Effects of timing and herbivory on a grass-endophyte association and its trophic interactions

• Main Author: Fuchs, Benjamin Felix
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2017
• Subjects: ddc:577
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/14146; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-141465; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-141465; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/14146/fuchs_benjamin_endophyte.pdf

I.) Plant associated microorganisms can affect the plant`s interaction with herbivores and higher trophic levels. For instance, endophytic fungi infecting aerial plant parts of grass species produce bioactive alkaloids that can negatively affect species from higher trophic levels, indicating a defensive mutualism between the grass and the endophyte. However, beneficial insects can also be negatively affected by the endophyte, which might question the mutualistic effect of endophytic fungi. On the other hand, grass-endophytes are affected by environmental conditions and species interactions. Grazing can increase endophyte frequencies in natural habitats. Furthermore, endophyte mediated effects on herbivores are most pronounced during warm summers following rainy springs. In this study, we investigated whether endophyte derived alkaloids cascade up a food chain (chapter II) and whether their concentrations depend on plant age and season (chapter III). Further we analysed, whether altered herbivore phenology affects the endophytic fungus (chapter IV) and whether endophyte derived alkaloid production is induced by different herbivore species (chapter V). II.) In our first experimental study we analysed whether grass-endophyte derived alkaloids decreased the performance of two ladybird species feeding on aphids exclusively reared on endophyte infected grass (6 weeks young grass). Further, we screened species from three trophic levels (grass, herbivores and aphid predators) for their alkaloid content using two year old infected grass as diet for herbivores. We established an UPLC-MS method to detect and quantify the amount of the endophyte derived alkaloids peramine and lolitrem B extracted from the organic plant and insect material. Performance parameters of ladybirds revealed little differences between ladybirds fed on aphids reared on endophyte infected and non-infected grass, which probably resulted from low alkaloid concentrations in the young (6-weeks old) endophyte infected grass used in this part of the study. Alkaloid quantification of the two year old endophyte infected grass, herbivores and aphid predators revealed similar concentrations between grass and aphids, while aphid predators contained approximately half of that amount which still exceeded the bioactive threshold. We conclude that alkaloids produced by grass-endophytes cascade up the food chain and are responsible for fitness disadvantages of higher trophic levels. III.) In the second study we investigated the impact of plant age and seasonal timing on grass-endophyte growth and alkaloid production. Plants were sown in April of 2013 and sampled monthly over 30 consecutive months. Endophyte growth was quantified with real-time PCR (qPCR) and alkaloid concentrations with UPLC-MS. We showed that alkaloid concentrations and fungal growth followed a seasonal rhythmicity and that alkaloid concentrations increased with plant age. Alkaloid concentrations peak during summer, when also herbivore abundances are high. Consequently, we conclude that plant age and season contribute to the toxicity of endophytes on grass herbivores IV.) In the third study we simulated earlier spring arrival of aphids by enhancing aphid abundance on endophyte infected and endophyte-free grass in spring and analysed responses across three trophic levels. Enhanced aphid abundance in spring caused higher aphid abundances during the study period. Predators stayed unaffected by increased herbivore abundances; however they did level aphid numbers within two weeks after arrival on the plants, independent of aphid abundance. Grass-endophyte showed a time delayed growth, two weeks after aphid abundance peak and after predators already controlled aphid infestations on the plants. We conclude that phenology shifts of herbivorous insects can affect multi-trophic interactions leading to desynchronizations between phenologies of interacting species and mismatches in food-webs. V.) In the fourth study we analysed whether herbivores induce endophyte growth and alkaloid production and whether different types of herbivores induce specific alkaloid production. We applied three different herbivore treatments on endophyte infected grass over 18 weeks. Locust herbivory increased the insect deterring alkaloid peramine and clipping of plants (simulation of grazing livestock) increased the vertebrate toxic alkaloid lolitrem B. Aphid herbivory did not affect endophyte derived alkaloid concentrations. Endophyte responses to herbivory were species specific which indicates a primarily plant protecting role of alkaloid synthesis in endophyte infected plants and a close chemical crosstalk between interacting species. VI.) In summary, we showed that endophyte derived alkaloids affect higher trophic levels and that alkaloid concentrations in the plant depend on prevalent herbivore species, plant age and seasonal timing. Our results indicate a close chemical crosstalk between the host plant and the endophytic fungus which is susceptible to environmental changes altering the endophyte`s alkaloid production in plants. We gained insights into the grass-endophyte symbiosis in ecological contexts and conclude that several factors determine the herbivore toxic potential of endophytic fungi and thereby their plant mutualistic or parasitic character. Future studies should investigate the mechanisms behind the herbivore induced alkaloid concentration increase, shown in this thesis, especially whether plant signals mediate the endophyte response. Furthermore it would be interesting to study the induction of indirect endophyte mediated defence and how it affects multi-trophic level interactions. === I.) Mit Pflanzen assoziierte Mikroorganismen können die Interaktionen von Pflanzen mit Herbivoren und höheren trophischen Ebenen beeinflussen. Endophytische Pilze, die oberirdische Pflanzenteile von Gräsern infizieren, produzieren bioaktive Alkaloide, die negative Effekte auf pflanzenfressende Organismen haben können. Blattlaus parasitierende und räuberische Insekten hatten ebenso Fitnessnachteile, wenn sie mit Blattläusen gefüttert wurden, die auf Epichloë festucae var. lolii infiziertem Lolium perenne gezüchtet wurden. Umwelteinflüsse und Interaktionen zu anderen Arten beeinträchtigen das Wachstum und die Alkaloid Produktion von Endophyten. Die Häufigkeit von Endophyten in natürlichen Habitaten können von Herbivorie beeinflusst werden. Weiterhin sind Endophyten verursachte Effekte auf Pflanzenfresser am häufigsten in warmen Sommermonaten nach regenreichen Frühlingsmonaten. In dieser Studie analysieren wir, ob Endophyten produzierte Alkaloide in einer Nahrungskette aufsteigen und in höheren trophischen Ebenen gefunden werden (Kapitel II) und ob ihre Konzentrationen von Pflanzenalter und Saison abhängig sind (Kapitel III). Weiterhin analysieren wir, ob veränderte Phänologie von herbivoren Insekten den endophytischen Pilz beeinflussen (Kapitel IV) und ob Alkaloid Produktion von verschiedenen Pflanzenfressern induziert wird (Kapitel V). II.) In der ersten Studie analysierten wir, ob Alkaloide, die von Gras Endophyten produziert werden, die Fitness von zwei Marienkäfer Arten verringern, wenn sie mit Blattläusen gefüttert werden, die ausschließlich auf Endophyten infiziertem Gras (6 Wochen alt) gezüchtet wurden. Weiterhin analysierten wir Arten aus drei trophischen Ebenen (Gras, Herbivore, Blattlaus Prädatoren) auf ihren Alkaloid Gehalt mit zwei Jahre altem Endophyten infizierten Gras als Futter für pflanzenfressende Insekten. Wir etablierten eine UPLC-MS Methode, um die Endophyten produzierten Alkaloide Peramin und Lolitrem B zu detektieren und zu quantifizieren, nach der Extraktion aus organischem Material von Pflanzen und Insekten. Fitness von Marienkäfern zeigte nur geringe Unterschiede zwischen Marienkäfern, denen Blattläuse gefüttert wurden, die ausschließlich auf Endophyten infizierten Grass oder nicht infiziertem Grass gezüchtet wurden. Die Ursache dafür, ist wahrscheinlich eine zu geringe Alkaloid Konzentration in dem jungen, Endophyten-infizierten Grass (6 Wochen alt), das für diesen Teil der Studie verwendet wurde. Die Quantifizierung der Alkaloide von zwei Jahre altem Endophyten infiziertem Gras, Herbivoren und Prädatoren zeigte ähnliche Konzentrationen zwischen Gras und Blattläusen, wohingegen Prädatoren etwa eine halb so hohe Alkaloid Konzentration enthielten, die aber dennoch den Grenzwert für biologische Wirksamkeit überschritt. Wir folgern, dass Endophyten produzierte Alkaloide innerhalb der Nahrungskette weitergegeben werden und somit verantwortlich für Nachteile auf die Fitness höherer trophischer Ebenen sind. III.) In der zweiten Studie untersuchten wir den Einfluss von Pflanzenalter und Saison auf Wachstum des Endophyten und dessen Alkaloid Produktion. Pflanzen wurden im April 2013 gesät und über einen Zeitraum von 30 Monaten monatlich beprobt. Endophyten Wachstum wurde mittels real-time PCR (qPCR) und Alkaloide mittels UPLC-MS quantifiziert. Wir zeigten, dass Pilzwachstum und Alkaloid Produktion einer saisonalen Rhythmik folgen und Alkaloid Konzentrationen zudem mit dem Pflanzenalter ansteigen. Demzufolge tragen Pflanzenalter und Saison zur Toxizität von endophytischen Pilzen bei. Alkaloid Konzentrationen sind am höchsten im Sommer, wenn auch die Abundanzen von Herbivoren besonders hoch sind. IV.) In der dritten Studie simulierten wir frühzeitiges Blattlausvorkommen, indem wir Blattlausabundanzen auf Endophyten freien und infizierten Graspflanzen im Frühling erhöhten und die Reaktionen auf drei trophischen Ebenen analysierten. Top-Down Kontrolle durch Blattlausprädatoren wurde nicht von erhöhten Blattlausabundanzen beeinflusst, aber innerhalb von zwei Wochen nach ihrem Erscheinen, reduzierten Prädatoren die Anzahl an Blattläusen erheblich, unabhängig von den Blattlausabundanzen. Bottom-Up Kontrolle durch erhöhtes Wachstum der Grasendophyten war zeitlich verzögert, zwei Wochen nachdem Blattlausabundanzen ihre Maxima erreichten und bereits durch Prädatoren stark dezimiert waren. Daraus schlussfolgern wir, dass Phänologieverschiebungen von pflanzenfressenden Insekten multi-trophische Interaktionen beeinflussen und zu einer Desynchronisierung der Phänologien von interagierenden Arten und somit unausgeglichenen Beziehungen in Nahrungsnetzen führen können. V.) In der vierten Studie analysierten wir, ob Herbivore Insekten das Wachstum und die Alkaloid Produktion von endophytischen Pilzen induzieren und ob verschiedene Arten von Herbivorie die Produktion spezifischer Alkaloide induzieren. Wir applizierten drei verschieden Arten von Pflanzenfraß Treatments an Endophyten infiziertem Grass über einen Zeitraum von 18 Wochen und fanden heraus, dass Heuschrecken eine Erhöhung der Konzentration des insektenwirksamen Alkaloids induzieren und Schnitt der Pflanze (Simulierung von Weidevieh) eine Erhöhung des Vertebraten toxischen Alkaloids Lolitrem B. Herbivorie durch Blattläuse hatte keinen Einfluss auf Konzentrationen von Endophyten produzierten Alkaloiden. Reaktionen von endophytischen Pilzen auf Herbivorie sind demnach artspezifisch, was darauf hinweist, dass Alkaloide vorrangig zu Pflanzenschutz Zwecken gegen Fraßfeinde produziert werden. VI.) Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass die von endophytischen Pilzen produzierten Alkaloide, Organismen höherer trophischer Ebenen beeinflussen können und dass Alkaloid Konzentrationen im Wirtsgras von Herbivorietyp, Pflanzenalter und saisonbedingten Umwelteinflüssen abhängig sind. Schlussendlich deuten unsere Ergebnisse auf eine enge chemische Verständigung zwischen Wirtsgras und endophytischem Pilz hin, empfindlich gegenüber Umweltveränderungen, die folglich eine Veränderung in der Konzentration von Endophyten produzierten Alkaloiden auslösen. Zukünftige Studien sollten die Mechanismen hinter induziertem Anstieg von Alkaloid Konzentrationen analysieren, speziell, ob Pflanzensignale die Reaktion des Endophyten auf Herbivorie vermitteln. Weiterhin könnte eine Endophyten-vermittelte Induktion von indirekter Pflanzenabwehr zur Interaktion zwischen mehreren trophischen Ebenen beitragen.