Effects of elevated atmospheric CO2 concentrations on insects and pathogens of spring wheat (Triticum aestivum L. cv. Triso) and oilseed rape(Brassica napus cv. Campino)

Abstract

It is suggested that plants, herbivore insects and pathogens will be affected by rising atmospheric CO2. The working hypothesis of this study was that elevated CO2 will affect plant composition and will thus exert influence on plant-insect interactions by changing the nutritive value for insects feeding on phloem sap. To test this hypothesis, experiments were carried out on wheat and oilseed rape in two different systems: controlled environment chambers (climate chamber system) and an open field exposure system with natural climatic and soil conditions (Mini FACE system). The abundance of detrimental insects from different feeding guilds and plant damage by parasitic organisms were examined in a Mini FACE system, while the consequences of elevated CO2 on aphid performance and potential correlations to phloem sap composition of host plants were observed in controlled environment chambers. The concentrations of amino acids and carbohydrates in the phloem of host plants were analysed by high?performance liquid chromatography (HPLC), using a fluorescence detector for amino acids and the evaporative light scattering detector for carbohydrates. In a Mini-FACE system, phenological development of spring wheat and OSR was not significantly changed due to CO2 enrichment. However, elevated CO2 induced changes in plant chemistry (increased carbon:nitrogen ratio and defensive compounds), which resulted in changes in population densities of some pest species. In order to monitor alterations in insect population density, two different methods were applied: direct counts (method 1) and using of yellow sticky traps (method 2). These methods showed both increases and decreases of insect numbers due to elevated CO2, depending on species and on the period of observation. Concerning plant pathogens, leaves of spring wheat were only slightly and not significantly damaged by Erysiphe graminis, Puccinia striiformis, Puccinia recondita and Septoria tritici during the 2006/2008 years in all treatments. Also the OSR was not significantly damaged by Peronospora parasitica. The frequency and severity of disease infestation on spring wheat and OSR was not significantly impacted by elevated CO2. In controlled-environment chambers, the phenology, above ground biomass and RGR of OSR were not significantly impacted due to elevated CO2. And although the phenology of spring wheat was not influenced by raised CO2, significant increases were observed for plant above ground biomass and RGR. The aphid presence significantly reduced the aboveground biomass and RGR of spring wheat, while no effects due to aphids were observed in OSR. High-CO2 treatment differently impacted the performance of aphids. Slight and non-significant increases due to elevated atmospheric CO2 conditions were observed for the aphid relative developmental stages and intrinsic rates of increase, while the weight and RGR were significantly increased for Rhopalosiphum padi and decreased for Myzus persicae. In order to clear CO2-impacts on the insect performance, phloem sap from host plants was analysed for the composition and concentration of amino acids and carbohydrates. In summary, although the phenological development of spring wheat and OSR was not affected due to elevated CO2, significant changes were found for the concentration of carbohydrates in the phloem sap of spring wheat and individual amino acids in both host plants. These alterations in plant chemistry affected the performance and abundance of herbivore insects.

Es muss vermutet werden, dass die Erhöhung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre einen wesentlichen Einfluss auf Nutzpflanzen, pflanzenfressende Insekten und das Auftreten von pflanzlichen Pathogenen hat. Die Arbeitshypothesen der vorliegenden Arbeit besagen, dass erhöhte CO2-Konzentrationen die Zusammensetzung der pflanzlichen Gewebe beeinflusst und sich dadurch Veränderungen in den Interaktionen zwischen Pflanzen und herbivoren Insekten ergeben, welche durch veränderte Nährwerte des Phloemsaftes für die Insekten hervorgerufen werden. Um diese Hypothese zu testen, wurden Versuche mit Sommerweizen und Raps in zwei unterschiedlichen Systemen durchgeführt: in einem Klimakammersystem unter kontrollierten Klimabedingungen und in einem Freilandexpositionssystem unter natürlichen klimatischen Bedingungen (Mini-FACE-System). In den Freilandexperimenten wurden die Abundanz von Schädlingen aus verschiedenen Nahrungsgruppen und die daraus resultierenden Schädigungen an den Pflanzen durch die parasitischen Organismen untersucht. In den Klimakammerexperimenten wurden die Auswirkungen erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentrationen auf die Vitalität gezielt angesetzter Blattlausarten sowie potenzielle Korrelationen zwischen Blattlausvitalität und Phloemsaftzusammensetzung der Wirtpflanzen untersucht. Die Messungen der Phloemsaftzusammensetzung in Hinblick auf Aminosäuren- und Kohlenhydrat-Konzentration erfolgte mittels Hochleistungsflüssigchromatographie, die mit einem Fluoreszenzdetektor für die Erfassung der Aminosäuren bzw. einem Verdampfer/Streuungsdetektor für die Kohlenhydratanalytik. Die phänologische Entwicklung von Weizen und Raps im Freilandsystem wurde durch die CO2-Erhöhung nicht wesentlich verändert. Der CO2-Anstieg bewirkte jedoch Änderungen in der chemischen Struktur der Pflanzen (ein gestiegenes Kohlenstoff-Stickstoffverhältnis und eine Anreicherung von Abwehrkomponenten), was zu Änderungen in der Populationsdichte einiger Schädlingsarten führte. Um die Änderungen in der Populationsdichte zu beobachten, wurden zwei verschiedene Methoden benutzt: Zählung der Schädlinge direkt auf den Pflanzen (Methode 1) und Fang von Schädlingen auf sogenannten Gelbtafeln (Methode 2). Mit diesen beiden Methoden konnten sowohl Steigerung als auch Verringerungen der Insektenanzahl durch erhöhtes CO2 nachgewiesen werden, abhängig von den betreffenden Insektenarten und dem Beobachtungszeitraum. Hinsichtlich der Schadbilder durch Krankheitserreger waren Weizenblätter durch Erysiphe graminis, Puccinia striiformis, Puccinia recondita und Septoria tritici in den Untersuchungsjahren 2006 und 2008 auf allen Untersuchungsflächen leicht geschädigt. Erhöhtes CO2 hatte keinen besonderen Einfluss auf Häufigkeit und Stärke von Pflanzenkrankheiten bei Weizen und Raps. Unter kontrollierten Klimabedingungen wurden weder die oberirdische Biomasse, die relative Wachstumsrate (RGR) noch die Phänologie von Raps durch CO2 signifikant beeinflusst. Bei Sommerweizen trat kein CO2-Effekt auf die Phänologie auf, wohl aber eine deutliche Zunahme von Biomasse und RGR. Der Besatz mit Blattläusen reduzierte sowohl die oberirdische Biomasse als auch die relative Wachstumsrate des Sommerweizens signifikant. Im Gegenteil dazu wurde kein Einfluss von Blattläusen auf den Raps festgestellt. Die CO2-Erhöhung beeinflusste auf unterschiedliche Art und Weise die Vitalität von Blattläusen. Eine leichte Zunahme wurde in den relativen Entwicklungsstadien und in der intrinsischen Entwicklungsrate der Blattläuse beobachtet. Das Gewicht und die Wachstumsrate von Rhopalosiphum padi nahmen bedeutend zu, die von Myzus persicae jedoch ab. Um mögliche Wirkungsmechanismen der CO2-Auswirkungen auf die Vitalität der Insekten zu klären, wurde der Phloemsaft der Wirtpflanzen auf Zusammensetzung und Konzentration von Aminosäuren und Kohlenhydraten analysiert. Zusammengefasst fanden keine wesentlichen Veränderungen der phänologischen Entwicklung von Sommerweizen und Raps durch erhöhtes Kohlendioxid statt. Es gab aber deutliche Effekte auf die Konzentration von Kohlenhydraten im Phloemsaft von Sommerweizen und von individuellen Aminosäuren in beiden Wirtpflanzen. Diese Änderungen im Chemismus der Pflanzen beeinflussten die Vitalität und das Vorkommen von herbivoren Insekten.