Optimizing Eco-Friendly Control Strategies for Pear Psyllids: The Role of Host and Non-Host Volatiles and Visual Cues

Abstract

Die Dissertation wurde nur als Druckausgabe veröffentlicht. Birnenblattsauger, Insekten der Gattung Cacopsylla, haben sich auf den Befall von Pyrus-Arten spezialisiert. Die wichtigsten Psyllidenarten, die europäische Birnenplantage befallen, sind Cacopsylla pyricola, Cacopsylla pyri und Cacopsylla pyrisuga. Diese Arten weisen unterschiedliche Lebenszyklen auf, die zu ihren Auswirkungen auf den Birnenanbau beitragen. C. pyrisuga ist die einzige univoltine Art, die eine Generation pro Jahr hervorbringt und abwechselnd laubabwerfende und immergrüne Wirte besiedelt. Die adulten wandern im Frühjahr zur Reproduktion in die Birnenplantagen und legen ihre Eier ausschließlich auf Pyrus-Arten ab; nach der Paarung und Eiablage sterben sie. Die jungen Psylliden entwickeln sich von April bis Juni zu Adulten, wandern zu Nadelbäumen aus und kehren im folgenden Frühjahr in die Birnenplantage zurück. Im Gegensatz dazu sind C. pyricola und C. pyri multivoltine Arten mit mehreren Generationen pro Jahr und wechseln nicht unbedingt zwischen den Wirten. Sie überwintern in einer reproduktiven Diapause als winterförmige Morphotypen. Am Ende des Winters legen diese Winterformen Eier auf Birnbäumen ab, aus denen die Sommerformen entstehen, die je nach Region und Temperatur vier bis sechs Generationen pro Saison hervorbringen können. Birnenblattsauger verursachen erhebliche Schäden an Birnenkulturen, darunter auch die „pear russet“, die durch Fruchtflecken von Psyllidenhonigtau und Rußtau gekennzeichnet ist. Unreife Psylliden scheiden große Mengen Honigtau aus, was zu Flecken oder Streifen auf der Oberfläche der „Birnenfrüchte führt, was wiederum zu Ernteverluste führt. Birnenpsylliden sind auch Überträger der „Birnenverfall“, einer schweren Krankheit, die durch ein Phytoplasma verursacht wird, das das Phloem der Wirtspflanzen infiziert und zu einem starken Rückgang der Gesundheit der Birnbäume führt. Diese Krankheit ist in Nordamerika, Europa, Afrika und Asien weit verbreitet. Trotz resistenter Unterlagen tragen 20-30 % der Birnenblattsauger in Nordamerika und Europa immer noch das Phytoplasma in sich, wobei die höchsten Infektionsraten bei überwinternden Psylliden auftreten. Derzeit gibt es keine wirksamen Bekämpfungsmittel oder Heilmittel für Phytoplasma-Krankheiten, so dass die Kontrolle der Insektenvektoren von entscheidender Bedeutung ist. In dieser Dissertation wird untersucht, wie das Verhalten der Psylliden mit Hilfe von Infochemikalien und visuellen Hinweisen beeinflusst werden kann, um die Saugen und Eiablage in Birnenbäume zu reduzieren. Die Studie konzentriert sich auf die Auswirkung von in der Wirtspflanze enthaltenen flüchtigen Stoffen, Gerüchen, die nicht von der Wirtspflanze stammen, und visuellen Hinweisen auf das Verhalten von C. pyricola, C. pyrisuga und insbesondere C. pyri, da es nur begrenzte Kenntnisse über die chemische Ökologie von Birnenblattsauger gibt. In der Studie wird die Wirkung visueller Hinweise auf die Farbpräferenz von C. pyri untersucht, um spezifische Fallen in Kombination mit attraktiven Verbindungen zu entwickeln. Auswahltests mit verschiedenen LED-Wellenlängen zeigen, dass C. pyri grüne LEDs (532 nm und 549 nm) gegenüber gelben, orangen und roten LEDs bevorzugt. Feldversuche mit neu entwickelten Klebefallen, die mit transparenten PVC-Folien beschichtet sind, die den bevorzugten LED-Wellenlängen entsprechen, bestätigten, dass grüne Fallen (525 bis 537 nm) deutlich mehr Birnenpsylliden anzogen als rote oder transparente Fallen. Außerdem war die Zahl der Beifänge von Nützlingen in den grünen Fallen im Vergleich sehr gering. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Farbe bei der Anziehung von Psylliden für die Entwicklung wirksamer Fangstrategien. Darüber hinaus untersuchte die Studie flüchtige organische Verbindungen (VOC), die von Birnbäumen emittiert werden, um Signale zu identifizieren, die die Bevorzugung von Wirtspflanzen durch Birnenpylliden beeinflussen. Die Elektroantennographie hat gezeigt, dass weibliche Birnenpylliden flüchtige Substanzen von Birnbäumen wahrnehmen, was ihre olfaktorischen Präferenzen beeinflusst. Verhaltensversuche zeigten, dass die Präferenz der Psylliden auf olfaktorischen Hinweisen beruht, obwohl einzelne flüchtige Verbindungen für C. pyri nicht attraktiv waren. Stattdessen lockte eine Mischung von Verbindungen die Weibchen von C. pyri und C. pyrisuga an. Flüchtige Stoffe aus Nicht-Wirtspflanzen, wie synthetische Verbindungen und ätherische Öle, wurden als Repellentien gegen Birnenpylliden bewertet. Synthetische Verbindungen aus ätherischem Nelkenöl (Eugenol, Eugenyl-Acetat und β-Caryophyllen) wurden gegen C. pyri und C. pyricola getestet. Eine Formulierung (M6-Mischung) zeigte eine abstoßende Wirkung auf beide Arten und überdeckte den Geruch des Wirtsbaums Pyrus communis cv. Williams Christ, wodurch die Wirtsfindung von C. pyri gestört wurde. Zedernholzöl (CWO) und Zimtrindenöl (CBO) wurden ebenfalls als Repellentien getestet, wobei sich beide als wirksam erwiesen. In dieser Arbeit wird die Verwendung von elektrogesponnenen Nanofasern (NF) untersucht, die mit biokompatiblen Polymeren hergestellt und mit synthetischen Verbindungen oder ätherischen Ölen beladen sind. Diese Nanofasern fungierten in Labor- und Feldversuchen als Dispenser. NF mit einer 1 % Konzentration attraktiver flüchtiger Stoffe lockten weibliche C. pyri an, während NF mit abweisenden Verbindungen (M6-Mischung, Zedernholzöl) erfolgreich den Geruch von Birnenpflanzen maskierten und C. pyri abwehrten. Ein Feldversuch mit grün gefärbten, attraktiven Klebefallen, die mit mit M6-Verbindungen versetzten NF behandelt wurden, führte nicht zu einer Verringerung der Fänge von Psylliden. Die Fasern konnten die wichtigste Verbindung der M6-Mischung, Eugenol, einschließen, aber die Freisetzungsraten waren nach 21 Tagen deutlich reduziert, was auf die Notwendigkeit verbesserter Formulierungen hindeutet. In anschließenden Feldversuchen fingen die Fallen mit CWO NF signifikant weniger C. pyri als die Fallen mit der attraktiven Mischung. Eine Push-and-Count- Felduntersuchung, bei der mit CWO gefüllte Markierungsstifte innerhalb der Plantage und attraktive grüne Klebefallen um die Plantage herum verwendet wurden, zeigte einen signifikanten Anstieg der Fänge von Psylliden in der mit CWO behandelten Fläche im Vergleich zur Kontrollfläche, was die abweisende Wirkung von CWO in der Praxis belegt. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse sind für die Entwicklung innovativer und selektiver Bekämpfungsstrategien gegen C. pyri auf der Grundlage semiochemischer Stoffe, wie Push-Pull- und Lock-and-Kill-Strategien, von wesentlicher Bedeutung. Obwohl weitere Felduntersuchungen erforderlich sind, um ihre Wirksamkeit zu bewerten und zu verbessern, sollten die Ergebnisse dieser Arbeit in weiteren Studien berücksichtigt werden. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass diese aromatischen Verbindungen, ob sie nun in Nanoformulierungen und Markierungsstiften abstoßend oder anziehend wirken, sowie die Verwendung spezifischer Farbwellenlängen zur Verbesserung des Fangs von Psylliden ein großes Potenzial als umweltverträgliche Alternative zu den derzeit angewandten Methoden zur Bekämpfung der Vektoren des Birnensverfalls bieten.This dissertation was only published as a printed edition. Pear psyllids, insects of the genus Cacopsylla, specialize in feeding on Pyrus tree species. The primary pear psyllid species affecting European pear orchards are Cacopsylla pyricola, Cacopsylla pyri, and Cacopsylla pyrisuga. These species exhibit varied life cycles that contribute to their impact on pear cultivation. C. pyrisuga is the only univoltine species, producing one generation per year, and alternates between deciduous and evergreen hosts. Adults migrate to pear orchards in spring to reproduce, laying eggs exclusively on Pyrus species, then die after mating and oviposition. Young psyllids develop into adults from April through June, emigrate to conifers, and return to pear orchards the following spring. Conversely, C. pyricola and C. pyri are multivoltine species with multiple generations per year and does not necessarily alternate between hosts. They overwinter in a reproductive diapause as winterform morphotypes. At the end of winter, these winterforms lay eggs on pear trees, giving rise to summerforms, which can have four to six generations per season depending on the region and temperature. Pear psyllids cause significant damage to pear crops, including "pear russet" characterized by fruit markings from psyllid honeydew and sooty mold. Immature psyllids excrete large quantities of honeydew, leading to blotches or streaks on the pear fruit surface, resulting in downgraded harvests. Pear psyllids also vector "pear decline," a serious disease caused by a phytoplasma that infects the phloem of host plants, leading to severe declines in pear tree health. This disease is prevalent in North America, Europe, Africa, and Asia. Despite resistant rootstocks, 20-30% of pear psyllids in North America and Europe still carry the phytoplasma, with the highest infection rates in overwintered psyllids. Currently, no effective control agents or cures exist for phytoplasma diseases, making the control of insect vectors crucial. This thesis explores manipulating psyllid behavior with infochemicals and visual cues to reduce feeding and oviposition in pear orchards. The study focuses on the impact of host plant-borne volatiles, non-host odors, and visual cues on the behavior of C. pyricola, C. pyrisuga, and particularly C. pyri, as there is limited knowledge about the chemical ecology of pear psyllids. The study investigates the effect of visual cues on C. pyri\u27s color preference to develop specific traps combined with attractive compounds. Choice assays with different LED wavelengths show that C. pyri prefers green LEDs (532 nm and 549 nm) over yellow, orange, and red LEDs. Field trials with newly developed sticky traps coated in transparent-colored PVC sheets matching the preferred LED wavelengths confirmed that green traps (525 to 537 nm) attracted significantly more pear psyllids than red or transparent traps. Besides, the number of bycatches of beneficial insects in the green traps was very low compared. These results highlight the importance of color in psyllid attraction for developing effective trapping strategies. Additionally, the study examines volatile organic compounds (VOCs) emitted by pear trees to identify signals influencing pear psyllid host plant preference. Electroantennography showed that female pear psyllids detect pear tree volatiles, influencing their olfactory-based preferences. Behavioral trials revealed that psyllid preference is based on olfactory cues, though individual volatile compounds were not attractive to C. pyri. Instead, a blend of compounds attracted C. pyri and C. pyrisuga females. Volatiles from non-host plants, such as synthetic compounds and essential oils, were evaluated as repellents against pear psyllids. Synthetic compounds from clove essential oil (eugenol, eugenyl acetate, and β-caryophyllene) were tested against C. pyri and C. pyricola. The mixture of all the essential oil compounds showed a repellent effect on both species and masked the odor of the host Pyrus communis cv. Williams Christ, disrupting the host-finding ability of C. pyri. Cedarwood oil (CWO) and cinnamon bark oil (CBO) were also tested as repellents, with both showing effectiveness. The thesis explores the use of electrospun nanofibers (NF) produced with biocompatible polymers and loaded with synthetic compounds or essential oils. These nanofibers functioned as dispensers in laboratory and field tests. NF with a 1% concentration of attractive volatiles was effective in attracting female C. pyri, while NF with repellent compounds (M6 mixture, cedarwood oil) successfully masked pear plant odors and repelled C. pyri. A field trial with green-colored attractive sticky traps treated with NF loaded with M6 compounds did not reduce psyllid captures. The fibers could entrap the major compound of the M6 mixture, eugenol, but the release rates were significantly reduced after 21 days, indicating the need for refined formulations. In subsequent field trials, traps with CWO NF captured significantly fewer C. pyri compared to those with the attractive mixture. A push-and-count field study using marking pens filled with CWO within the plantation and attractive green sticky traps around the plantation showed a significant increase in psyllid captures in the CWO-treated area compared to the control area, demonstrating the repellent effect of CWO in practical settings. The knowledge obtained in this thesis is essential for developing innovative and selective control strategies against C. pyri based on semiochemicals, such as push-pull and attract-and-kill strategies. Although further field evaluation is needed to assess and improve their effectiveness, additional studies should consider the findings of this work. The results presented here show that these aromatic compounds, whether repellent or attractive in nanoformulations and marking pen dispensers, as well as the use of specific color wavelengths to improve psyllid trapping, offer great potential as an environmentally sustainable alternative to currently applied methods for managing pear decline vectors