Infochemical use by insect parasitoids in a tritrophic context : comparison of a generalist and a specialist

J.B.F. Geervliet

Research output: Thesisinternal PhD, WU

Abstract

Sluipwespen zijn van groot belang voor natuurlijke en agrarische ecosystemen, daar zij de populatiedichtheden van hun gastheren kunnen beïnvloeden of reguleren. Tijdens het larvale stadium voeden ze zich in of op het lichaam van een gastheer, meestal een insekt, die daaraan uiteindelijk sterft. Onderzoek aan sluipwespen heeft inmiddels een grote hoeveelheid informatie opgeleverd over het gedrag en de oecologie van veel soorten. Er wordt veel aandacht geschonken aan fundamentele aspekten van de biologie van sluipwespen, enerzijds om theorieën over de evolutie van het gastheerzoekgedrag van sluipwespen te kunnen testen, anderzijds vanwege het grote belang dat kennis van de fundamentele biologie voor de toegepaste entomologie heeft.

Gedrags-oecologie houdt zich bezig met evolutionaire vragen over de interaktie tussen het gedrag van een dier en de omgeving waarin het dier zich bevindt. Onderzoek richt zich op de gevolgen van variatie in het gedrag op de fitness van een dier. Sluipwespen zijn zeer geschikte kandidaten voor onderzoek aan dergelijke evolutionaire vragen over gedrag. Hun voortplantingsstrategie is direct gekoppeld aan hun fitness en het niet vinden van een geschikte gastheer of van het maken van verkeerde beslissingen tijdens het parasiteringsproces heeft grote gevolgen voor de fitness.

Sluipwespen zijn geëvolueerd en funktioneren in multitrofe systemen, waarin zij zelf het derde trof ische niveau innemen. Hun gastheren vormen het tweede en het substraat waarop hun gastheren zich voeden (planten bijvoorbeeld) vormt het eerste trofische niveau. Tijdens het zoeken naar gastheren gebruiken sluipwespvrouwtjes vaak chemische stimuli als informatiebron. Deze chemische informatiestoffen kunnen zowel direct als indirect afkomstig zijn van de gastheer, dan wel van het voedsel van de gastheer. De mate van specialisatie van de sluipwesp kan bepalen in hoeverre stimuli specifiek moeten zijn voor het vinden van gastheren. Specifieke informatie over de aanwezige gastheren wordt geacht minder belangrijk te zijn voor sluipwespen die een breed scala aan gastheren kunnen parasiteren, terwijl specialisten eerder specifieke informatie nodig zullen hebben.

De zoekstrategie van sluipwespen wordt bepaald door zowel genotypische als fenotypische faktoren. De efficientie waarmee zij naar gastheren zoeken, kunnen ze vergroten door hun zoekgedrag aan te passen. Ze leren te reageren op veranderingen of verschillen in de omstandigheden waarin ze moeten funktioneren. De mate waarin sluipwespen hun gedrag kunnen aanpassen, kan gerelateerd zijn aan de mate van specialisatie van de soort: leren wordt geacht een grotere rol te spelen in het gastheerzoekgedrag van generalisten dan van specialisten.

Vergelijkend onderzoek, waarin fylogenetisch verwante soorten worden gebruikt om te bepalen of er correlaties bestaan tussen gedragskenmerken en ecologisch faktoren, is van belang voor het vaststellen van de adaptieve waarde van gedragskenmerken. Voor het testen van stimuli in oecologisch relevante biotoetsen is het van belang gebruik te maken van fylogenetisch
verwante soorten met vergelijkbare niches. Op deze wijze kunnen eenduidige conclusies getrokken worden dat de gevonden verschillen in zoekstrategieën gecorreleerd zijn met de bestudeerde oecologische faktor waarin de soorten verschillen en niet met een fylogenetische faktor.

Ook voor het in dit proefschrift beschreven onderzoek is een dergelijke benadering toegepast, waarbij de hypothese getoetst is, dat het gebruik van chemische informatiestoffen door sluipwespen afhangt van hun mate van specialisatie op hun gastheer of het substraat waarop hun gastheer leeft.

De acteurs die in dit onderzoek optreden, zijn twee nauwverwante sluipwespsoorten, die verschillen in de breedte van hun gastheerspectrum. Cotesia glomerata is een generalist, die eipakketten afzet in rupsen van verschillende Pieris soorten, aldus een gregaire larvale endoparasitoid. Cotesia rubecula staat bekend als specialist op Pieris rapae , en is solitair: één eitje per rups. Deze sluipwespsoorten komen voor in habitats die erg op elkaar lijken, en bezetten deels overlappende niches. Hun zoekgedrag op langere afstand wordt gekenmerkt door responsen op geur en visuele prikkels van beschadigde planten.

De drie belangrijkste doelstellingen van dit onderzoek waren het vaststellen van 1) de specificiteit van de chemische informatiestoffen die C. glomerata en C . rubecula gebruiken tijdens het zoeken naar gastheren, 2) de invloed van leren op het zoekgedrag van deze twee sluipwespsoorten, en 3) de gevolgen voor de fitness van hun beslissingen tijdens het zoeken naar gastheren.

Specificiteit van de stimuli
De specificiteit van de stimuli die de twee Cotesia soorten gebruiken tijdens het zoeken naar gastheren is onderzocht in gedragsstudies, zowel op afstand van de geurbronnen (hoofdstuk 2 en 3) als in de buurt van de gastheer, na landen op het blad (hoofdstuk 5 en 7), en in chemische analyses van de vluchtige stoffen die afgegeven worden door intacte planten en planten met vraatschade door Pieris rupsen (hoofdstuk 4).

In hoofdstuk 2 wordt de rol van vluchtige stimuli beschreven voor het langeafstand zoekgedrag van de specialist Cotesiarubecula . Responsen van C. rubecula vrouwtjes op stimuli van verschillende onderdelen van het Spruitkool/ P. rapae waardplant- gastheer complex werden vergeleken in tweekeuze toetsen in een windtunnel. Stimuli afkomstig van beschadigde spruitkool bladeren (mechanisch beschadigd of met vraatschade van P. rapae rupsen) leidden tot een hogere respons bij de sluipwespen dan gastheergerelateerde stimuli. Daarnaast vertoonden sluipwesp vrouwtjes een voorkeur voor bladeren van het waardplant-gastheer complex dan voor bladeren met kunstmatige schade. Onbeschadigde bladeren waren het minst aantrekkelijk voor de sluipwespen. Deze resultaten zijn een aanwijzing dat C. rubecula tijdens het zoeken naar gastheren op lange afstand voornamelijk gebruik maakt van chemische informatie afkomstig van de plant, hetgeen eerder ook is gevonden voor de generalist, C. glomerata . Voor beide soorten zijn chemische stimuli afkomstig van de gastheer van minder belang in deze fase van het zoekproces.

In hoofdstuk 3 worden aangeboren voorkeuren voor chemische informatiestoffen afkomstig van verschillende waardplant-gastheer complexen vergeleken voor de generalist C. glomerata en de specialist C. rubecula . De sluipwespen waren naïef, dat wil zeggen, ze hadden als volwassen individu nog geen Pieris rupsen of planten ervaren. Het gedrag van de specialist werd geacht sterkere voorkeuren te vertonen dan dat van de generalist. Beide sluipwespsoorten prefereerden planten met Pieris- vraatschade boven onbeschadigde planten, en er bestonden voorkeuren voor bepaalde koolvariëteiten boven andere en boven een andere waardplantsoort, namelijk oostindische kers. Naïeve C. rubecula en C. glomerata vrouwtjes maakten geen onderscheid tussen chemische stimuli afkomstig van planten waarop zich gastheren van verschillende Pieris soorten voedden. Evenmin maakten zij onderscheid tussen stimuli afkomstig van planten met gastheren en niet-gastheren. Hoofdstuk 7 laat zien, dat zowel voor naïeve C. glomerata als voor C. rubecula vrouwtjes zoektijden verschillen tussen door gastheren beschadigde bladeren van verschillende voedselplanten. Op bladeren van dezelfde voedselplant beschadigd door verschillende gastheersoorten werden geen verschillen in zoektijden gevonden voor beide sluipwespsoorten. De aangeboren voorkeuren van beide sluipwespsoorten vertonen grote overeenkomsten. Naïeve vrouwtjes vertoonden voorkeuren op het plantniveau van het tritrofe systeem, terwijl specificiteit van chemische informatiestoffen op gastheer-niveau lijkt te ontbreken.

Planten met vraatschade scheiden vluchtige stoffen af die gebruikt kunnen worden door de natuurlijke vijanden van de herbivoren tijdens hun zoektocht naar gastheren. Op basis van de resultaten van de gedragsstudies in hoofdstuk 2 en 3 werd er in hoofdstuk 4 onderzocht of er verschillen aangetoond konden worden in de samenstelling van het mengsel vluchtige stoffen tussen verschillende waardplant- gastheer complexen. Chemische analyse van de monsters vluchtige stoffen van rode en witte kooi en oostindische kers, beschadigd door het grote koolwitje, P. brassicae of het kleine koolwitje, P. rapae , of onbeschadigd laat zien, dat beschadigde planten het grootste aantal stoffen afgeeft en in de grootste hoeveelheden. De plantesoort was van grotere invloed op de samenstelling van het geurmengsel dan de soort herbivoor, en tussen plantevariëteiten waren de verschillen in samenstelling kleiner dan tussen plantesoorten, waar kwalitatieve verschillen aangetoond werden. De samenstelling van het chemische mengsel afkomstig van planten met P. brassicae of P. rapae vertoonde slechts kwantitatieve verschillen. Deze kennis vergroot het inzicht in de beschikbaarheid van chemische informatiestoffen voor beide sluipwespsoorten tijdens het zoeken naar gastheren, waarbij de specificiteit van de stimuli op het niveau van de gastheer minder groot blijkt te zijn dan op het niveau van de plant.

In hoofdstuk 5 hebben we onderzocht in hoeverre het gastheeracceptatie gedrag in relatie to gastheer-soort, leeftijd en verdedigingsgedrag een verklaring zou kunnen zijn voor de verschillen in gastheerspectrum van beide sluipwespsoorten. Gastheeracceptatie bij C. rubecula was hoog wanneer P. rapae larven aangeboden werden, waarbij vrouwtjes geen onderscheid maakten tussen de verschillende leeftijden. Vrouwtjes van C. rubecula bleken echter minder makkelijk P. brassicae of P. napi te accepteren. Cotesia glomerata vertoonde een hogere mate van plasticiteit in acceptatie van verschillende Pieris soorten en verschillende leeftijden van de gastheren dan C. rubecula . Ze parasiteerden rupsen van alle drie Pieris soorten waarbij de eerste twee larvale stadia makkelijker geparasiteerd werden dan het derde stadium. Het parasiteringssucces werd ook beïnvloed door het verdedigingsgedrag van de gastheren. Met het toenemen van de leeftijd van de gastheer nam de frequentie en de effectiviteit van het verdedigingsgedrag toe, waarbij P. brassicae de meest aggressieve gastheersoort was. Daarnaast werd de gemiddelde eileg-duur van C. glomerata aanzienlijk gereduceerd door het verdedigingsgedrag van deze gastheersoort. Het is aannemelijk, dat dit van invloed is op de fitness van de sluipwesp, omdat de grootte van het legsel gecorreleerd is met de duur van de eileg-periode. De gevonden acceptatie frequenties zijn in overeenstemming met gegevens uit het veld van de Pieris-Cotesia associatie en met het ontwikkelingssucces van de sluipwesplarven in bepaalde gastheren. Dit geeft aan dat de gastheer-acceptatie fase gebruikt kan worden als een betrouwbare indicator voor gastheer specificiteit bij Cotesia .

Variabiliteit in respons op stimuli als gevolg van leren
Leergedrag bij C. glomerata en C. rubecula is onderzocht en vergeleken in gedrags studies op lange afstand (hoofdstuk 6) en door het bestuderen vaC. glomerata en het gastheer-localisatie gedrag na landing op een door gastheren beschadigd blad (hoofdstuk 7). Het gebruik van chemische informatiestoffen bij het inschatten van de geschiktheid van een plek met gastheren wordt beschreven in hoofdstuk 8.

Het effect van ervaring op het gastheer-zoekgedrag van C. glomerata en C. rubecula is vergeleken, en hier kwamen duidelijke verschillen in het gedrag naar voren tussen de beide sluipwespsoorten (hoofdstuk 6). De generalist C. glomerata verkreeg voorkeuren als gevolg van leren op zowel het plant niveau als ook op het gastheer niveau. Na herhaalde ervaringen met gastheren op door gastheren beschadigd bladmateriaal lieten ze in tweekeuze toetsen een duidelijke voorkeur zien voor planten die door P. brassicae beschadigd waren. Deze sluipwesp is kennelijk in staat onderscheid te leren maken tussen enkele subtiele verschillen in informatie van planten beschadigd door verschillende gastheersoorten, ondanks de afwezigheid van duidelijke kwalitatieve verschillen in chemische mengsels van de waardplantgastheer complexen. Ervaring met verschillende, door P. brassicae beschadigde koolvariëteiten of oostindische kers leidde in de meeste gevallen tot een voorkeur voor het geleerde waardplant-gastheer complex. Visuele stimuli zoals kleur zouden een rol hebben kunnen spelen bij het leerproces, maar het is geenszins de enige faktor die tot voorkeuren heeft geleid. Cotesia glomerata kan geuren van waardplant-gastheer complexen leren, zonder dat er verschillen aanwezig zijn in de visuele prikkels.

In tegenstelling tot de generalist verkregen vrouwtjes van de specialist C. rubecula geen voorkeur door ervaring, niet op gastheer niveau, noch op plant niveau. Meervoudige ervaring met door P. rapae beschadigd bladmateriaal resulteerde niet in een voorkeur voor deze gastheer in een keuzesituatie met planten met P. brassicae en P. rapae . Ervaring met verschillende door P. rapae beschadigde koolvariëteiten veranderde de voorkeuren niet.

Deze resultaten ondersteunen de hypothese, dat leren een grotere rol speelt in het zoekgedrag van de generalist dan in het gedrag van de specialist.

Nadat sluipwespen beland zijn in een potentiële gastheer-microhabitat komen ze in de gastheer-localisatie fase, en door voornamelijk te reageren op stimuli afkomstig van gastheren, kunnen ze een inschatting maken van de geschiktheid van de plek waarin ze zoeken. Via het meervoudig bezoeken van verschillende plekken, kunnen ze de relatieve profijtelijkheid van de habitat leren. De stimuli die met de gastheer geassocieerd zijn, kunnen door de naïeve sluipwesp herkend worden, of ze kunnen geleerd worden door ervaring, om zo onderscheid te maken tussen verschillende waardplantgastheer complexen in toekomstige zoekprocessen. Het gastheer-localisatie gedrag van C. glomerata en C. rubecula werd onderzocht in windtunnel experimenten, waar vrouwtjes de kans kregen naar eigen believen naar gastheren te zoeken (hoofdstuk 7) op spruitkoolplanten met door P. brassicae en P. rapae beschadigde bladeren en onbeschadigde bladeren. Zodoende konden ze ervaring opdoen met de beschikbaarheid van gastheren. Het aantal bezoeken en verblijfstijden bleken specifiek voor beide sluipwespsoorten. Cotesiaglomerata bezocht vaker bladeren met P. brassicae en besteedde daar meer tijd in vergelijking met de andere bladtypen, en dit ging samen met een groter aantal geparasiteerde P. brassicae rupsen dan P. rapae rupsen. Bij C. rubecula werden meer bezoeken en langere verblijfstijden waargenomen op bladeren met P. rapae dan op andere bladtypen.

Hoe naïeve en ervaren C. glomerata en C. rubecula vrouwtjes omgaan met verschillen in profijtelijkheid van gastheer plekken tijdens de gastheer localisatie wordt beschreven in hoofdstuk 8. Naïeve vrouwtjes van beide sluipwespsoorten maakten onderscheid tussen chemische stimuli afkomstig van planten met hoge en lage gastheerdichtheden. Responsen van naïeve vrouwtjes op geuren van door gastheren beschadigd spruitkoolblad nam toe met een toename van het aantal gastheren op het blad. Ervaring met lage gastheerdichtheden veroorzaakte bij C. glomerata een verhoging van de responsiviteit op deze lage gastheerdichtheden, hetgeen wijst op een toename van de gevoeligheid voor lage gastheerdichtheden. Deze resultaten tonen aan, dat kwantitatieve verschillen in chemische informatiestoffen een belangrijke rol spelen in het habitat-localisatie gedrag. Daarnaast werd duidelijk, dat C. glomerata ervaring met verschillende gastheerdichtheden gebruikt bij volgende zoekbeslissingen en dat de volgorde waarin gastheerdichtheden waargenomen worden het gedrag sterk beïnvloedt. De eerste ervaring die een vrouwtje krijgt is van essentieel belang voor volgende beslissingen, en kan niet zonder meer overschaduwd worden door een ervaring op een meer profijtelijke plek. Voorkeuren ontstaan onder invloed van ervaring wanneer de eerste ervaring plaats vindt op een plek met hoge gastheerdichtheden. De resultaten beschreven in dit hoofdstuk laten zien, dat ervaring de respons van vrouwtjes op variatie in beschikbaarheid van gastheren kan veranderen. Voor C. rubecula is dit niet onderzocht, omdat er voor deze soort in eerdere experimenten geen leren kon worden aangetoond.

Gastheergeschiktheid
Gastheerspecificiteit en gastheerselectie door sluipwespen worden verondersteld gecorreleerd te zijn met de geschiktheid van de gastheer voor de ontwikkeling van sluipwesplarven. In hoofdstuk 9 is de correlatie tussen gastheergeschiktheid en het eerder beschreven zoekgedrag (hoofdstuk 2, 3, 5, 7 en 8) bestudeerd. De bekwaamheid van C. glomerata en C. rubecula om de drie gastheren P. brassicae , P. rapae en P. napi te parasiteren en zich daarin te ontwikkelen werd onderzocht en vergeleken, met de voorspelling dat de prestatie van de generalist in de drie gastheren minder variatie vertoont dan die van de specialist. Het effect van de gastheersoort op de fitness-bepalende parameters overleving, ontwikkeling, sex ratio en grootte van de nakomelingen werd gemeten. De resultaten laten zien dat C. glomerata in staat is zich succesvol te ontwikkelen in alle drie gastheersoorten. De verschillen in gastheergeschiktheid tussen de soorten onderling waren gering, met P. brassicae als meest geschikte gastheer. Cotesia rubecula bleek beperkt tot P. rapae . Hoewel deze sluipwespsoort fysiologisch gezien in staat is zich te ontwikkelen in P. brassicae rupsen, wordt fitness negatief beïnvloed door deze gastheersoort. Larven van P. napi waren ongeschikt voor C. rubecula , omdat parasitering niet leidde to productie van nakomelingen. Na vergelijking van deze resultaten met het gastheer-zoekgedrag en de gastheer-acceptatie kan geconcludeerd worden dat het gastheer-zoekgedrag van beide sluipwespsoorten leidt tot ontmoetingen met de gastheersoort die het meest geschikt is voor de ontwikkeling van de sluipwespen.

Veldpopulaties
De generalist C. glomerata en de specialist C. rubecula komen in koolvelden in Nederland naast elkaar voor. Om het uiteindelijke funktioneren van de soorten onder meer natuurlijke omstandigheden te onderzoeken, zijn veldexperimenten met natuurlijke populaties essentieel. In hoofdstuk 10 wordt een veldexperiment beschreven, dat is uitgevoerd om vast te stellen of parasitering varieert met gastheersoort en voedselplant van de gastheer. Beide sluipwespsoorten hadden duidelijke voorkeuren voor bepaalde waardplant-gastheer complexen in het veld. Cotesia glomerata werd voornamelijk teruggevonden in P.brassicae . Hoewel P. rapae en P. napi geschikt zijn voor ontwikkeling van deze sluipwesp (hoofdstuk g), werden van deze gastheersoorten nauwelijks door C. glomerata geparasiteerde individuen teruggevonden. Voor de generalist was een breder gastheerspectrum in het veld verwacht, maar competitie met C. rubecula in P. rapae speelt mogelijk een rol in het uiteindelijke gastheerspectrum van de generalist. Laboratoriumonderzoek heeft laten zien dat de generalist de concurrentie verliest van de specialist in geval van multiparasitering van P. rapae door C. glomerata en C. rubecula. . Experimenten in de windtunnel hebben laten zien, dat C. glomerata planten links laat liggen waarop C. rubecula P. rapae parasiteert. Zoals verwacht, beperkt C. rubecula zich ook in het veld tot P. rapae .

Op spruitkool en rode kooi werden hoge parasiteringspercentages gevonden, terwijl op oostindische kers nauwelijks geparasiteerde rupsen werden aangetroffen. Rode kooi en spruitkool bleken even geschikt voor de ontwikkeling van C. glomerata in P. brassicae . De resultaten van het veldonderzoek ondersteunen de resultaten van de gedragsstudies beschreven in hoofdstuk 3, 6 en 7. Daarnaast lijken beide Cotesia soorten te kunnen coexisteren door niche-segregatie, wellicht door het ontwijken van competitie in P. rapae door C. glomerata.

Conclusie
Afsluitend kan de conclusie getrokken worden, dat het relatieve belang van chemische informatie van het eerste en tweede trofische niveau voor beide sluipwespsoorten gelijk is. De wijze waarop de twee soorten met deze informatie omgaan is echter verschillend.

Het gedrag van de generalist C. glomerata werd verondersteld plasticiteit te vertonen door leerprocessen, hetgeen duidelijk is aangetoond. Voor de specialist C. rubecula kon geen invloed van leerprocessen op het gedrag aangetoond worden, hetgeen verwacht werd.

De generalistische levenswijze van C. glomerata wordt weerspiegeld is het gastheer-acceptatie gedrag en de gastheer-geschiktheid van verschillende Pieris soorten voor de ontwikkeling van nakomelingen. Echter, de uiteindelijke gastheerselectie lijkt te zijn toegespitst op P. brassicae , zowel in laboratorium experimenten als in het veld. De specialist C.rubecula ontwikkelt zich succesvol in P. rapae en het gedrag van deze sluipwespsoort lijkt te zijn aangepast voor het zoeken naar deze gastheer.

De adaptieve waarde van het zoekgedrag van beide soorten is hiermee duidelijk geworden.

Original languageEnglish
QualificationDoctor of Philosophy
Awarding Institution
Supervisors/Advisors
  • van Lenteren, Joop, Promotor
  • Vet, Louise, Promotor
  • Dicke, Marcel, Promotor
Award date21 May 1997
Place of PublicationS.l.
Publisher
Print ISBNs9789054857129
Publication statusPublished - 1997

Keywords

  • biological control
  • insects
  • beneficial insects
  • pheromones
  • ichneumonidae
  • lepidoptera
  • host parasite relationships
  • parasitism
  • brassica oleracea var. gongylodes
  • kohlrabi
  • animal behaviour
  • cotesia glomerata
  • cotesia rubecula
  • rhopalocera

Cite this