Host-plant resistance of Arabidopsis ecotypes with different glucosinolate profile for different phytophagous insect

Die Modellpflanze Arabidopsis thaliana (L.) gehört zur Familie der Brassicaceae, welche zur Herbivorenabwehr das Glucosinolat(GS)-Myrosinase-System, auch die Senfölbombe genannt, besitzt. Neben der primären Funktion der GS und korrespondierender Hydrolyseprodukte zur Abwehr von Generalisten unter den Insekten sowie Pathogenen (GIAMOUSTARIS & MITHEN, 1995, TIERENS et al., 2001), nutzen zahlreiche auf Brassicaceae spezialisierte Insekten diese Sekundärmetabolite zur Wirtspflanzenfindung und Akzeptanz (RENWICK, 2002). Mehr als 120 verschiedene GS wurden bisher beschrieben, welche sich durch die Seitenkettenreste am Aglucon (ß-Thioglucosid) unterscheiden (FAHEY et al., 2001). Hierbei werden die GS in drei Klassen unterteilt: 1) in A. thaliana zumeist aus Methionin gebildete aliphatische GS, 2) von Tryptophan abgeleitete Indolyl-GS und 3) von Phenylalanin abstammende aromatische GS. Die Indolyl-GS sind uniform verbreitet in der Brassicaceae-Familie und normalerweise in allen A. thaliana-Ökotypen vorhanden, wobei gezeigt wurde, dass diese stark durch Umweltfaktoren beeinflusst werden (KLIEBENSTEIN et al., 2001, RAYBOLD & MOYES, 2001). Im Gegensatz hierzu ist die aliphatische S-Zusammensetzung in A. thaliana-Ökotypen und Brassica sehr variabel, und die Seitenkettenmodifizierung ist stark genetisch determiniert (KLIEBENSTEIN et al., 2001, LI & QUIROS, 2002). Bisher wurde der Funktion aliphatischer GS-Diversität in Bezug auf ihre mögliche Bedeutung für die Resistenz gegenüber Insekten nicht ausreichende Aufmerksamkeit geschenkt. Deshalb überprüften wir, ob sich ein unterschiedlicher GS-Phäno- / Genotyp auf die Wirtspflanzeneignung für verschiedene spezialisierte phytophage Insekten auswirkt.The model plant Arabidopsis thaliana (L.) belongs to the family Brassicaceae, which is characterized by the glucosinolate(GS)-myrosinase defense system. Indolyl GS are relatively uniform distributed in A. thaliana ecotypes while aliphatic GS profiles are diverse. We used ecotypes with different aliphatic GS profile to test the function of such diversity in plant resistance against insects. Main GS detected were: methylsulfinylbutyl GS in Col-0 and AA-0, allyl GS in Cnt- 1 and Can-0 as well as 3-hydroxypropyl GS in Ka-0. Corresponding GS hydrolysis products of Col- 0 were isothiocyanates, but all other ecotypes produced nitriles (epithionitriles). Bioassays were conducted with two aphids, the generalist Myzus persicae (Sulzer) and the specialist Brevicoryne brassicae (L.), two caterpillars, the polyphagous noctuid Spodoptera exigua (Hübner) and the oligophagous pierid Pieris rapae (L.) as well as one specialist beetle Phaedon cochleariae (F.). Significant differences in insect performance on ecotypes were detected for the aphid and caterpillar species but not for P. cochleariae. Best insect performance was on AA-0, whereby this ecotype showed lowest aliphatic GS content of ecotypes. Interestingly, caterpillar performances measured as percent weight gain was different on Ka-0 and Cnt-1. P. rapae performed worse on Ka- 0 and good on Cnt-1 while S. exigua weight gain was better on Ka-0 but poor on Cnt-1. Several factors are considered in this study to explain different insect performance on ecotypes: different constitutive GS level, major aliphatic GS produced, and dominant hydrolysis products formed

Nanostructured silicas – Insecticidal effect and new developments

Die insektizide Wirkung inerter Stäube ist bereits seit Jahrhunderten bekannt, jedoch wurde der genaue Wirkmechanismus vieler Stäube erst in den letzten Jahrzehnten untersucht. Die insektizide Eigenschaft von Silikatstäuben wird auf die Physisorption von Cuticularlipiden und damit einhergehende Zerstörung der Wachsschicht der Epicuticula sowie folgende Austrocknung der Arthropoden (entsprechend den Fickschen Diffusionsgesetzen) zurückgeführt. Die insektiziden Eigenschaften und deren Wirkungsgrad werden vorrangig über die spezifischen Oberflächen bestimmt. Dabei haben große Oberflächen einen höheren Wirkungsgrad als kleine Oberflächen und lassen sich hydrophobe Materialien vielseitiger einsetzen als hydrophile. Im vorliegenden Manuskript wird auf die Verwendung von amorphen Silikaten in unterschiedlichen Formulierungen in den Bereichen Geflügelhaltung, Vorratsschutz und Gartenbau eingegangen. Dabei stehen seit neuestem nicht mehr Stäube sondern vielmehr Flüssigformulierungen im Vordergrund.Modern research on the insecticidal effects of inert dusts as a stored-grain protectant and for plant protection purposes began in the 1920’s. The main advantage of inert dusts is their low environmental thread. One group of inert dusts used for pest control is amorphous silica. Amorphous silica has been tested as a whole and is according to the International Agency for Research on Cancer not classifiable as to its carcinogenicity to humans. Silica such as diatomaceous earths can kill insects by ab/adsorbing the lipids such as waxes and triglycerides of the outer cuticle layer by direct contact. When the thin, waterproof layer is lost, the insect dries out following Ficks law of diffusion into the surrounding atmosphere. Small particles with large surfaces are more effective than larger particles and some silicas show even surface structures within the nanometer range. The present manuscript describes the current use of amorphous silica in poultry systems, for stored product protection, as well as in horticultural production systems. New formulations are liquid rather than dusts. Particles used in commercial products are nowadays hydrophobic and not hydrophilic enabling a larger range of application

Effect of glucosinolate profile modifications in Arabidopsis thaliana (L.) on the performance of different specialist Lepidoptera

Die Glucosinolate (GS) sind charakteristische sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe, vorkommend in der Gruppe der Brassicaceae und anderen Familien der Ordnung Brassicales (Halkier & Gershenzon 2006). Bisher sind mehr als 120 verschiedene GS beschrieben, welche eine gemeinsame Grundstruktur mit variablem Seitenkettenrest kennzeichnet (Fahey et al. 2001). Je nach chemischer Natur der Seitenkette werden die GS in aliphatische, aromatische und Indolyl-GS unterteilt. Alle GS-enthaltenden Pflanzen besitzen zusätzlich räumlich getrennt von den GS hydrolysierende Enzyme, so genannte Myrosinasen. Erst nach Zellbeschädigung kommen die beiden Komponenten in Kontakt zueinander und weitere biologisch aktive Verbindungen wie z. B. Isothiocyanate und Nitrile werden freigesetzt (Rask et al. 2000). Das GS-Myrosinase-System ist ein effektives Abwehrsystem insbesondere gegenüber generalistischen Insekten, Pathogenen und Bakterien, allerdings dienen vielen spezialisierten Insekten diese Stoffe zur Wirtspflanzenfindung und -akzeptanz (Renwick 2002, Halkier & Gershenzon 2006). Die Modellpflanze Arabidopsis thaliana L. enthält als Vertreter der Brassicaceae GS als Fraßabwehrstoffe. In A. thaliana als auch in Brassica ist das aliphatische GS-Muster sehr variabel, wohingegen die Indolyl-GS weit verbreitet sind (Kliebenstein 2001, Li & Quiros 2002). Allerdings fehlen Studien zur Funktion dieser GS-Klassen innerhalb der Pflanzenresistenz gegenüber Phytophagenfraß. Deshalb wurden zwei A. thaliana -Mutanten mit verändertem aliphatischen bzw. Indolyl-GS-Profil im Vergleich zu Columbia WT auf die Wirtspflanzeneignung für drei verschieden spezialisierte Lepidoptera-Arten getestet.Plants have developed diverse, complex defense mechanisms for dealing with their enemies. Members of the Brassicaceae family use the glucosinolate(GS)-myrosinase system to deal with their enemies. According to their precursor amino acid the GS are classified in aliphatic, aromatic, and indolyl GS. Indolyl GS are widely distributed in Arabidopsis thaliana (L.) ecotypes and Brassica ssp., but the presence of aliphatic GS is highly variable. The impact of certain GS classes on plant resistance to insects is not yet discovered. Therefore, we studied the host-plant suitability of A. thaliana Columbia GS mutants to different Lepidopteran species compared to the wild-type. Two specialist species, Pieris rapae L. and Pieris brassicae L. and one generalist species Spodoptera exigua (Hübner) were selected for the feeding studies. As mutants we used mam3+ with reduced aliphatic GS levels compared to Columbia wild-type and cyp79B2-cyp79B3- which is characterized by the complete loss of indolyl GS. The weight gain of the generalist S. exigua within three days was significantly higher on mutant lines of mam3+ and cyp79B2-cyp79B3- than on Columbia wild-type. In contrast, the performance of the specialist species P. rapae and P. brassicae was not different on the genotypes. The reason for different host-plant suitability of mutants for the generalist and specialist insects is discussed

Effectivity of a natural silica dust (AL06) compared to other natural and synthetic amorphous silica dusts against the granary weevil Sitophilus granarius (L.)

Sand, Lehm und Aschen zur Bekämpfung von Vorrats- und Hygieneschädlingen werden seit Jahrhunderten eingesetzt. Der zunehmende Bedarf an umweltschonenden alternativen Schädlingsbekämpfungsmitteln führte zu einer Renaissance des Einsatzes inerter Stäube, insbesondere von amorphen Diatomeenerden. Bei diesen Stäuben handelt es sich um fossile Ablagerungen der Silikatskelette von Kieselalgen (Diatomeen). Der insektizide Wirkmechanismus von Diatomeenerden (DE) besteht hauptsächlich in der Physiosorption von Cuticulalipiden und damit einhergehender Zerstörung der vor Austrocknung schützenden Wachsschicht der Cuticula (Mewis & Ulrichs, 2001a). Bei höherer relativer Luftfeuchte kommt es jedoch zu einer Sättigung der DE mit Wasser und dadurch zu einer Herabsetzung der Lipidaufnahmefähigkeit, welche die Wirksamkeit von DE bestimmt. Um DE auch bei höheren relativen Luftfeuchten einsetzen zu können, werden sie nachträglich hydrophobisiert (Faulde & al., 2006) bzw. werden direkt hydrophobe, synthetische Kieselsäuren eingesetztoder DE in Kombination mit anderen natürlichen Insektiziden verwendet (Ulrichs & Mewis, 2000; Akbar & al., 2004). Eine zusätzliche Hydrophobisierung von DE ist jedoch mit zusätzlichen Kosten verbunden. Des Weiteren sind synthetische Kieselsäuren aufgrund der geringen Partikelgrößen und der schlechten elektrostatischen Aufladbarkeit alleine schwer applizierbar. In Kooperation mit der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe wurde deshalb an der Humboldt-Universität zu Berlin nach alternativen natürlichen Substanzen gesucht, die ähnliche physiko-chemische Eigenschaften aufweisen wie Diatomeenerden. Gefunden wurde ein natürlich vorkommendes Schichtsilikat mit großer Oberfläche, welches in den folgenden Versuchen mit AL06 bezeichnet wurde. In den durchgeführten Versuchen wurden insektizide Eigenschaften von AL06 im Vergleich zu weiteren natürlichen und synthetischen Silikaten untersucht.Common natural silica based insecticides such as diatomaceous earth (DE) are only effective under low relative humidities (r.h.). At r.h. above 60 % only surface modified, hydophobe DE’s and hydrophobe synthetic silica products can be used against insect pests. Chemical modification of DE is expensive while synthetic products are often difficult to apply because they cannot easily be charged for electrostatic application and have very small particle sizes. The present study compares the insecticidal effect of new naturally occurring silica (formulation name: AL06) with unmodified DE and synthetic silica products. In experiments with the granary weevil Sitophilus granarius (L.) all materials showed an insecticidal effect at 20 °C temperature and r.h. of 65 %. The natural DE product FossilShield FS100® showed the lowest degree of efficacy followed by AL06 whereby the hydrophobic materials Advasan® and PA910® showed the best activity. Already after 6 days in forced contact experiments with a dosage of 0.5 g/m² all materials resulted in 100 % mortality but differed in potential at lower rates. In contrast when substances were mixed with wheat at a dosage of 2 g/kg 100 % mortality occurred only with Advasan®. Here the mortality rate was reduced because insects can metabolize water from food sources. AL06 seems to be an alternative silica product for pest control strategies at higher r.h. The degree of efficacy of AL06 can be increased by modification of particle size and surface modifications (e.g. hydrophobe surfaces). Further studies with different AL06 formulations are currently ongoing

Hemp Waste as a Substrate for Hermetia illucens (L.) (Diptera: Stratiomyidae) and Tenebrio molitor L. (Coleoptera: Tenebrionidae) Rearing

The article processing charge was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) – 491192747 and the Open Access Publication Fund of Humboldt-Universität zu Berlin.The proper treatment of cannabis agricultural wastes can reduce the environmental impact of its cultivation and generate valuable products. This study aimed to test the potential of cannabis agricultural wastes as a substrate for the rearing of black soldier fly larvae (BSFL) and yellow mealworms (MW). In the case of BSFL, replacing the fibre component (straw) in the substrate with the hemp waste can increase the nutritional value of the substrate and led to bigger larvae. The bigger larvae had lower P and Mg, and higher Fe and Ca. Crude protein also varied based on the size of larvae and/or the content of protein in the initial substrate, which was boosted by replacing straw with hemp material. No other cannabinoids than cannabidiolic acid (CBDA), cannabigerolic acid (CBGA), and cannabidiol (CBD) were found in significant amounts in the larvae. In the case of MW, the larvae grew less on the hemp material in comparison to wheat bran. Replacing wheat bran with the hemp material led to smaller larvae with higher Ca, Fe, K, and crude protein content, but lower Mg and P values. No cannabinoids were detected in the MW fed with the hemp material.Peer Reviewe

Physical Properties of Substrates as a Driver for Hermetia illucens (L.) (Diptera: Stratiomyidae) Larvae Growth

The growth and nutritional profile of the black soldier fly larvae (BSFL) is usually investigated and compared when the larvae feed on substrates that differ in the chemical composition as well as physical properties. This study compares BSFL growth on substrates that differ primarily in physical properties. This was achieved by using various fibres in the substrates. In the first experiment, two substrates with 20% or 14% chicken feed were mixed with three fibres (cellulose, lignocellulose, or straw). In the second experiment, the growth of BSFL was compared with a 17% chicken feed substrate that additionally contained straw with different particle sizes. We show that the substrate texture properties values did not influence the BSFL growth, but the bulk density of the fibre component did. The substrate mixed with cellulose led to higher larvae growth over time in comparison to substrates with higher bulk density fibres. BSFL grown on the substrate mixed with cellulose reached their maximum weight in 6 days instead of 7. Neither the fibres nor the nutrient level changed the crude protein content of BSFL and the values ranged between 33.5% and 38.3%, but an interaction between the fibre and nutrient level was observed. The size of straw particles in the substrates influenced the BSFL growth and led to a 26.78% difference in Ca concentration, a 12.04% difference in Mg concentration, and a 35.34% difference in P concentration. Our findings indicate that the BSFL-rearing substrates can be optimised by changing the fibre component or its particle size. This can improve the survival rate, reduce the cultivation time needed to reach the maximum weight, and alter the chemical composition of BSFL.German Ministry for Education and Research (BMBF)Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation)Open Access Publication Fund of Humboldt-Universität zu BerlinPeer Reviewe

Comparison of lycopene, ?-carotene and phenolic contents of tomato using conventional and ecological horticultural practices, and arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)

Los frutos de tomate son ricos en compuestos antioxidantes que han sido reconocidos como benéficos para la salud humana y los manejos hortícolas pueden influir la concentración de estos metabolitos secundarios. Los hongos formadores de micorrizas arbusculares (HFMA) pueden influir en la absorción de nutrientes y agua por la planta. El estudio, llevado a cabo en invernadero, examinó si tomates 'Vitella F1', cultivados orgánicamente, se diferencian en su contenido de licopeno, ?-caroteno y fenoles totales en los frutos de tomates manejados convencionalmente. Los tratamientos fueron los métodos de cultivo: convencional, orgánico, convencional+HFMA y orgánico+HFMA. Comparando los métodos de cultivo, no se encontró ninguna diferencia significativa para los parámetros nutritivos analizados; solamente tomates manejados orgánicamente tuvieron un contenido de fenoles totales un poco menor. En los dos métodos de cultivo, las plantas inoculadas con HFMA (Glomus sp.) formaron contenidos más altos de licopeno en los frutos que los sin inoculación. Los tomates manejados orgánicamente aumentaron su concentración de ?-caroteno y de los fenoles totales a consecuencia del tratamiento con HFMA. La aplicación de HFMA aumentó el peso fresco del fruto pero no el del tallo. El aumento del crecimiento y la adquisición de los nutrientes en tomate demostraron el potencial de la colonización con HFMA para incrementar la concentración de compuestos antioxidantes en el fruto. La mosca blanca (Trialeurodes vaporariorum) fue controlada exitosamente con la aplicación de la tierra diatomaceous Fossil Shield® 90 en los tratamientos orgánicos y con Applaud® en el cultivo convencional.Tomate-Solanum lycopersicu

Benzylglucosinolate Derived Isothiocyanate from Tropaeolum majus Reduces Gluconeogenic Gene and Protein Expression in Human Cells

Nasturtium (Tropaeolum majus L.) contains high concentrations of benzylglcosinolate. We found that a hydrolysis product of benzyl glucosinolate—the benzyl isothiocyanate (BITC)—modulates the intracellular localization of the transcription factor Forkhead box O 1 (FOXO1). FoxO transcription factors can antagonize insulin effects and trigger a variety of cellular processes involved in tumor suppression, longevity, development and metabolism. The current study evaluated the ability of BITC—extracted as intact glucosinolate from nasturtium and hydrolyzed with myrosinase—to modulate i) the insulin-signaling pathway, ii) the intracellular localization of FOXO1 and, iii) the expression of proteins involved in gluconeogenesis, antioxidant response and detoxification. Stably transfected human osteosarcoma cells (U-2 OS) with constitutive expression of FOXO1 protein labeled with GFP (green fluorescent protein) were used to evaluate the effect of BITC on FOXO1. Human hepatoma HepG2 cell cultures were selected to evaluate the effect on gluconeogenic, antioxidant and detoxification genes and protein expression. BITC reduced the phosphorylation of protein kinase B (AKT/PKB) and FOXO1; promoted FOXO1 translocation from cytoplasm into the nucleus antagonizing the insulin effect; was able to down-regulate the gene and protein expression of gluconeogenic enzymes; and induced the gene expression of antioxidant and detoxification enzymes. Knockdown analyses with specific siRNAs showed that the expression of gluconeogenic genes was dependent on nuclear factor (erythroid derived)-like2 (NRF2) and independent of FOXO1, AKT and NAD- dependent deacetylase sirtuin-1 (SIRT1). The current study provides evidence that BITC might have a role in type 2 diabetes T2D by reducing hepatic glucose production and increasing antioxidant resistance