Interactions between the cereal aphid pests Sitobion avenae and Rhopalosiphum padi and their fungal natural enemies

Abstract

In agronomy, efficient plant protection strategies are required to reduce pest pressure and increase crop yield. Pesticide application has been the dominant method for plant protection for almost a century. However, the over-reliance on pesticides has several detrimental consequences. Therefore, alternative plant protection strategies have been developed and promoted to reduce pesticide use. An overall approach to using alternative strategies is Integrated Pest Management (IPM), defined as a sustainable approach to manage pests by combining eight principles (according to the EU regulation that Norway implemented in 2015) in a way that minimizes economic, environmental and health risks. These include the use of natural enemies and the manipulation of their trophic interactions with pests in order to protect the crop yield (i.e. biological control). In Europe, two main aphid species cause damage in cereals such as winter wheat: the English grain aphid Sitobion avenae and the bird cherry-oat aphid Rhopalosiphum padi. Both species have many natural enemies, among which are entomopathogenic fungi in the sub-phylum Entomophthoromycotina. In this fungal group, the most interesting species for biological control of aphids are Pandora neoaphidis and Entomophthora planchoniana. As for any host-pathogen interactions, three important groups of factors are important potential drivers for an epidemic development: host population, pathogen population and environment. Together they are called the disease triangle. The aim of this PhD thesis was to identify important drivers of the disease triangle influencing (1) the success of fungal infection of aphids in cereals and (2) the capacity of the fungus to spread in these aphid populations. In this thesis I first reviewed, the factors driving the aphid host susceptibility or resistance to fungal pathogens by considering the model system composed of S. avenae, R. padi and P. neoaphidis, E. planchoniana. Aphid behaviour and ecological niche preferences, host origin of the fungal isolate (from which host species has it been collected), aphid morph and presence of endosymbiotic bacteria are among the principal potential factors influencing the success of the fungal infection. Finally, I hypothesize that these aphid pathogenic fungi follow their host during their entire life cycle and therefore follow their spatial distribution. I tested this hypothesis in a study on R. padi. Rhopalosiphum padi overwinter on the bird cherry tree Prunus padus, where it lays overwintering eggs. Fungus-killed cadavers, filled with overwintering structures, were found in the same microhabitat as R. padi eggs. Zoophthora sp. overwintered as resting spores, while E. planchoniana overwintered as modified hyphal bodies. There was a significant negative correlation between number of overwintering eggs and cadavers per branch. Number of both eggs and cadavers varied greatly between years and geographical locations. I discussed the potential role of P. padus as a reservoir for fungi infecting aphids in cereals. In a laboratory study, I studied the potential cross-infection of three P. neoaphidis isolates (from one S. avenae population in Norway) between S. avenae and R. padi. Moreover, the effect of the fungal isolates on aphid mortality and fecundity at three different temperatures relevant for Norwegian conditions were studied. Our results showed that cross-infection is possible but potentially asymmetric. In effect, P. neoaphidis kills more S. avenae than R. padi and also kills S. avenae faster. A significant variability was found between the three fungal isolates in virulence and sub-lethal effect on aphid fecundity. The higher the temperature, the higher the mortality of fungal infected aphids. However, temperature did not consistently affect the time needed to kill the host or the effect on fecundity. Our findings are important for understanding and modelling P. neoaphidis epizootiology in aphid pests of cereals. Finally, a modelling approach was used to investigate the epizootiology of P. neoaphidis infecting S. avenae on winter wheat. A mechanistic tri-trophic model was built that includes a high aphid population in order to overcome any potential host density threshold. Twelve parameters related to the fungus' biology and climatic conditions were allowed to vary in order to identify those most important for aphid and fungus populations and potential biological control. Three parameters were identified as crucial: (1) fungus transmission efficiency, (2) humidity threshold level that triggers fungal sporulation and (3) the weather (temperature and humidity). The longevity of fungus-killed cadavers (how long they may represent an inoculation source) was very important for the fungus population dynamic in this model. Interestingly, the proportion of infected aphids colonising the wheat field was the most important parameter to reduce the yield loss due to the biological control.

For å redusere skader på planter og for å øke avlingene i landbruket trenger vi effektive plantevernstrategier. Bruk av kjemiske plantevernmidler har vært den plantevernmetoden som har vært mest brukt i nesten ett århundre. Den avhengigheten av kjemiske plantevernmidler har hatt flere uheldige effekter. Alternative plantevernstrategier er derfor blitt utviklet og det oppfordres også til å bruke disse. Integrert plantevern (IPV) som nå brukes i mange land og defineres som en bærekraftig strategi for å håndtere planteskadegjørere ved å følge åtte prinsipper (ifølge EU regelverket som Norge implementerte i 2018) på en måte som reduserer risiko for økonomi, miljø og helse. Disse åtte prinsippene inkluderer blant annet bruken av naturlige fiender og manipuleringen av deres trofiske samspill med skadegjørere for å beskytte plantene (biologisk kontroll). De to viktigste bladlusartene som opptrer som skadedyr på høsthvete og andre kornarter i Europa er kornbladlusa, Sitobion avenae, og havrebladlusa, Rhopalosiphum padi. Begge artene har mange naturlige fiender og blant disse hører insektpatogene sopp i underrekke Entomophthoromycotina. I denne gruppen er Pandora neoaphidis og Entomophthora planchoniana blant de mest lovede artene for biologisk kontroll. For alle vert-patogensamspill er det tre hovedgrupper av faktorer som er viktige drivere for en epidemisk utvikling: vertpopulasjonen, patogen populasjonen og miljøet. Dette kalles sykdomstriangelet. Målet med denne PhD oppgaven var å identifisere viktige drivere i sykdomstriangelet og som påvirker (1) hvor vellykket disse insektpatogene soppene kan infisere bladlus i korn og (2) soppens evne til å spre seg i bladluspopulasjonene. I denne oppgaven gjennomgår jeg først hvilke faktorer som er drivere for bladlusenes (S. avenae og R. padi) og mottakelighet for eller resistens mot de insektpatogene soppene (P. neoaphidis og E. planchoniana). Følgende faktorer ser ut til å være de viktigste for en vellykket soppinfeksjon av bladlusene: Blaldusartenes adferd og valg av økologisk nisje, bladlusas morf, bladlusarten soppisolatet er isolert fra og om endosymbiotiske bakterier er tilstede i bladlusa. Videre setter jeg opp en hypotese om at disse bladluspatogene soppene følger sine verter gjennom hele deres livssyklus og derfor også følger bladlusenes romlige utbredelse. Den hypotesen tester jeg i en studie av havrebladlus (R. padi). Havrebladlusa overvintrer som egg på hegg (Prunus padus). I studiet fant vi soppdrepte bladlus med overvintrende soppstrukturer i det samme mikrohabitatet som vi fant egg av havrebladlus. Nyttesopp tilhørende Zoophthora sp. overvintret som hvilesporer mens soppen Entomophthora planchoniana overvintret som modifiserte hyfelegemer. Det var ingen signifikant negativ sammenheng mellom antall overvintrende havrebladlusegg og soppdrepte havrebladlus per heggkvist. Antall havrebladlusegg og soppdrepte havrebladlus varierte betydelig mellom år og geografisk lokalitet. Jeg diskuterer den potensielle rollen hegg kan ha som reservoar for sopp som dreper bladlus i korn. I et laboratorieforsøk studerer jeg mulig smitte av tre P. neoaphidis isolater (fra en og samme kornbladlus populasjon i Norge) mellom kornbladlus og havrebladlus. Videre studerer jeg effekten av disse soppisolatene på bladlusenes dødelighet og fertilitet ved tre ulike temperaturer som er relevant for norske forhold. Våre resultater viser at smitte fra en bladlusart til en annen er mulig men at den antagelig er asymmetrisk. Dette vil si at P. neoaphidis fra kornbladlus dreper flere kornbladlus enn havrebladlus og at den også dreper kornbladlusa raskere. Det ble funnet en signifikant variasjon i virulens og sub-letal effekt knyttet til bladlusas fertilitet mellom de tre soppisolatene. Videre fant vi at høyere temperaturer ga høyere dødelighet hos soppinfiserte bladlus men vi fant ingen konsistent effekt av temperatur på tid brukt til å drepe bladlusa eller effekt på fertilitet. Disse resultatene er viktige for å kunne forstå og modellere den epidemiologiske utviklingen av P. neoaphidis i ulike bladlusarter i korn. Til slutt i denne PhD oppgaven har jeg brukt modellering for å undersøke epizootiologien til P. neoaphidis som smitter kornbladlus i høsthvete. En mekanistisk tre-trofisk modell ble bygget og denne inkluderer en høy kornbladluspopulasjon for å sørge for at den ligger over en potensiell terskelverdi for vertstetthet. Elleve parameter var knyttet opp mot nyttesoppens biologi og til klimatiske faktorer og disse fikk variere på en slik måte at vi kunne identifisere hvilke som kunne være viktigst for en god epidemisk utvikling av nyttesoppen i bladluspopulasjonen og hvilke som dermed muliggjorde biologisk kontroll. Tre parameters ble identifisert som vesentlige: (1) soppens spredningsevne (2) terskelverdi for fuktighet som skal til for at soppen skal sporulere og (3) værforhold (temperatur og fuktighet). “Levetid” for soppdrepte bladlus (hvor lenge de kan fungere som smittekilde) var veldig viktig for den epidemiske utviklingen av soppen i denne modellen. Andel soppinfiserte bladlus som koloniserte høsthvete var det parameteret som i størst grad førte til mindre avlingstap som følge av økt biologisk kontroll.