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Adaptations of pyrophilous insects to burnt habitats: Odor signals, infrared receptors and behavior

dc.contributor.advisorMai, Carsten Prof. Dr.
dc.contributor.authorHoang, Thi Phuong
dc.date.accessioned2020-06-12T11:06:59Z
dc.date.available2020-06-12T11:06:59Z
dc.date.issued2020-06-12
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0005-13D8-2
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-8036
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc634de
dc.titleAdaptations of pyrophilous insects to burnt habitats: Odor signals, infrared receptors and behaviorde
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereeMai, Carsten Prof. Dr.
dc.date.examination2019-10-22
dc.description.abstractgerFeuerliebende Insekten besiedeln frisch niedergebrannte Lebensräume zur Nahrungsaufnahme, Fortpflanzung und Eiablage. Bei der Suche nach Brandflächen hilft ihnen ihre Fähigkeit, feuerspezifische, flüchtige organische Verbindungen (VOCs) wahrzunehmen. Manche Arten besitzen Infrarotrezeptoren, um Feuer und heiße Oberflächen aufzuspüren. Das Ziel dieser Dissertation ist es, das Vorkommen von pyrophilen Insekten in kürzlich niedergebrannten Naturflächen in Vietnam zu untersuchen und Duftstoffe zu identifizieren, die ihnen helfen, diese zu finden. Die Arbeit umfasst eine morphologische und chemoökologische Studie, mit der die Bedeutung von Infrarotrezeptoren, Infrarotstrahlung und flüchtigen organischen Signalen und sowie des Verhaltens pyrophiler Insekten untersucht werden soll. Hieraus ergeben sich drei grundlegende Forschungsziele: 1) Identifikation von feuerspezifischen VOCs, die von verschiedenen vietnamesischen Pflanzenarten emittiert werden und geeignete chemische Reize für feuerliebende Insekten darstellen. 2) Untersuchung der Verhaltensreaktion von feuerliebenden Insekten auf Stimuli von VOCs und Hitze (Infrarotstrahlung). 3) Untersuchung der sensorischen Adaption der feuerliebenden Rindenwanze Aradus candidatus an kürzlich niederbrannte Lebensräume. Die feuerspezifischen VOCs wurden mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) analysiert. Anschließend wurde in Feldversuchen ihre Fähigkeit untersucht, das Flugverhalten von Insekten zu beeinflussen. Mittels Elektroantennographie (EAG) wurde die Wahrnehmung von VOCs durch pyrophile Insekten getestet, während das Vorhandensein von möglichen Infrarotrezeptoren auf den Insektenkörpern durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) überprüft wurde. Aus den Ergebnissen wurden Schlussfolgerungen über die Anpassung von feuerliebenden Insekten an kürzlich niedergebrannte Habitate gezogen. Durch die im dritten Kapitel präsentierte Spurenanalyse (GC-MS) wurden 55 feuerspezifische VOCs nachgewiesen, die von vier verschiedenen vietnamesischen Pflanzenarten emittiert werden. Vier dieser VOCs wurden als Stimuli im Feld im Rahmen einer Verhaltensstudie getestet. Die getesteten Duftstoffe basieren auf dem Abbau von Zellulose (Hydroxyaceton, 5-Methylfurfural) und Lignin (Guaiacol und 4-Ethylguaiacol) und wurden für die Feldversuche in Ködern in frisch niedergebranntem sowie intaktem Kontrollhabitat in Zentralvietnam während der Trockenzeit ausgehängt (2014 und 2015). Dreizehn Insektenarten in der Ordnung Coleoptera kamen ausschließlich in abgebranntem Habitat vor. Acht Arten wurden zudem auf glimmenden Holzresten im gleichen Habitat nachgewiesen. Die Biodiversität von Pflanzenarten scheint in Verbindung mit der Chemodiversität von feuerinduzierten VOCs zu stehen, was auf eine Korrelation zwischen Pflanzendiversität und der Vielfalt von feuerliebenden Insekten schließen lässt. In Kapitel 4 wird die Anziehung von pyrophilen Insekten zu volatilen und Infrarotstimuli untersucht. In den mit Infrarotstrahlung und feuerspezifischen VOCs bestückten Köderfallen wurden insgesamt 36 Insektenarten erfasst. Diese Köderfallen waren signifikant attraktiver für feuerliebende Insekten als die nicht bestückten Kontrollfallen. Eine Insektenart (Coleoptera, Phalacridae, Litrochus sp. 1) wurde sowohl in den Köderfallen als auch in den Kontrollfallen auf verbranntem Gebiet gefangen. Pilzfressende Insekten wurden signifikant häufiger in den Infrarotfallen gefangen, während VOCs-Fallen signifikant attraktiver für fleischfressende Insekten waren. Alle Fallen waren attraktiv für herbivore Insekten. Acht Insektenarten wurden in mehr als einem Fallentyp gefangen. Von diesen kam nur eine Insektenart in allen Fallen vor. Zwei Arten aus der Familie Cleridae (Coleoptera) zeigten unterschiedliche Fallenpräferenzen: während Anthicoclerus sp. 1 ausschließlich in der Infrarotfalle mit der VOCs-Beköderung auftauchte, fand sich Anthicoclerus sp. 2 stets nur in der Infrarotfalle ohne die VOCs-Beköderung. Diese Resultate lassen auf eine komplexe Wirkungsweise der olfaktorischen und Infrarotstimuli für das Lokalisieren von Nahrungsressourcen durch verschiedene Mitglieder der feuerliebenden Insektengemeinschaft schließen. Die Untersuchung von Adaption und Verhalten von A. candidatus mittels EAG (Kapitel 5) ergab, dass Hydroxyaceton, 5-Methylfurfural, Guaiacol, 4-Methylguaiacol und 4-Ethylguaiacol bei der Art eine olfaktorische Reaktion hervorrufen. Zudem zeigt A. candidatus eine Anziehung hin zu einer Mischung aus verschiedenen feuerspezifischen VOCs. Drei weitere VOCs riefen bei den EAG-Versuchen ebenfalls eine olfaktorische Reaktion hervor: Nonanal, 3-Octanon und 2(5H)-Furanon. In den morphologischen Studien wurden Infrarotrezeptoren in der propleuralen Region von A. candidatus nachgewiesen. Diese Rezeptoren ähneln in ihrer Form denen von anderen Arten der Gattung Aradus, darunter A. albicornis, A. lugubris und A. fuscicornis. Die Ergebnisse dieses Kapitels deuten darauf hin, dass feuerliebende Insekten mit Infrarotrezeptoren ein stark pyrophiles Verhalten aufweisen. Die drei Studien zeigen, dass pyrophile Insekten feuerspezifische VOCs wahrnehmen können, was ihnen beim Lokalisieren und Anfliegen von Bränden hilft. Dennoch sind nicht alle Insekten, die einzelne feuerspezifische VOCs wahrnehmen können, zwingend pyrophil. Daher sollte die Anziehung von pyrophilen Insekten zu Bränden mit Hilfe einer Mischung aus feuerspezifischen VOCs getestet werden. Einige Arten, die sowohl von feuerspezifischen VOCs als auch von Infrarotstrahlung angezogen werden, zeigen ein deutlich pyrophiles Verhalten. Dies wird durch die Fähigkeit zur Detektion von VOCs und Infrarotstrahlung durch A. candidatus auf morphologischer als auch physiologischer Ebene bestätigt.de
dc.description.abstractengPyrophilous insects are known to invade recently burnt habitats for food, mating and oviposition. They can approach fires due to their ability to recognize fire-specific volatile organic compounds (VOCs). Moreover, some of these insects also possess infrared (IR) receptors to detect fires and hot surfaces. The aim of this thesis is to examine recently burnt habitats for the presence of pyrophilous insects and identify cues suitable for them to find burnt habitats. This includes morphological and chemo-ecological studies unravelling the significance of IR receptors, IR radiation, volatile signals and behavior. Three major questions were selected to investigate how pyrophilous insects approach fires: 1) identify fire-specific VOCs that are released by different Vietnamese plant species and are suitable cues for pyrophilous insects, 2) testing the behavioral responses of pyrophilous insects to volatile and heat (IR radiation) stimuli, and 3) identifying the sensory adaptation of the pyrophilous flat bug Aradus candidatus found to be active in recently burnt habitats. Volatile analysis (gas chromatography – mass spectrometry) was used to identify fire-specific VOCs to be subsequently tested in the field for their ability to influence insect behavior. Electroantennography (EAG) was used to examine the perception of pyrophilous insects to these VOCs. With a scanning electron microscope (SEM), pyrophilous insects were examined for presence of IR receptors. The results were used to conclude how pyrophilous insects are adapted to recently burnt habitats. The trace analysis presented in chapter 3 of this thesis resulted in the detection of 55 VOCs that were released by four different Vietnamese plant species. Four of these VOCs identified as fire-specific were further tested in a behavioral field study. They derive from cellulose (hydroxyacetone, 5-methylfurfural) and lignin (guaiacol and 4-ethylguaiacol) degradation. Traps in a freshly burnt habitat baited with a mixture of these VOCs attracted 13 insect species belonging to the order Coleoptera that were not found in control traps positioned on adjacent unburnt land. Three of these were additionally found by hand collections, where another eight species of insects were found. The biodiversity of plant species seems to be associated with the chemo-diversity of fire-induced VOCs. This might play an important role for pyrophilous insects, thus linking plant diversity to the biodiversity of pyrophilous insects. The attraction of pyrophilous insects to IR and volatile stimuli is investigated in chapter 4. A total of 26 insect species were recorded. The attraction of pyrophilous insects towards fire-specific VOCs, IR and combined stimuli was significantly higher when compared to the controls. One species (Litochrus sp. 1, Phalacridae, Coleoptera) was found in traps of all combinations. Fungivorous insects were caught significantly more often in the IR traps, whereas VOC traps attracted carnivorous insects significantly more often. All traps attracted herbivorous insects. Eight insect species were caught in more than one trap. Among them, only one species was caught in all traps. Two species belonging to the family Cleridae (Coleoptera) were caught in different traps: while Anthicoclerus sp. 1 was recorded exclusively in the IR trap also containing the VOCs mixture, Anthicoclerus sp. 2 was trapped only in the IR trap without VOCs. These results hint at a complex evaluation of IR and olfactory stimuli for resource location by different members of the pyrophilous insect community. The study on adaptation and behavior of A. candidatus in chapter 5 showed that A. candidatus elicits olfactory responses in electroantennograms (EAG) to hydroxyacetone, 5-methylfurfural, guaiacol, 4-methylguaiacol and 4-ethylguaiacol. Additionally, A. candidatus shows attraction to the traps baited with a mixture of fire-specific VOCs. Aradus candidatus also elicits a dose response to three other VOCs: Nonanal, 3-octanone and 2(5H)-furanone. In morphological studies, IR receptors were found in the propleural region of A. candidatus. These IR receptors have an outer shape similar to other species of the genus Aradus, including A. albicornis, A. lugubris and A. fuscicornis. The results of this chapter illustrate that pyrophilous insect species equipped with IR receptors show a highly pyrophilous behavior. The results from these three studies show that pyrophilous insects can detect fire-specific VOCs, which helps them to approach fires. However, not all insects that are able to perceive a single fire-specific VOC are necessarily pyrophilous. A mixture of different fire-specific VOCs is recommended for testing the attraction of pyrophilous insects to fires. By attraction to both fire-specific VOCs and IR, some insect species revealed their distinct pyrophilous behavior. This was confirmed by demonstrating VOC and IR detection in A. candidatus on a morphological and physiological level.de
dc.contributor.coRefereeSchmitz, Helmut PD Dr.
dc.contributor.thirdRefereeHolighaus, Gerrit Dr.
dc.subject.engPyrophilous Insectsde
dc.subject.engChemical ecologyde
dc.subject.engInfrared receptorsde
dc.subject.engBurnt habitatsde
dc.subject.engforest firesde
dc.subject.engburnt wood volatilesde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0005-13D8-2-8
dc.affiliation.instituteFakultät für Forstwissenschaften und Waldökologiede
dc.subject.gokfullForstwirtschaft (PPN621305413)de
dc.identifier.ppn1700545620


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