Einfluss unterschiedlicher Stickstoffdüngung auf die Aminosäurekonzentration und -zusammensetzung des Phloemsaftes von Tanacetum vulgare (L.) und auf das Such- und Saugverhalten der monophagen Blattlausarten Uroleucon tanaceti (Mordv.) und Macrosiphoniella tanacetaria (Kalt.)

Titelangaben

Nowak, Heike:
Einfluss unterschiedlicher Stickstoffdüngung auf die Aminosäurekonzentration und -zusammensetzung des Phloemsaftes von Tanacetum vulgare (L.) und auf das Such- und Saugverhalten der monophagen Blattlausarten Uroleucon tanaceti (Mordv.) und Macrosiphoniella tanacetaria (Kalt.).
Bayreuth , 2008
( Dissertation, 2008 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Der Einfluss von unterschiedlicher Stickstoffdüngung auf die Aminosäurekonzentration und -zusammensetzung des Phloemsaftes von Tanacetum vulgare L. wurde untersucht sowie Verhaltensbeobachtungen an den Blattlausarten Uroleucon tanaceti (Mordv.) und Macrosiphoniella tanacetaria (Kalt.) durchgeführt, um zu klären, ob die Aphiden Unterschiede zwischen verschieden stickstoffversorgten Pflanzen wahrnehmen und Präferenzen für bestimmte Pflanzen zeigen. Für die Bearbeitung dieser Fragestellung wurden genetisch identische Pflanzen 1 - 3 Monate mit Nährlösungen angezogen, welche alle benötigten Mikro- und Makronährstoffe in gleichen Mengen enthielten, sich jedoch in der N-Konzentration unterschieden (1, 3, 6, 12 mM NH4NO3). Die ansteigende N-Konzentration in den Nährlösungen führte zu einer Zunahme der oberirdischen Biomasse und den Blattflächen sowie zu einer Abnahme der Wurzel/Spross- und C/N-Verhältnisse. Ein Vergleich der C/N-Verhältnisse von Freilandpflanzen mit denen im Gewächshaus mit Nährlösung angezogenen Pflanzen und die Bestimmung von Nitrat- und Ammoniumkonzentrationen in den Bodenlösungen von Rainfarnhabitaten zeigten, dass die 1 und 3 mM Nährlösungen den Stickstoffbedingungen natürlicher Standorte entsprachen. Zur Gewinnung des reinen Phloemsaftes wurde die Methode der Stylektomie oder Aphidentechnik durchgeführt. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Aminosäurekonzentration im Phloemsaft positiv mit der zunehmenden N-Versorgung korrelierte. Ein Einfluss auf die Phloemsaftzusammensetzung konnte für folgende Aminosäuren gezeigt werden: Arginin, Aspartat, Asparagin, Glutamat, Glutamin, Isoleucin, Methionin + Tryptophan, Phenylalanin und Valin. Allerdings hatten die für die Stylektomie verwendeten Blattlausarten einen zusätzlichen Einfluss auf die Zusammensetzung des Phloemsaftes. So war der prozentuale Anteil der Aminosäuren Valin, Phenylalanin Leucin und Methionin + Tryptophan bei Befall mit U. tanaceti erhöht, während der Befall der Pflanzen mit M. tanacetaria einen prozentualen Anstieg von Serin verursachte. Weiterhin wurde die zeitliche und örtliche Variabilität des Phloemsaftes untersucht. Dazu wurden Phloemsaftproben verschiedener Siebröhren eines Blattes sowie mehrere aufeinander folgende Proben einer Exsudation gesammelt und verglichen. Es zeigten sich starke zeitliche Schwankungen in der Zusammensetzung des Spektrums. Die Sammelstelle am Blatt beeinflusste die Zusammensetzung des Phloemsaftes nur geringfügig, da signifikante Unterschiede zwischen zwei Siebröhren nur für ein Blatt festgestellt wurden. Die Gesamtkonzentration der Aminosäuren war allerdings zwischen den Siebröhren eines Blattes zum Teil sehr unterschiedlich. Diese lag im Durchschnitt bei 91 - 655 mM. Die Saccharosekonzentration war mit 1,3 ± 0,5 M hingegen relativ konstant, wobei ein durch Verdunstungseffekte bedingter Anstieg der Konzentration im Verlauf der Sammelzeit beobachtet wurde. Parallel zu Analysen des Phloemsaftes wurden auch Konzentration und Zusammensetzung der Aminosäuren im Honigtau von Blattläusen bestimmt, welche an den für die Stylektomie verwendeten Pflanzen saugten. Es zeigte sich, dass alle in den Phloemsaftproben vorhandenen Aminosäuren auch im Honigtau nachgewiesen werden konnten, allerdings waren die Konzentrationen der Aminosäuren im Honigtau signifikant niedriger als im Phloemsaft. Die am höchsten konzentrierten Aminosäuren im Honigtau waren Aspartat, Asparagin, Glutamat, Glutamin und Serin. Der Vergleich der Aminosäurespektren beider Probenarten zeigte, dass Arginin, Glutamat, Glutamin sowie Methionin + Tryptophan im Honigtau gegenüber dem Phloemsaft signifikant reduziert waren, während der Gehalt von Phenylalanin im Honigtau signifikant höher war als im Phloemsaft. Die unterschiedliche N-Versorgung hatte auch einen Einfluss auf die Saugaktivität von U. tanaceti und M. tanacetaria, die mittels Electrical Penetration Graph (EPG) beobachtet werden konnte. Dabei wurde das Verhalten von insgesamt 206 Blattläusen innerhalb der ersten 8 Stunden nach dem Ansetzen an unterschiedlich N-versorgten Pflanzen analysiert. Die Blattläuse beider Arten benötigten durchschnittlich 3 Stunden um die Siebröhren zu finden, zeigten dann aber signifikant längere Phloemsaugphasen bei Pflanzen höherer N-Versorgung. Die Individuen der Art U. tanaceti zeigten die längsten Phloemaufnahmephasen an 6 mM NH4NO3-versorgten Pflanzen, während die Aphiden der Art M. tanacetaria nur an den 1 mM Pflanzen signifikant kürzere Saugphasen aufwiesen. Zusätzlich zu den EPGs wurden Präferenzversuche mit den beiden Blattlausarten durchgeführt, bei denen die Tiere zwischen Blättern unterschiedlich N-versorgter Pflanzen frei wählen konnten. Die Verteilung der Blattläuse sowie deren Reproduktionsrate wurden nach 48 Stunden ausgezählt. Auch bei diesen Versuchen zeigte sich, dass beide Arten die Pflanzenqualität offenbar wahrnehmen konnten, da sie Pflanzen höherer N-Düngung bevorzugten und auf diesen mehr Larven absetzten.

Abstract in weiterer Sprache

The influence of different nitrogen fertilisation regimes on the amino acid concentration and composition of phloem sap of tansy (Tanacetum vulgare L.) was analysed and observations of the search and feeding behaviour of the aphid species Uroleucon tanaceti (Mordv.) and Macrosiphoniella tanacetaria (Kalt.) on different nitrogen supplied plants were done to investigate if the aphids appreciate these differences. Genetically identical plants of tansy were bred for 1 - 3 months with nutrient solutions containing all essential macro- and micronutrients in equal amounts with exception of nitrogen. Nitrogen was added to the nutrient solution in the form of 1, 3, 6 and 12 mM NH4NO3. Increasing nitrogen concentration of the nutrient solution resulted in higher aboveground biomass and leaf area and lower root/shoot- and C/N-ratios. A comparison between the C/N-ratios of field-grown plants and of greenhouse plants and the determination of the ammonia and nitrate content of soil samples of natural tansy habitats showed that the 1 and 3 mM NH4NO3 nutrient solution of greenhouse plants corresponded with the nitrogen conditions of the natural habitats. Pure phloem sap was collected by stylectomy of U. tanaceti and M. tanacetaria during their feeding on the plants. It could be demonstrated that the amino acid concentration in the phloem sap correlated positively with the increasing nitrogen content in the nutrient solutions. Influence of the nitrogen supply on the phloem sap composition could be shown for following amino acids: arginine, aspartic acid, asparagine, glutamine, glutamic acid, isoleucine, methionine + tryptophan, phenylalanine and valine. However, the aphid species used for the stylectomy had an additional effect on the amino acid composition of phloem sap. For example the proportion of valin, phenylalanine, leucin and methionine + tryptophan in the phloem sap was higher after infestation with U. tanaceti, whereas the infection by M. tanacetaria resulted in an increase of serine. Also the temporal and local variability of the phloem sap composition were analysed. Phloem sap samples of different sieve tubes of the same leaf and successive sequent samples of one exudation were collected and compared with each other. It could be verified that strong temporal fluctuations of amino acids composition of phloem sap occurred. The collecting position on the leaf had a minor effect on the phloem sap composition (only in one case significant differences were observed). However, the concentration of amino acids often varied extremely between different sieve tubes of the same leaf. The concentrations of amino acids were on average 91 - 655 mM. In contrast sucrose concentrations of phloem sap were relatively constant with a mean of 1.3 ± 0.5 M. (Effects of evaporation could not be excluded and may have caused an increase of the concentrations during the collecting period.) Next to phloem sap analyses, also the concentration and composition of amino acids in the honeydew of aphids were investigated, which fed on the plants used for stylectomy. All amino acids from the phloem sap samples were also detected in the honeydew, the amino acid concentrations, however, were significantly lower in honeydew than in the phloem sap. The dominant amino acids of honeydew were aspartic acid, asparagine, glutamic acid, glutamine and serine. Comparison of the amino acid spectra of both kinds of samples revealed that arginine, glutamic acid, glutamine and methionine + tryptophane in the honeydew were significantly reduced compared to the phloem sap, whereas the content of phenyalanine in the honeydew was significantly elevated compared to the phloem sap. Different nitrogen fertilisation regimes also had an effect on the feeding activity of U. tanaceti and M. tanacetaria, as was observed by Electrical Penetration Graph (EPG). The behaviour of 206 aphids was analyzed within the first 8 hours after infestation of plants. Aphids of both species needed on average 3 hours for sieve tube localisation but displayed significantly longer feeding phases on plants with higher nitrogen supply. Individuals of U. tanaceti displayed the longest feeding activities on plants which were supplied with 6 mM NH4NO3, whereas aphids of M. tanacetaria exhibited longest ingestion phases on plants supplied with 3 - 12 mM NH4NO3 nutrient solution. Feeding preference experiments with both aphid species were carried out, during which animals could freely choose between leaves of differently nitrogen-supplied plants. Aphids’ distribution and their reproduction rate were determined after 48 hours. The experiments indicated that both species preferred plants of higher nitrogen fertilisation levels and deposited more larvae on these plants.