Προσδιορισμός και χαρακτηρισμός σημειοχημικών ουσιών του Drosophila suzukii για την ανάπτυξη ολοκληρωμένης στρατηγικής διαχείρισής του στην Ελλάδα

Abstract

The economy of many countries and specifically countries of Mediterranean is based in agricultural production. Insect pests are a big hazard, since they are responsible for the damage of many crops. Drosophila suzukii Matsumura (Diptera: Drosophilidae) is a relatively new pest for Europe, affecting a wide variety of small and stone fruits. Infection by D. suzukii causes fruit to be unsuitable for distribution and consumption resulting in significant economic damage. In order to control this pest and limit the economic damage on fruit crops, farmers usually resort to the use of organophosphate, spinosyn and/or pyrethroid insecticides. Unfortunately, the insecticide efficacy on D. suzukii is limited and the impact on biodiversity, ecosystem, food and water ecosystems is devastating. Nowadays, biological control methods play a crucial role for the Integrated Pest Management (IPM) with the ability to suppress pest population below economic thresholds rather than only providing a temporary control based on broad range agrochemicals. For this reason, the search for alternative insect management strategies of D. suzukii in food crops is of vital importance. The cuticle of insects is covered with a layer of wax that consists of lipids, a class of compounds that includes alcohols, fatty acids, acylglycerols and hydrocarbons. Cuticular hydrocarbons (CHCs) are found at all life stages of insects and their production can be affected by several factors such as reproductive status, sex, age, maturation, food, temperature, social experience and photoperiod. One of the main roles of these compounds is to serve as means of communication and signaling, providing both inter-and intraspecific information including aggregation, mating, alarm, aggression and recognition. In this thesis a method coupling gas chromatography with electron ionization mass spectrometry was developed for a better structural identification of CHCs of D. suzukii. In addition to the known CHCs reported in previous studies, three new compounds, nonadecane, 2-methyleicosane and 2-methylheneicosane, was observed. We evaluate the effect of solvent extraction time on the amount of D. suzukii CHCs. Extraction time can affect the detection as well as the relative amount of substances in both male and female flies. Specifically, it was shown that the increase of the extraction time had a profound effect on the amount and type of CHCs determined in both sexes of D. suzukii. Increasing the extraction time, we were also able to detect new compounds in the fly, which subsequently were used to evaluate their role on insect’s behavior. Based on the quantitative results obtained, we further evaluated the biological role of two compounds, dodecane and 9-pentacosene. It was found that the D. suzukii adults are repulsed when exposed to dodecane (C12) acting as alarm pheromone. On the other hand, 9-pentacosene (9-C25) seems to enhance mating behavior of D. suzukii males acting as sex pheromoneFurthermore, the study of the effect of age and sex in CHCs production showed that there are prominent changes in CHC profiles in function of age-related maturation and less prominent changes in function of sex. Specifically, we concluded that D. suzukii has a sexually monomorphic CHC. Both sexes at age of 1 day produced compounds in high abundance which they have long carbon chains (C25-C33), while at the age of 2 and 25 days insects produced CHCs with short carbon chains (C19-C25). The results of bioassays demonstrate that 9-heneicosene (9-C21) positively regulated the aggregation. We investigate the aggressive behaviour of D. suzukii. Inter-male and inter-female aggression was determined ethologically consisting of several behaviour patterns. Two hours starvation period increase locomotor activity of flies, promoting increased aggressive behaviour. Number of male encounters was higher in flies held in isolation than in those that had been reared with siblings whereas in case of females, only those that were isolated exhibited increased aggression. Females and males D. suzukii that were 4-day-old were more aggressive. In addition it is found that on the 3rd hour after the beginning of photoperiod, regardless of age, both genders rise to high intensity aggression patterns. Also the effect of socialization in CHC profile of insect was study. It is observed that non-socialization resulted increased amounts of 7-tricosene (7-C23). Evaluation of biological role of 7-C23 showed that it is a compound that increases the aggressive behaviour of male D. suzukii. Our findings offer potential new routes for IPM strategies. Many potential IPM strategies such as attract-and-kill, mass trapping and mating disruption rely on chemical communication used by insects. We propose that 9-C21, C12, 9-C25 and 7-C23 CHCs could be part of an IPM for D. suzukii.

Η οικονομία πολλών χωρών και ιδιαίτερα της Μεσογείου βασίζεται στον πρωτογενή τομέα παραγωγής. Η προσβολή των καλλιεργειών από επιζήμιους οργανισμούς αποτελεί αναμφισβήτητα ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που καλείται να αντιμετωπίσει ο καλλιεργητής. Tο δίπτερο έντομο Drosophila suzukii (D. suzukii) είναι ένας εξαιρετικά επιβλαβής οργανισμός για τις καρποφόρες καλλιέργειες. Στις μέρες μας ο κυριότερος τρόπος αντιμετώπισής του είναι οι εντομοκτόνες ουσίες, όπως η σπινοσίνη, τα οργανοφωσφορικά και τα πυρεθροειδή. Βασικό μειονέκτημα των ενώσεων αυτών είναι ότι για να θεωρηθούν αποτελεσματικές θα πρέπει να εφαρμόζονται τακτικά με αποτέλεσμα την ταυτόχρονη θανάτωση πολλών ωφέλιμων εντόμων. Η μη ορθολογική τους χρήση οδηγεί σε πιθανή εμφάνιση ανθεκτικότητας, ενώ η εφαρμογή τους κατά το στάδιο ωρίμανσης των φρούτων μπορεί να αυξήσει τα υπολείμματα στον καρπό. Η αναζήτηση εναλλακτικών στρατηγικών διαχείρισης και αντιμετώπισης του D. suzukii έχει γίνει πλέον επιτακτική ανάγκη με πρωταρχικό στόχο την προστασία του περιβάλλοντος και του καταναλωτή. Η επικοινωνία και η συμπεριφορά των εντόμων είναι ενστικτώδης και καθορίζεται από χημικά ερεθίσματα που τους προκαλούν συγκεκριμένες αντιδράσεις. Τέτοιου είδους χημικά ερεθίσματα είναι οι φερομόνες, οι οποίες είναι ικανές να κατευθύνουν τα έντομα προς τον ξενιστή ή την τροφή τους. Συγχρόνως αυτές επιτρέπουν στα έντομα να αναγνωρίσουν επιφάνειες κατάλληλες για ωοτοκία ή άτομα του ίδιου είδους ή ακόμα και να αποφύγουν επικίνδυνες γι’ αυτά θέσεις. Οι χημικές μελέτες για την ταυτοποίηση φερομονών σε συνδυασμό με μελέτες της συμπεριφοράς των εντόμων είναι μεγάλης σημασίας για δύο λόγους, την αποκρυπτογράφηση της χημικής οικολογίας του D. suzukii και τη χρήση των φερομονών στην Ολοκληρωμένη Φυτοπροστασία. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε η βελτιστοποίηση της μεθόδου για την ανάλυση των επιδερμικών υδρογονανθράκων (cuticular hydrocarbon, CHC) του D. suzukii. Στην συνέχεια, μελετώντας την επίδραση διαφορετικών χρόνων εκχύλισης στην εκχυλιζόμενη ποσότητα των επιδερμικών υδρογονανθράκων του D. suzukii, ταυτοποίηθηκαν επτά νέες ουσίες, εκ των οποίων το δωδεκάνιο (dodecane, C12) παρουσίασε απωθητική δράση. Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι η μέγιστη εκχυλιζόμενη ποσότητα του 9-πεντακοσένιο (9-pentacosene, 9-C25) προκάλεσε αυξημένη σεξουαλική συμπεριφορά στο αρσενικό φύλο σε σύγκριση με την εκχυλιζόμενη ποσότητα της 1 ώρας. Έπειτα, εξετάσθηκε η επίδραση του φύλου και της ηλικίας στο CHC προφίλ του εντόμου. Ο παράγοντας του φύλου επηρέασε μόνο ποσοτικά την παραγωγή των CHCs. Αντίθετα η ηλικία επηρέασε την παραγωγή των CHC τόσο ποιοτικά όσο και ποσοτικά. Στην ηλικία της 1 ημέρας τα έντομα παράγουν σε μεγαλύτερη αφθονία ενώσεις με μακριές ανθρακικές αλυσίδες, ενώ στην ηλικία των 4 και 25 ημερών τα έντομα παράγουν ενώσεις με λιγότερο μακριές ανθρακικές αλυσίδες. Το αλκένιο 9-εικοσιενένιο (9-heneicosene, 9-C21) χαρακτηρίστηκε ως φερομόνη συνάθροισης, αλλά σε μικρές συγκεντρώσεις.Μελετώντας την επιθετική συμπεριφορά του D. suzukii διαπιστώθηκε ότι τα μη κοινωνικοποιημένα αρσενικά είναι περισσότερο επιθετικά από τα κοινωνικοποιημένα. Στην ηλικία των 4 ημερών και στην 3η ώρα μετά την έναρξη της φωτοπεριόδου, αρσενικά και θηλυκά, εκδήλωσαν έντονη επιθετικότητα. Σχεδιάστηκε το ηθόγραμμα για τα επιθετικά και αμυντικά μοτίβα συμπεριφοράς του εντόμου. Τέλος, εξετάσθηκε πώς επηρεάζει ο παράγοντας της κοινωνικοποίησης το CHC προφίλ του εντόμου και παρατηρήθηκε ότι η μη κοινωνικοποίηση και των δύο φύλων του D. suzukii οδηγήσε σε αυξημένα ποσοστά της ουσίας 7-τρικοσένιο (7-tricosene, 7-C23). Μελετώντας τη βιολογική της δράση, διαπιστώθηκε αύξηση της επιθετικής συμπεριφοράς και των δύο φύλων του D. suzukii. Ο πλήρης ποιοτικός και ποσοτικός προσδιορισμός του CHC προφίλ του D. suzukii καθώς και η μελέτη της βιολογικής δράσης των προαναφερθέντων ουσιών μπορεί να οδηγήσουν σε περαιτέρω γνώση για την οικολογία του εντόμου, η οποία με τη σειρά της θα συνεισφέρει στην ανάπτυξη νέων μεθόδων για την Ολοκληρωμένη Αντιμετώπιση του D. suzukii.