Inter- and intraspecific variation of nutritional and environmental adaptation of egg-parasitoids of the genus Trichogramma (Hymenoptera, Trichogrammatidae)

Abstract

The biology and the use of egg parasitoids of the genus Trichogramma (Hymenoptera: Trichogrammatidae) as a biological control agent has been studied since 1904 and more than one thou-sand scientific papers on Trichogramma have been published. However, there are still open questions about the impact of biotic and abiotic environmental factors on the biology of these beneficials, such as nutritional ecology, diapause, cold storage, plant-pest-Trichogramma-interactions, and, particularly, the intraspecific variation of environmental adaptations. These parameters can seriously affect the effectiveness and the practical application of these parasitoids in many crop production systems. In this study, we have investigated the effect of: (i) different of diets, (ii) properties of pest?s host-plant surfaces and (iii) overwintering and cold storage on the performance of different species and strains of Trichogramma to select the best candidate for biocontrol of the Codling moth, taken here as a model target. Experiments with different diets (honey, pollen and honey with pollen) were carried out and their effects on life-table parameters of four strains of Trichogramma cacoeciae Marchal (HOH 1, HOH 2, KIO 2 TN and SY 98 01), and one strain of T. evanescens Westwood (195 DE 06) and T. oleae Voegelé (See 2) was evaluated under laboratory conditions. Honey diet im-proved significantly adult mean longevity, mean fecundity, mean fertility, and net reproduction rate (R0). Significant intraspecific variability was shown only in mean fecundity and mean fertil-ity, but not in longevity. The best performing strain of T. cacoeciae (HOH 1) in these experi-ments has been taken to assess the nutritional value of pollen collected from birch, maize and sunflower. Pollen as honey additive had a significant positive effect on female longevity as com-pared to honey alone, but longevity did not differ significantly between the honey-pollen diets. Pollen added to water had no ameliorative effect on longevity except sunflower pollen, which had a significant detrimental effect. Mean total fecundity and fertility of females was not im-proved when fed honey and birch or maize pollen. Sunflower pollen added to honey, however, had a pronounced detrimental effect on these parameters. When these three pollens were offered with water, all parameters were not or negatively affected, revealing sunflower pollen having the worst nutritional value. Tests on the suitability of bee-pollen to ameliorate Trichogramma mass-rearing were done with T. cacoeciae, T. evanescens and T. oleae. Except fertility, longevity and fecundity differed significantly between the species. Basic diet (water or honey) and pollen added showed interactive effects on the performance of Trichogramma species. Interactions between species and added pollen only revealed significant differences in fecundity and fertility, whereas longevity was only slightly affected. Species - basic diet - pollen interactions could only be shown for fertility. Trichogramma oleae had a shorter adult lifespan and the lowest number of parasitized eggs compared with the other two species, but it had the highest rate of emergence when fed on honey mixed with bee pollen. The results indicate that (i) Trichogramma adults are feeding upon pollen, and (ii) nutritional quality of pollen differs significantly between plant spe-cies, and (iii) honeybee-pollen may be used to improve mass-rearing of Trichogramma species. Properties of the pest?s host-plant surfaces (apple, cv. ?Golden Delicious?, ?Boskoop? and ?Topaz?) were evaluated in their effect upon searching behaviour and foraging success of three strains of T. cacoeciae (HOH 1, KIO 2 TN and SY 98 01) when eggs of the Codling moth, Cydia pomonella (Lepidoptera: Tortricidae) were offered as hosts. Foraging time differed significantly between the strains tested, showing strain HOH 1 performing best. Host handling time and time spent post-parasitization did not differ between the strains. The apple cultivar did not affect any of these parameters. Leaving time was significantly affected by chemical cues comprising lepidopteran egg and scale volatiles or contact chemicals, host pheromones, host frass or female moth accessory gland secretions abundant on the leaves, where giving up time was shortest on blank leaves and, compared to blank leaves, significantly longer on leaves with adult stimuli only but no host eggs. Leaving time was further affected by apple cultivar and T. cacoeciae strain tested. Compared with the other cv. tested, time spent on leaves of cv. ?Golden Delicious? was longest for any treatment. Trichogramma cacoeciae strain HOH 1 always spent the shortest on any cultivar and treatment. In another experiment, parasitization of eggs on apples placed at different heights (0, 25, and 50 cm above cage ground) was assessed. The parasitization rate of Cydia eggs was slightly affected by apple varieties; however the differences were not consistent. Parasitization rates decreased with height of apples above ground, with the highest rate on apples placed on ground, near the releasing point of Trichogramma females. Significant differences in parasitization rates between strains could be detected, but they were not consistent also. One German and one Tunisian strain of Trichogramma oleae and two German, one Tuni-sian, and one Syrian strain of T. cacoeciae were hibernated from October 10th 2007, up to parasi-toid emergence in 2008 under field conditions in Stuttgart-Hohenheim, Germany. 60 days after exposure to outdoor conditions and after complete hibernation life table parameters of survivors was assessed. Our results demonstrate that all strains studied were able to overwinter successful-ly on eggs of the factitious host Sitotroga cerealella Olivier (Lep.: Gelechiidae). Mean develop-ment time of trichogrammatids until adult emergence after full hibernation ranged between 183 and 189 days. Emergence rate ranged between 53.59 and 60.98 %. Net reproduction rate (R0) of T. oleae strains decreased with duration of field exposure, whereas in T. cacoeciae strains R0 was lowest after 60 days field exposure. Longevity of all adults emerged from parasitized eggs was affected by field exposure compared to the control. Total fecundity, total fertility and percent fertility after 60 days and/or after hibernation showed neither significant difference between strains nor within the strains studied. Total fertility of T. cacoeciae strains decreased significantly after midterm and/or after full hibernation compared with the control, while no significant differences were detected within T. oleae strains. Time until adult emergence, mortality, and percentage of deformed adults increased with storage duration at 4 °C. Trichogramma oleae (German strain) showed best adaptation to cold storage for 50 days. Finally and based on this study, our data suggest that the diets of honeybee-pollen could be used as food to improve Trichogramma mass-rearing, and also the German candidate T. cacoeciae HOH 1 could be a potential candidate for future mass rearing and field release programs for biocontrol of different lepidopteran pests in orchards. Furthermore, it could be proved that even allochthonous Trichogramma species / strains originated from countries with a higher annual average temperature (Syria and Tunisia) are theoretically able to establish and survive winter conditions in southwestern Germany. At least this possibility requires an environmental risk-analysis for these species/strains or any potential other Trichogramma species intended to be used as biocontrol agent in Germany.

Die Biologie und der Einsatz von Eiparasitoiden der Gattung Trichogramma (Hymenoptera: Trichogrammatidae) zur biologischen Kontrolle von Schadlepidopteren werden seit 1904 untersucht, und brachten mehr als tausend wissenschaftliche Arbeiten über diese Gattung hervor. Es sind jedoch noch immer Fragen offen, zum Beispiel über die Auswirkungen von biotischen und abiotischen Umweltfaktoren auf die Biologie dieser Nützlinge, wie Ernährungsökologie, Diapause, Kaltlagerung, Pflanzen-Schädlings-Trichogramma-Interaktionen, und besonders auf intraspezifische Variation von Umweltanpassungen. Diese Faktoren können die Wirksamkeit und die praktische Anwendung dieser Parasitoide in vielen Pflanzenbau-Systemen erheblich beeinflussen. In dieser Studie haben wir die Wirkung von: (i) unterschiedlichen Diäten, (ii) Oberflächeneigenschaften von Schädlingswirtspflanzen und (iii) Überwinterung und Kaltlagerung auf die Leistung der verschiedenen Arten und Stämme von Trichogramma untersucht, um den besten Kandidaten für die biologische Bekämpfung des Apfelwicklers, der hier als Modell-Ziel benutzt wird, auszuwählen. Es wurden Versuche mit verschiedenen Nahrungszusammensetzungen (Honig, Pollen, sowie Honig und Pollen) bei vier Stämmen von Trichogramma cacoeciae Marchal (HOH 1, HOH 2, KIO 2, TN und SY 98 01), und jeweils einem Stamm von T. evanescens Westwood (195 DE 06) und T. oleae Voegelé (See 2) unter Laborbedingungen durchgeführt und die Auswirkungen auf Lebenstafelparameter erfaßt. Ernährung mit Honig verbesserte signifikant die Durchschnittswerte für Lebensdauer, Fekundität, Fertilität und die Nettoreproduktionsrate (R0) von Adulten. Signifikante intraspezifische Variabilität zeigten nur die Durchschnittswerte für Fekundität und Fertilität, aber nicht die für Lebensdauer. Der leistungsfähigste Stamm von T. cacoeciae (HOH 1) aus diesem Experiment wurde verwendet, um den Nährwert gesammelten Pollens von Birke, Mais und Sonnenblume zu bewerten. Dem Honig zugesetzter Pollen hatte signifikant positive Auswirkungen auf die Lebensdauer der Weibchen, verglichen mit Honig allein, aber die Unterschiede in der Lebensdauer zwischen den Honig-Pollen-Diäten waren nicht signifikant. In Wasser aufgerührter Pollen hatte keinen verlängernden Effekt auf die Lebensdauer, und Sonnenblumenpollen wies sogar einen erheblichen schädlichen Effekt auf. Die durchschnittliche Fekundität und Fertilität von Weibchen wurde durch Fütterung mit Honig und Birken- oder Maispollen nicht verbessert. Dem Honig zugegebener Sonnenblumenpollen hatte einen ausgesprochen schädlichen Effekt auf diese Parameter. Wurden diese drei Pollen in Wasser angeboten, beeinflusste dies alle Parameter nicht oder negativ, was verdeutlichte, dass Sonnenblumenpollen den schlechtesten Nährwert aufweisen. Versuche zur Eignung von Bienen-Pollen für die Verbesserung von Trichogramma-Massenaufzuchten wurden mit T. cacoeciae, T. evanescens und T. oleae durchgeführt. Im Gegensatz zur Fertilität unterschieden sich Lebensdauer und Fekundität signifikant zwischen den Arten. Die Ernährungsgrundlage (Wasser oder Honig) und zugefügter Pollen zeigten voneinander abhängige Auswirkungen auf die Leistung der Trichogramma Stämme. Wechselwirkungen zwischen den Trichogramma-Arten und der zugefügten Pollenart wiesen lediglich bei Fekundität und Fertilität signifikante Unterschiede auf, während die Lebensdauer nur leicht beeinflusst wurde. Wechselwirkungen zwischen Stämmen, Ernährungsgrundlage und Pollenart konnten nur für Fertilität nachgewiesen werden. Trichogramma oleae hatte, verglichen mit den zwei anderen Stämmen, eine kürzere Lebensdauer der Adulten und die niedrigste Anzahl parasitierter Eier, aber die höchste Schlupfrate, wenn mit einer Mischung aus Honig und Bienenpollen gefüttert wurde. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass (i)adulte Trichogramma Pollen fressen, (ii) sich die Ernährungsqualität von Pollen zwischen den Pflanzenarten erheblich unterscheidet, und (iii) Honigbienen-Pollen verwendet werden könnte, um die Trichogramma Massenzucht zu verbessern. Die Eigenschaften von Blatt- und Fruchtoberflächen des Apfels (cv. ?Golden Delicious?, ?Boskoop? und ?Topaz?), auf denen sich als Wirt angebotene Eier des Apfelwicklers, Cydia pomonella (Lepidoptera: Tortricidae) befanden, wurden bezüglich ihrer Auswirkungen auf Suchverhalten und -erfolg bei drei Stämmen von T. cacoeciae (HOH 1, KIO 2 TN und SY 98 01) untersucht. Die Zeit zur Nahrungssuche unterschied sich erheblich zwischen ihnen, wobei der Stamm HOH 1 die beste Leistung zeigte. Die auf das einzelne Wirtsei verwendete Zeit (?host handling? und ?post parasitization?) variierte nicht zwischen den Stämmen. Auch die Apfelsorte hatte darauf keinen Einfluß. Die Zeit zum Verlassen des Blattes (?leaving time?) wurde erheblich von chemischen Reizen beeinflusst, welche aus von den Schmetterlingseiern und -schuppen ausgehenden Duftstoffen oder Kontaktsubstanzen, Wirtspheromonen, Wirtskot, oder den auf den Blättern reichlich vorhandenen Drüsensekreten der weiblichen Motten bestehen. Die Zeit bis zum Abbruch der Suche (?giving up?) war am kürzesten auf leeren Blättern, aber signifikant länger auf zwar leeren, aber mit den beschriebenen Reizen versehenen. Die ?leaving time? wurde außerdem auch durch die Apfelsorte und den getesteten Stamm von T. cacoeciae beeinflußt. Verglichen mit den anderen getesteten Apfelsorten war auf den Blättern der Sorte ?Golden Delicious? die verbrachte Zeit in allen Varianten am längsten. Trichogramma cacoeciae HOH 1 verbrachte bei jeder Behandlungsvariante die kürzeste Zeit auf allen Apfelsorten. In einem anderen Experiment wurde die Parasitierung der Eier auf in unterschiedlichen Höhen (direkt auf, sowie 25 und 50 cm über dem Käfigboden) plazierten Äpfeln erfaßt. Die Unterschiede in der Parasitierungsrate der Cydia- Eier zwischen den Apfelsorten waren dabei gering und nicht eindeutig. Sie nahm mit zunehmender Höhe der Äpfel über dem Boden ab und war am höchsten bei Äpfeln, die auf dem Boden lagen, also nahe an dem Punkt, wo die Trichogramma-Weibchen ausgesetzt wurden. Zwischen den Stämmen waren deutliche Unterschiede in der Parasitierungsrate erkennbar, aber auch sie waren nicht eindeutig. Ein deutscher und ein tunesischer Stamm von Trichogramma oleae sowie zwei deutsche, ein tunesischer und ein syrischer Stamm von T. cacoeciae wurden ab 10. Oktober 2007 in parasitierten Eiern im Freiland (Stuttgart-Hohenheim, Deutschland) überwintert bis 2008 die ersten Parasitoide schlüpften. Nach 60 Tagen unter Freilandbedingungen sowie nach der gesamten Überwinterung, wurden jeweils die Lebenstafelparameter der geschlüpften Tiere erhoben. Unsere Ergebnisse zeigen, dass alle untersuchten Stämme in der Lage waren, erfolgreich in Eiern des Ersatzwirts Sitotroga cerealella Olivier (Lep., Gelechiidae) zu überwintern. Die durchschnittliche Entwicklungszeit der Trichogrammatiden bis zum Schlupf der Adulten nach vollständiger Überwinterung lag zwischen 183 und 189 Tagen. Die Schlupfrate lag zwischen 53,59 und 60,98 %. Die Nettoreproduktionsrate (R0) der T. oleae Stämme nahm mit der Dauer der Exposition ab, wobei in T.cacoeciae-Stämmen nach 60 Tagen unter Freilandbedingungen R0 am niedrigsten war. Die Lebensdauer der aus unter Freilandbedingungen überwinterten Puppen geschlüpften Adulten unterschied sich im Vergleich zur Kontrolle. Die Gesamtfekundität und fertilität sowie relative Fertilität nach 60 Tagen beziehungsweise nach der Überwinterung zeigten weder zwischen den Arten noch zwischen den Stämmen Unterschiede. Die Gesamtfertilität der T.cacoeciae-Stämme nahm im Vergleich mit der Kontrolle ab, während zwischen den Stämmen von T.oleae keine signifikanten Unterschiede erkennbar waren. Die Zeit bis zum Schlupf der Adulten, die Mortalität und der Anteil deformierter Adulter nahm mit der Lagerdauer bei 4 °C zu. Trichogramma oleae deutscher Herkunft zeigte die beste Anpassung an Kaltlagerung für 50 Tage. Abschliessend, und basierend auf dieser Studie, deuten unsere Daten darauf hin, dass Diäten mit Honigbienen-Pollen als Futter verwendet werden können, um die Massenzucht von Trichogramma zu verbessern. Der deutsche Stamm von T.cacoeciae, HOH 1, könnte ein potentieller Kandidat für zukünftige Massenzüchtungen und Feldfreilassungsprogramme im Biologischen Pflanzenschutz gegen verschiedene Schadlepidopteren in Obstanlagen sein. Weiterhin konnte belegt werden, dass selbst allochthone Trichogramma-Arten und -Stämme aus Ländern mit höheren jährlichen Durchschnittstemperaturen (Syrien und Tunesien) theoretisch in der Lage sind, sich zu etablieren und die winterlichen Bedingungen in Südwestdeutschland zu überleben. Zumindest macht diese Fähigkeit eine Analyse des Umweltrisikos für diese oder alle anderen Trichogramma-Arten und -stämme erforderlich, die zukünfig als Mittel des Biologischen Pflanzenschutzes in Deutschland eingesetzt werden sollen.