verträglichkeit (Kreuzungsversuche) und mit molekularbiologischen Methoden untersucht werden sollte. Dabei wurden mit Hilfe der Polymerasekettenreaktion (PCR) zwei sich unterschiedlich entwickelnde genetische Regionen (ein Fragment der mitochonrialen Cytochrome c Oxidase Untereinheit (COI) sowie der zweite ?internal spacer? (ITS2) der ribosomalen DNA) amplifiziert und anschliessend mit Restriktionsenyzmen verdaut (PCR-Restriction Fragment Length Polymorphism-RFLP). Desweiteren wurden mit Hilfe von Sequenzierungen die phylogenetischen Beziehungen zwischen neun Diadegma Arten (D. blackburni (Cameron), D. insulare, D. leontiniae (Brèthes), D. chrysostictos (Gmelin), D. armillata (Gravenhorst), D. fenestrale (Holmgren), D. mollipla (Holmgren), D. semiclausum, D. rapi (Cameron)) sowie die Beziehung der Gattung Diagema innerhalb der Überfamilie Ichneumonoidea aufgezeigt. In Kreuzungsversuchen zwischen der südafrikanischen D. mollipla Population und der kenianischen D. mollipla Population sowie zwischen Rückkreuzungen wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den Nachkommen pro Weibchen und der männlichen Nachkommenschaft festgestellt. Signifikante Unterschiede bestanden jedoch im Auftreten der weiblichen Nachkommen. Hybride weibliche Nachkommen aus beiden reziproken Kreuzungen waren reproduktiv mit Männchen aus beiden elterlichen Populationen, was darauf zurückzuführen ist, dass keine genetische Unverträglichkeit zwischen den beiden räumlich getrennten D. mollipla Populationen besteht. Dagegen war eine Kreuzung zwischen D. mollipla und D. semiclausum nicht möglich; sie führte nur zu Männchen. Dies ist typisch für eine unbefruchtete Nachkommenschaft bei Diadegma. Die Laborkulturen von D. mollipla und D. semiclausum waren durch Inzucht gekennzeichnet, was durch den hohen Anteil von Männchen sichtbar wurde. Inzucht führt zu einer höheren Homozygotie und dadurch zu einem stärkeren Auftreten von diploiden Männchen. Diese können leicht mit Hilfe von Isoenzym-Variationen identifiziert werden. Heterozygote Weibchen/ Männchen von D. semiclausum und D. mollipla wurden mit Phosphoglukomutase (PGM) elektrophoretisch aufgetrennt. Bei Kreuzungen zwischen Mutter (heterozygot, diploid) and ihrem Sohn (homozygot, haploid) wurde ein diploides Männchen in D. mollipla und keines in D. semiclausum gefunden. Aufgrund der geringen Anzahl von Tieren und der kurzen Versuchsdauer sollten die vorliegenden Versuche jedoch als Vorstudien gewertet werden.