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Doctoral Thesis
2018
Overwintering and reproduction biology of Drosophila suzukii Matsumura (Diptera: Drosophilidae)
Overwintering and reproduction biology of Drosophila suzukii Matsumura (Diptera: Drosophilidae)
Abstract (English)
Drosophila suzukii (Matsumura) was introduced to southern Europe and the United States of America in 2008 through fruit imports from Southeast Asia and spread in the following years all over Europe, as well as South and North America. D. suzukii is a polyphagous pest which infests fruits of soft-skinned wild and cultivated plants. In contrast to the well-known D. melanogaster, healthy and ripe fruits are preferred. The infestation is caused by female D. suzukii who damage the fruit skin to deposit eggs underneath with the help of their serrated ovipositor. The feeding of hatching larvae and secondary infections, which can easily penetrate through the damaged fruit, can lead to complete yield losses. A short reproductive period, a large range of host plants and infestation of the fruits, shortly before harvesting makes it extremely difficult to control the pest. Due to comparatively late infestation, the possible period of application during ripening and harvesting is limited. The same applies to the frequency of application of insecticides at this time. Possible residues on the harvested products also carry the risk of rejection of the fruit on the market. Furthermore, an incomplete knowledge of the biology, especially overwintering biology under European environmental conditions makes an effective control of this invasive pest extremely difficult.
Therefore, the main research topics are the induction and refraction of the postulated diapause, the detection of any possible hibernation sites and the influence of temperature on the oviposition behaviour of D. suzukii.
Based on field experiments it could be shown that successful wintering could probably only take place in forest areas. After freezing, the forest was the only place where D. suzukii could resume its flight activity at warmer temperatures. It has also been confirmed that female flies are more resistant to temperatures below freezing than male flies. Accordingly, after a frost period, hardly any male D. suzukii were caught in bait traps. Similar results have also been obtained in laboratory tests, showing that D. suzukii adapted to low temperatures and shortday conditions had lower temperature preferences and a decreased mortality after changing environmental conditions. It can therefore be assumed that overwintering D. suzukii can spread better in spring due to a lower temperature preference and a higher physical activity under cold environmental conditions than flies without adaptation to winter conditions.
Bait traps were also used to determine the developmental status of the ovaries by dissecting the abdomens of weekly captured D. suzukii. This enabled a correlation between microclimatic conditions of individual habitats and the reproductive status of females to be established. In winter, the majority of female D. suzukii had “immature ovaries”, whereas in the summer most females had “mature eggs” in their abdomen. For this reason, it can be assumed that D. suzukii entered a reproductive diapause, which is apparently influenced by winter climatic conditions, nutritional status and the availability of food.
In addition, it was found that the developmental status of ovaries correlates positively with oviposition. Laboratory tests were carried out to determine the highest number of egg depositions at 20 °C. Most females with “mature eggs” were also documented under these simulated conditions. We detected that the preferred surface temperature for egg depositing was very similar to the preferred ambient temperature of D. suzukii. Most of the eggs were deposited on fruits with a surface temperature of 22 °C. At this temperature, the highest net reproductive rate and intrinsic rate of population increase was found, too. Temperatures below 15 °C and above 35 °C were not preferred, which represented the thresholds for a successful development of D. suzukii. Temperatures between 10 and 15 °C and shortday conditions were the most important key stimuli for entering the reproductive diapause. Therefore, temperature had a stronger influence on oviposition behaviour than daylength. A complete disruption of diapause occurred at higher temperatures (20 °C) and longday conditions after 72 hours.
The data presented in this work on the possibility of adapting D. suzukii to environmental conditions and key temperatures, which influence the development of ovaries and egg deposition, can provide an important contribution to the development of prediction and population dynamics models and can be used for long-term control strategies against D. suzukii.
According to current knowledge and observations, overwintering is obviously a critical period for the survival of the populations. Therefore, the characterisation and identification of additional hibernation sites is of great importance. There, a targeted and environmentally friendly control of D. suzukii populations could be particularly efficient.
Abstract (German)
Die Kirschessigfliege (Drosophila suzukii, Matsumura) wurde 2008 durch Fruchtimporte aus dem südost-asiatischen Raum nach Südeuropa und den USA eingeschleppt und verbreitete sich in den Folgejahren in ganz Europa, sowie in Süd- und Nordamerika. Bei D. suzukii handelt es sich um einen polyphagen Schadorganismus, welcher Früchte von weichschaligen Wild- und Kulturpflanzen befällt. Dabei werden, im Gegensatz zur bekannten D. melanogaster gesunde und reife Früchte bevorzugt. Der Schaden entsteht nur durch die weiblichen D. suzukii, die mithilfe ihres gezähnten Ovipositor die Fruchthaut beschädigen, um darunter ihre Eier abzulegen. Durch den Fraß der schlüpfenden Larven und nachfolgenden Sekundärinfektionen, die durch die beschädigte Frucht leicht hervorgerufen werden können, kann es zu vollständigen Ertragsverlusten kommen. Die kurze Reproduktionszeit, das große Wirtspflanzenspektrum und ein Befall der Früchte kurz vor der Ernte, macht eine Kontrolle des Schädlings äußerst schwierig. Durch einen vergleichsweisen späten Befall ist der mögliche Anwendungszeitraum während der Reife- und Erntephase beschränkt. Gleiches gilt für die Anwendungshäufigkeit von Insektiziden in dieser Zeit. Dadurch hervorgerufene mögliche Rückstände auf dem Erntegut bergen das Risiko der Ablehnung der Früchte auf dem Markt. Eine unvollständige Kenntnis der Biologie, besonders der Überwinterungsbiologie unter europäischen Umweltbedingungen macht eine effektive Bekämpfung des invasiven Schädlings zudem äußerst schwierig.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag deshalb auf Untersuchungen zur Frage, wie die Winterruhe von D. suzukii induziert und gebrochen wird, der Aufdeckung möglicher Überwinterungsplätze und dem Einfluss der Temperatur auf das Eiablageverhalten der Kirschessigfliege.
Anhand von Freilandversuchen konnte gezeigt werden, dass eine erfolgreiche Überwinterung wahrscheinlich nur in Waldgebieten stattfinden kann. Nach Frostereignissen war der Wald der einzige Standort, an dem D. suzukii bei nachfolgend wieder wärmeren Temperaturen ihre Flugaktivität wieder aufnehmen konnten. Zudem wurde bestätigt, dass weibliche Kirschessigfliegen resistenter gegenüber Temperaturen unter dem Gefrierpunkt sind, als männliche. Demnach wurden nach einem Frost kaum noch männliche D. suzukii in Köderfallen gefangen. Ähnliche Ergebnisse konnten auch in Laborversuchen erzielt werden, die zudem zeigten, dass Tiere, die an kühle Temperaturen und Kurztagbedingungen angepasst wurden eine niedrigere Temperaturpräferenz und Mortalität bei wechselnden Umweltbedingungen hatten. Es ist daher davon auszugehen, dass sich überwinternde D. suzukii durch eine niedrigere Temperaturpräferenz und eine höhere körperliche Aktivität bei kühlen Umweltbedingungen im Frühjahr besser ausbreiten kann, als Tiere ohne eine derartige Akklimatisation an Winterbedingungen. Mithilfe von Köderfallen wurde wöchentlich der Entwicklungszustand der Eierstöcke durch das Sezieren der Abdomen der gefangenen Kirschessigfliegen festgestellt. Es konnte eine Korrelation zwischen mikroklimatischen Bedingungen einzelner Standorte und dem Reproduktionszustand der Weibchen festgestellt werden. In den Wintermonaten wies der größte Teil der Kirschessigfliegen unreife Ovarien auf, wohingegen im Sommer die meisten Weibchen reife Eier in ihren Abdomen trugen. Es ist deshalb anzunehmen, dass D. suzukii in eine reproduktive Diapause eintritt, die offenbar durch winterliche klimatische Bedingungen, dem Ernährungszustand und die Verfügbarkeit von Nahrung beeinflusst wird.
Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass der Entwicklungszustand der Ovarien positiv mit den Eiablagen korreliert. In Laborversuchen konnte die höchste Eiablage bei 20 °C erfasst werden. Bei dieser Temperatur wurden auch die meisten Weibchen mit reifen Eiern dokumentiert. Außerdem konnte festgestellt werden, dass die präferierte Oberflächen-temperatur für Eiablagen sehr nah an der bevorzugten Umgebungstemperatur lag. Die meisten Eier wurden auf Früchte mit einer Temperatur von 22 °C abgelegt. Bei dieser Temperatur wurde auch die höchste Reproduktionsrate und die schnellste Wachstumsrate der Individuen festgestellt. Temperaturen unter 15 und über 35 °C wurden nicht präferiert, was gleichzeitig auch die Grenzwerte für eine erfolgreiche Entwicklung der Kirschessigfliegen darstellte. Temperaturen zwischen 10 und 15 °C und Kurztagbedingungen waren die wichtigsten Schlüsselreize für den Eintritt in die reproduktive Diapause. Dabei hatte die Temperatur einen stärkeren Einfluss auf das Eiablageverhalten der Tiere, als die Tageslänge. Eine vollständige Brechung der Diapause erfolgte bei höheren Temperaturen (20 °C) und Langtagbedingungen nach einem Zeitraum von 72 Stunden.
Die in dieser Arbeit beschriebenen Daten über die Möglichkeit der Adaptation von D. suzukii an Umweltbedingungen und Schlüsseltemperaturen, welche die Entwicklung der Ovarien und die Eiablage beeinflussen, können einen wichtigen Beitrag für die Entwicklung von Befallsprognose- und Populationsdynamikmodellen liefern und für langfristige Kontroll-strategien genutzt werden. Da die Überwinterung nach bisherigen Erkenntnissen und Beobachtungen offensichtlich einen kritischen Zeitraum für das Überleben der Populationen darstellt, ist die Charakterisierung und Identifizierung von weiteren Überwinterungsplätzen von großer Bedeutung. Eine gezielte und umweltfreundliche Eindämmung der D. suzukii-Population könnte dort besonders effizient sein.
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Phytomedicine
Examination date
2018-09-13
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English
Publisher
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Classification (DDC)
630 Agriculture
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Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Zerulla2018,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6328},
author = {Zerulla, Florian Niklas},
title = {Overwintering and reproduction biology of Drosophila suzukii Matsumura (Diptera: Drosophilidae)},
year = {2018},
school = {Universität Hohenheim},
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