Karakterisering van microbiële gemeenschappen in florale nectar en hun effect op nectarchemie en performantie van biologische bestrijders van plaaginsecten

Biologische bestrijding waarbij natuurlijke vijanden zoals predatoren (i.e. insecten die actief op zoek gaan naar eetbare prooien) of parasitoïden (i.e. insecten die hun eitjes in of op levende gastheren leggen, en waarvan de larven zich ontwikkelen ten koste van de gastheer) worden ingezet, is steeds belangrijker geworden om plaaginsecten te bestrijden. De efficiëntie van een dergelijke biologische bestrijding kan echter sterk belemmerd worden door een gebrek aan suikerrijke voeding in of nabij het gewas. Nectar of andere suikerbronnen zijn immers essentieel om natuurlijke vijanden in hun energiebehoeften te voorzien. Aangezien deze suikerbronnen zeldzaam zijn in intensieve landbouw, worden er in toenemende mate nectar-producerende planten in bloemrijke stroken tussen of aan de rand van een gewas gezaaid. Ondanks het feit dat er lange tijd vanuit werd gegaan dat de chemische en biologische eigenschappen van nectar plantkenmerken zijn die onveranderd bleven in de tijd, werd onlangs aangetoond dat nectar vaak micro-organismen bevat, meestal gisten en bacteriën. Deze nectar-gerelateerde micro-organismen kunnen mede oorzaak zijn van een verandering in de chemische nectarsamenstelling en dus ook de aantrekkingskracht en nutritionele geschiktheid voor insecten. De algemene doelstelling van deze studie bestaat erin om de impact van de microbiële gemeenschappen in de florale nectar van veel gebruikte nectarplanten in bloemenstroken te onderzoeken, en dit in relatie tot de chemische nectarparameters en de levensduur van natuurlijke vijanden.

Het eerste Hoofdstuk van deze thesis bestaat uit een algemene inleiding over biologische bestrijding van plaaginsecten tezamen met enkele van de belangrijkste beperkingen en uitdagingen. Vervolgens wordt er een beknopt overzicht gegeven van de huidige kennis over het voorkomen en de gevolgen van microbiële gemeenschappen in natuurlijk voorkomende suikerbronnen die aangewend worden door insecten, zoals florale en extraflorale nectar en honingdauw.

          In Hoofdstuk 2 wordt de hypothese onderzocht dat bloemennectar van bloeiende planten in landbouwecosystemen vaak gekoloniseerd zijn door micro-organismen, dewelke de chemische nectarsamenstelling wijzigen. Om dit te bestuderen, werden in eerste instantie de microbiële gemeenschappen (zowel gisten als bacteriën) in bloemennectar van drie verschillende plantensoorten (Boragoofficinalis of ‘bernagie’, Centaureacyanus of ‘korenbloem’ en Symphytumofficinale of ‘gewone smeerwortel’) die vaak gebruikt worden in bloemenstroken ter ondersteuning van biologische bestrijders, onderzocht. Uit deze resultaten blijkt dat de bloemen van elke onderzochte plantensoort een heel scala aan insecten kunnen aantrekken, met inbegrip van biologische bestrijders en dat zowel bacteriën als gisten vaak in de bloemennectar voorkomen. Echter, de structuur van de microbiële gemeenschap in nectar was significant verschillend tussen de onderzochte plantensoorten, maar niet tussen de verschillende experimentele locaties. Dit suggereert dat kenmerken van de plant de uiteindelijke samenstelling van microbiële gemeenschappen in florale nectar mogelijk bepalen. Ten tweede werd de invloed van deze nectar-gerelateerde micro-organismen op de chemische nectarsamenstelling onderzocht. De resultaten toonden aan dat microbiële gemeenschappen een significant effect hebben op zowel de suiker- als aminozuursamenstelling en -concentratie. In het bijzonder werden significant lagere concentraties van sucrose en fructaan suikers 1-kestose en neokestose teruggevonden in gecontamineerde nectar. Ook de concentratie van aminozuren, zoals threonine en valine, was beduidend lager in gecontamineerde nectar, terwijl concentraties aan alanine en glycine hoger lagen. Kortom, deze resultaten tonen duidelijk aan dat nectar in bloemen van bloemenstroken gevoelig is voor microbiële contaminatie, en dat deze microbiële gemeenschappen de chemische nectareigenschappen gevoelig kunnen veranderen.

In het volgende Hoofdstuk (Hoofdstuk 3), werden de taxonomische status en de fysiologische eigenschappen van een aantal bacteriestammen onderzocht, dewelke ook werden geïsoleerd uit de onderzochte bloemennectar van Hoofdstuk 2. Gebruik makende van een vergelijkende analyse van zowel gedeeltelijke sequenering van het 16S ribosomaal RNA gen en andere belangrijke huishoudgenen, DNA-DNA reassociatiedata, bepaling van het DNA G+C gehalte en fenotypische kenmerken, werd er aangetoond dat alle stammen behoren tot het genus Rosenbergiella (Enterobacteriaceae). Enkele belangrijke fenotypische kenmerken van deze stammen zijn: facultatief anaeroob, katalase-positief, negatief voor oxidase, DNase en gelatinase, groei bij 22, 25 en 30 °C, maar niet bij 4 °C, mogelijkheid om te groeien tot sucrose concentraties van 50 % (w/v), maar niet bij 60 % sucrose. Uit deze uitgebreide genotypische en fenotypische testen werden drie nieuwe bacteriële soorten beschreven, waarvoor de volgende namen werden aanvaard: Rosenbergiella australoborealis sp. nov., Rosenbergiella collisarenosi sp. nov. en Rosenbergiella epipactidis sp. nov. Bovendien werd de beschrijving van het Rosenbergiella genus geactualiseerd.

Het voedingsgedrag, de suikerconsumptie en de overleving van biologische bestrijders van honingdauw producerende insecten werd in Hoofdstuk 4 onderzocht. Gezien honingdauw vaak de meest voorkomende bron van exogene suikers vormt in moderne landbouwecosystemen, kan er verwacht worden dat parasitoïden van honingdauw producerende insecten algemeen voorkomende suikers in honingdauw verkiezen en hiermee ook langer overleven. Dit werd getest aan de hand van een modelorganisme, met name Aphidius ervi (Haliday) (Hymenoptera: Braconidae). Volwassen individuen van deze bladluisparasitoïde voeden zich meestal met honingdauw van hun gastheer. Onze resultaten toonden aan dat A. ervi voornamelijk een voorkeur geniet voor suikers die het meest in honingdauw van hun gastheer aanwezig zijn, zoals sucrose, fructose, trehalose en melezitose in vergelijking met glucose, dewelke in mindere mate aanwezig is in honingdauw van bladluizen. Wanneer A. ervi bovendien kort gevoed werd met sucrose of fructose, en vervolgens met glucose, verminderde de inname van glucose beduidend, wat kan wijzen op een verworven afkeer voor glucose, nadat de parasitoïden kennis gemaakt hadden met een geliefde suiker. Wat het effect van verschillende suikers op levensduur betreft, waren er aanzienlijke verschillen tussen de geteste suikers. Zo leefden parasitoïden het langst wanneer ze gevoed werden met sucrose, melezitose of fructose, gevolgd door melibiose en trehalose. Opmerkelijk want glucose behoorde niet tot de voorkeur van A. ervi, leefden volwassen individuen even lang met glucose als met sucrose en melezitose. Tenslotte werd ook de consumptie en levensduur met rhamnose, een suiker waarvan het voorkomen in honingdauw van bladluizen niet gekend is, onderzocht. Deze suiker werd niet of slechts gering genuttigd, en droeg niet bij tot een hogere levensduur van A. ervi. Samengevat, vertoonde A. ervi een specifieke voorkeur voor bepaalde suikers, dewelke aanzienlijk de levensduur kunnen verhogen.

          Verdergaand op de inzichten vergaard in Hoofdstuk 2, namelijk microbiële gemeenschappen kunnen de chemische samenstelling van nectar wijzigen en Hoofdstuk 4, waaruit blijkt dat parasitoïden een bepaalde suiker verkiezen en verschillende suikers de levensduur van deze insecten kunnen beïnvloeden, werd er in Hoofdstuk 5 onderzocht of de aanwezigheid van micro-organismen in nectar een duidelijke invloed zou kunnen hebben op de levensduur van parasitoïden. Hiervoor werd zowel de impact van drie individuele micro-organismen (bacteriën voorkomend  in nectar, namelijk Asaia sp., Lactococcus sp. en Rosenbergiella sp.) op de chemische nectarsamenstelling bestudeerd, alsook de veranderingen in nectarconsumptie en overleving van A. ervi als gevolg van deze microbieel-gemedieerde wijzigingen (Hoofdstuk 5) bestudeerd. Zoals verwacht, waren de bacteriën in staat om de chemische nectarsamenstelling significant te beïnvloeden, door het veranderen van de zuurtegraad, suiker- en aminozuursamenstelling en -concentratie en door toevoeging van microbiële aangemaakte verbindingen. Hoewel de veranderingen die de toegevoegde bacteriën teweeg brachten in nectar geen invloed hebben op het nuttigen van de hoeveelheid nectar door A. ervi, werd er wel een aanzienlijke invloed op de levensduur bevonden. Afhankelijk van de bacteriële soort, werd een positief (Lactococcus sp.) of negatief (Asaia sp.) effect op de overleving van de insecten vastgesteld. Bovenstaande resultaten bevestigen dat micro-organismen een sterk effect kunnen hebben op de chemische nectarsamenstelling, maar benadrukken ook dat het effect van deze veranderingen op bijvoorbeeld de levensduur soortafhankelijk is.

Samenvattend heeft deze doctorale studie duidelijk bewijs geleverd dat nectar frequent micro-organismen bevat, vaak gisten en bacteriën, die de chemische nectarsamenstelling kunnen veranderen, en daardoor ook de nutritionele geschiktheid voor insecten, wat zich onder meer uit in een duidelijke invloed op hun levensduur. Op basis van deze resultaten kan er verder worden nagedacht over het potentieel om micro-organismen in te zetten ter verbetering van biologische controleprogramma’s (Hoofdstuk 6), in het bijzonder wanneer suikerrijke voeding wordt aangereikt om volwassen parasitoïden van voedsel te voorzien. Echter, om micro-organismen efficiënt te kunnen inzetten in biologische bestrijding, is verder onderzoek naar bijvoorbeeld inoculatie van bloemen met gunstige bacteriën en/of gisten, microbiële productie van aantrekkelijke geuren, effect van de micro-organismen op zichzelf op het dieet en/of de symbiose met natuurlijke vijanden nodig.