New molecular technologies to improve the Sterile Insect Technique for the Mediterranean fruitfly Ceratitis capitata (Diptera; Tephritidae)
Neue molekulargenetische Ansätze zur Verbesserung der Sterilen Insekten Technik für die Mittelmeerfruchtfliege Ceratitis capitata (Diptera: Tephritidae)
von Marc Florian Schetelig
Datum der mündl. Prüfung:2008-04-23
Erschienen:2008-05-26
Betreuer:Prof. Dr. Ernst A. Wimmer
Gutachter:Prof. Dr. Ernst A. Wimmer
Gutachter:Prof. Dr. Gregor Bucher
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
Insect pests cause enormous economic losses to livestock as well as pre- and postharvest stages of agricultural commodities. The Mediterranean fruit fly Ceratitis capitata (medfly; Wiedemann, Diptera: Tephritidae;) is one of the world's most destructive and invasive pest species, costing farmers billions of dollars annually. Insecticides have been used extensively during the last century and are still used to control C. capitata and other insect pests. However, to reduce the amount of insecticides and to increase the species-specificity of pest control, the existing tactics have to be improved. During the last decades biological approaches opened up new possibilities for insect pest management. Of these, the ecologically safe Sterile Insect Technique (SIT) developed into a powerful method for area-wide pest control. The SIT reduces the pest population by mass release of radiation-sterilized organisms, leading to infertile matings and in consequence to a decline of the pest population. Male-only releases proved to be most effective for medfly SIT programs. An SIT program for medfly includes mass-rearing, sex-separation for male-only releases, marking for monitoring, sterilization, releasing, and monitoring of male flies. Although the SIT is already successfully applied for medfly, each of these steps needs to be improved to optimize the efficiency and to reduce the costs of ongoing medfly SIT programs. Here, I present the development of several transgenic systems to improve the steps of sterilization, sex-separation, marking, and monitoring in medfly SIT programs. First, molecular methods to isolate developmental genes were successfully practiced in Tephritid fruit flies. Second, a transgenic embryonic lethality system was established and successfully evaluated in medfly to achieve reproductive sterility without the need for radiation. Third, this system has been further modified to design a female-specific embryonic lethality system, which is intended to improve sex-separation. Fourth, two sperm marking systems were established and successfully evaluated to improve the marking and monitoring of medfly. The male-specific transgenic fluorescent markers can replace the currently used problematic dust markers in monitoring and the systems will help to increase the knowledge about reproductive biology of the polyandrous medfly. Fifth, a system was designed that makes it possible to combine or modify transgenic systems at successfully evaluated genomic sites. This can be used to stabilize transgenes and further improve the generation of transgenic medfly systems for insect pest control. I anticipate that several of the transgenic systems developed in this study and combinations thereof will increase the efficiency of the environmental-friendly SIT.
Keywords: medfly; embryonic lethality; sperm marking; orthodenticle; transgenesis; sterile insect technique; <i>Ceratitis capitata</i>
Weitere Sprachen
Schadinsekten verursachen enorme
wirtschaftliche Verluste sowohl im Bereich der Viehzucht als auch
in der Agarwirtschaft. Die Mittelmeerfruchtfliege Ceratitis
capitata (Wiedemann Diptera: Tephritidae;) gehört zu den
weltweit bedeutendsten und invasivsten Schädlingen, durch die
Bauern jährlich mehrere Milliarden Dollar verlieren. Im letzten
Jahrhundert wurden in großem Umfang Insektizide zur
Schädlingsbekämpfung eingesetzt und sind auch heute noch gegen
Ceratitis und andere Schadinsekten im Einsatz. Um den
Einsatz von Insektiziden zu reduzieren und eine
spezies-spezifischere Schädlingsbekämpfung zu gewährleisten, müssen
existierende Methoden verbessert werden. In den letzten Jahrzehnten
eröffneten biologische Ansätze neue Möglichkeiten zur
Schädlingsbekämpfung. Von diesen hat sich die Sterile Insekten
Technik (SIT) zu einer der ökologisch verträglichsten und
erfolgreichsten Methoden zur flächendeckenden Populationskontrolle
entwickelt. Sie beruht auf der Reduktion einer Schädlingspopulation
durch wiederholte Massenfreisetzungen steriler Artgenossen, welche
zu unfruchtbaren Paarungen führen und somit die Reduktion der
Schädlingspopulation bewirken. Ceratitis SIT Programme sind
am effektivsten, wenn ausschließlich sterile Männchen freigesetzt
werden. Diese Programme bestehen aus Massenzucht,
Geschlechtertrennung zur ausschließlichen Männchen-Freisetzung,
Markierung zur Überwachung der Männchen nach der Freisetzung,
Sterilisation, Freisetzung und Überwachung der Männchen. Obwohl die
SIT schon heute erfolgreich zur Bekämpfung von Ceratitis
eingesetzt wird, sind Verbesserungen in allen genannten Schritten
nötig, um die Effizienz zu optimieren und damit die Kosten von
Ceratitis SIT Programmen zu reduzieren. Diese Arbeit
dokumentiert die Entwicklung von transgenen Systemen zur
Verbesserung der Sterilisierung, Geschlechtertrennung, Markierung
und Überwachung in Ceratitis SIT Programmen. Erstens wurden
molekulare Arbeitsweisen zur Isolierung von
entwicklungsspezifischen Genen in Tephritiden erfolgreich
überprüft. Zweitens wurde ein transgenes Sterilisierungssystem zur
Induktion von embryospezifischer Lethalität für Ceratitis
etabliert und erfolgreich evaluiert, das ohne die Sterilisierung
mittels Gammastrahlung auskommt. Drittens wurde dieses System
modifiziert, um eine Weibchen-spezifische Lethalität zu generieren,
welche die Geschlechtertrennung verbessern könnte. Viertens wurden
zwei Spermien-Markierungssysteme für Ceratitis etabliert und
erfolgreich evaluiert, um die Markierung und Überwachung der
freigesetzten Männchen zu verbessern. Diese transgenen,
Männchen-spezifisch fluoreszierenden Marker können die bisher
verwendeten problematischen bunten Stäube zur Markierung ersetzen
und werden das Wissen über das Fortpflanzungsverhalten der
polyandrischen Mittelmeerfruchtfliege erweitern. Fünftens wurde ein
System zur Kombination oder Modifizierung von transgenen Systemen
an erfolgreich getesteten genomischen Positionen etabliert. Mit
Hilfe dieses Systems können in Zukunft Transgene stabilisiert und
transgene Systeme zur Bekämpfung von Ceratitis verbessert
werden. Es ist davon auszugehen, dass die hier vorgestellten
transgenen Systeme oder deren Kombinationen in Zukunft die
Effizienz der umweltfreundlichen SIT verbessern werden.
Schlagwörter: <i>Ceratitis capitata</i>; konditionale Lethalität; Mittelmeerfruchtfliege; Spermienmarker; Schädlingsbekämpfung; Sterile Insekten Technik