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Ahmad, Shakeel (2013) The impact of pesticides on apple mite communities. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

Laboratory, field and semi-field experiments have been carried out on the predatory mites Kampimodromus aberrans, Amblyseius andersoni, Typhlodromus pyri and Phytoseius finitimus in order to optimize biological control strategies against phytophagous mites in apple orchards. The first experiment concerned the augmentative releases of K. aberrans in organic and conventional apple orchards. The most frequent insecticides used in organic orchards were pyrethrins and spinosad, whereas neonicotinoids, OPs and IGRs were used in conventional orchards. K. aberrans releases were successful and predatory mites were significantly higher in released than in control plots. Moreover, populations were high in organic orchards compared to conventional orchards. Amblyseius andersoni was naturally occurring in all orchards. In 2010, no effect of K. aberrans release and orchard management were observed on A. andersoni populations but in 2011 A. andersoni population densities were low in released plots compared to control plots. In organic orchards located at Spresiano releases were made on two cultivars, i.e., Florina and Golden Delicious. In both 2010 and 2011 releases, K. aberrans population densities were higher in release than in control plots of both cultivars. K. aberrans population increased during the three years on Florina but not in Golden Delicious orchard. On the latter A. andersoni population densities were lower in released than in control plots. In conventional orchards K. aberrans did not establish probably because of a series of non-selective insecticide and fungicide treatments. However, the use of spinosad was associated to a decline of predatory mite populations in organic orchards.
The second experiment considered interspecific predation among K. aberrans, A. andersoni, T. pyri and P. finitimus. All four predators fed with heterospecific larvae were able to survive some weeks laying a number of eggs. A. andersoni consumed more T. pyri and P. finitimus than K. aberrans larvae and its fecundity was higher on the first two prey species. A diet based on T. pyri larvae was associated to the highest conversion rate of food into egg biomass; longevity was higher for predatory mite females fed with K. aberrans larvae. K. aberrans preyed more P. finitimus than T. pyri and A. andersoni larvae and its fecundity resulted higher on the first species. The conversion of food into egg biomass did not show precise trend while the longevity of K. aberrans resulted higher when fed with A. andersoni. Typhlodromus pyri consumed more P. finitimus and K. aberrans than A. andersoni larvae and laid more eggs on the first two species. Phytoseius finitimus preyed more K. aberrans and T. pyri than A. andersoni larvae but fecundity was not affected by prey; predatory mite females fed with A. andersoni larvae were more efficient in converting food into egg biomass but those fed with K. aberrans larvae lived longer. In terms of predation rate and fecundity, A. andersoni seems to be advantaged over T. pyri, T. pyri over K. aberrans, and A. andersoni, K. aberrans and T. pyri over P. finitimus. The performance of A. andersoni, K. aberrans and T. pyri in terms of predation rate and fecundity proved to be better of P. finitimus larvae than on other prey. The low prey consumption and fecundity of the latter suggest that is disadvantaged in interspecific predation. The comparison between pollen and prey diets confirmed the positive effect of pollen on the fecundity of all four predatory mite species.
The third experiment deals with the effects of insecticides, frequently applied in apple orchards, on K. aberrans in field and laboratory conditions. Insecticides including chlorpyrifos, thiacloprid, acetamiprid, lufenuron, indoxacarb, methoxyfenozide and etofenprox were tested. In field studies etofenprox was the most detrimental pesticide to predatory mites. It caused dramatic effects on K. aberrans populations and induced spider mite outbreaks. In other trials tau-fluvalinate and spinosad did similar effects. In laboratory studies we assessed lethal and sub-lethal effects for each pesticide tested. Spinosad, tau-fluvalinate, thiamethoxam, clothianidin and imidacloprid were included. Etofenprox, spinosad with tau-fluvalinate proved to be harmful insecticides to K. aberrans in terms of lethal effects. Neonicotinoids did not affect survival so much but their sub-lethal effects were more prominent in terms of fecundity. Other pesticides such as chlorpyrifos, indoxacarb, lufenuron and methoxyfenozide also significantly reduced fecundity in K. aberrans at a lower level.
In the fourth study we explored the role of pollen in alleviating the effects of pesticides on K. aberrans at individual and population levels. In the first part we tested biological and demographic parameters of K. aberrans on pollen and Panonychus ulmi. K. aberrans was reared individually on P. ulmi and on pollen. Both food sources allowed for predatory mites survival, development and reproduction. Pollen was preferred food as compared to P. ulmi. Total fecundity and survival rates of K. aberrans were higher on pollen than on tetranychids. Developmental times of protonymphs, deutonymphs and adults of K. aberrans were longer on P. ulmi than on pollen. Life-table parameters of K. aberrans were positively affected by pollen. The second part deals with the interactions of pesticides, pollen and K. aberrans in semi-field conditions. Experimental factors were: insecticide application and pollen application . Predatory mites were released on 3-4 shoots per plant 7 days before insecticide applications. Typha latifolia pollen was used. Insecticide application, particularly spinosad, determined a reduction in K. aberrans abundance. Pollen applications were associated to an increase in predatory mite population. Significant interaction between pollen applications was observed: pollen application mitigated the effect of chlorpyrifos (because of its compensation of sublethal effects on fecundity) but no effect was observed on spinosad treated plants.
In the last work mechanisms of resistance to chlorpyrifos due to mutations in insensitive Acetylcholinesterase (AChE) in K. aberrans was investigated. AChE cDNA was cloned. The cloning strategy relied on the AChE sequence of Tetranychus urticae. To obtain the homologous cDNA sequence in K. aberrans, degenerate primers were designed on conserved functional domains of the annotated AChEs in Metaseiulus occidentalis genome, and combined with 5’-3’ rapid amplification of cDNA ends. When the cloned AChE sequence was compared between K. aberrans sensible and resistant strains, only a Glycine to Serine (G119S) substitution was detected while both AChE sequences had a Phenylalanine residue at 331 position. These results excluded the F331W mutation as responsible for chlorpyrifos target site resistance in K. aberrans but it opened interrogatives about the role of G119S. Indeed the G119S substitution had been already described in mosquitoes Anopheles gambiae and Culex pipiens where it led to AChE1 insensitivity or reduced AChE1 activity. On the contrary, the same aminoacid change in T. urticae AChE sequence was associated with a more moderate decrease in chlorpyrifos response. So a species-specific effect of this substitution cannot be kept out. In any case, site oriented sequencing of AChE cDNA, confirmed the presence of G119S substitution in further three resistant strains of the mite predator as well as the absence of F331W mutation. At the same time, two additional sensible strains, displayed a Glycine at the position 119, instead of Serine, in their AChE sequence. Altogether, these findings might suggest that the G119S polymorphism was involved in the polygenic control of the resistant phenotype. In addition or alternatively, the mutated AChE might be in linkage with one of the genetic determinants which affect the insecticide sensitivity in K. aberrans.

Abstract (italian)

Nell’ambito di questo lavoro sono stati condotti esperimenti di campo, semi-campo e laboratorio sugli acari predatori Kampimodromus aberrans, Amblyseius andersoni, Typhlodromus pyri e Phytoseius finitimus allo scopo di perfezionare le strategie di controllo biologico degli acari fitofagi nei meleti. Il primo esperimento ha riguardato l’introduzione di K. aberrans in meleti convenzionali e biologici. I meleti biologici erano trattati soprattutto con piretro e spinosad, mentre i meleti convenzionali erano trattati con neonicotinoidi, esteri fosforici e regolatori della crescita. Le densità dei predatori hanno raggiunto densità superiori nelle tesi oggetto d’introduzione rispetto ai testimoni. Tuttavia, le popolazioni dei predatori hanno raggiunto livelli più elevati nei meleti biologici rispetto ai meleti convenzionali. Amblyseius andersoni risultava naturalmente presente nei meleti. Nel 2010, non sono stati riscontrati effetti delle introduzioni di K. aberrans né della gestione dei meleti sull’abbondanza di A. andersoni. Al contrario, nel 2011 sono state riscontrate densità più contenute di A. andersoni nelle tesi oggetto d’introduzione rispetto ai testimoni. In uno dei siti sperimentali (Spresiano), le popolazioni di K. aberrans sono risultate più elevate, ove introdotte, in due meleti di cultivar Florina e Golden Delicious. Le densità di K. aberrans sono aumentate nel corso del tempo ma in misura più rilevante su Florina, probabilmente per la morfologia fogliare di questa cultivar. Nel meleto di Golden Delicious, le popolazioni di A. andersoni sono risultate più contenute nella tesi oggetto d’introduzione di K. aberrans rispetto ai testimoni; probabilmente, questo risultato è stato influenzato dalla morfologia fogliare di questa cultivar. Nei meleti convenzionali, le introduzioni di K. aberrans sono fallite a causa di trattamenti ripetuti con prodotti fitosanitari non selettivi ma anche gli insetticidi impiegati nei meleti biologici hanno comportato decrementi significativi delle densità dei predatori.
La competizione tra K. aberrans, A. andersoni, T. pyri e P. finitimus è stata oggetto di un secondo esperimento. Le femmine dei predatori sono state allevate sulle larve delle altre specie allo scopo di simulare possibili interazioni in condizioni di scarsità di preda. In queste condizioni sperimentali, i predatori hanno esibito buoni tassi di sopravvivenza e di fecondità. A. andersoni ha predato più larve di T. pyri e P. finitimus che di K. aberrans e la sua fecondità è stata superiore sulle prime due prede. Per A. andersoni, una dieta basata sulle larve di T. pyri è stata associata a tassi più elevati di conversione delle prede in biomassa destinata alle uova; la longevità del predatore è risultata più elevata sulle larve di K. aberrans. K. aberrans ha predato più P. finitimus che T. pyri e A. andersoni e la sua fecondità è risultata più elevata sulla prima specie. Il tasso di conversione in uova non ha mostrato tendenze particolari mentre la longevità di K. aberrans è risultata più elevata quando i predatori sono stati alimentati con larve di A. andersoni. Typhlodromus pyri ha consumato più larve di P. finitimus che di A. andersoni e il tasso di ovideposizione è stato conseguente. Phytoseius finitimus ha predato più larve di K. aberrans e T. pyri che di A. andersoni ma la fecondità non ha mostrato la stessa tendenza: i predatori allevati su A. andersoni sono stati più efficienti nella conversione delle prede in uova. Relativamente ai tassi di predazione e di fecondità, A. andersoni sembra avvantaggiato rispetto a T. pyri, T. pyri rispetto a K. aberrans, mentre A. andersoni, K. aberrans e T. pyri sono avvantaggiati rispetto a P. finitimus. Le prestazioni di A. andersoni, K. aberrans e T. pyri (tassi di predazione e fecondità) sono state migliori quando i predatori sono stati allevati con larve di P. finitimus. Le prestazioni di P. finitimus sono apparse le più basse in assoluto e questo suggerisce uno svantaggio competitivo. L’alimentazione pollinica ha garantito prestazioni ottimali in termine di fecondità a sostegno del ruolo del polline nel garantire la persistenza dei predatori generalisti negli ecosistemi agrari.
Il terzo esperimento ha riguardato l’effetto degli insetticidi su K. aberrans in condizioni di pieno campo e di laboratorio. E’ stato saggiato l’effetto degli insetticidi chlorpyrifos, thiacloprid, acetamiprid, lufenuron, indoxacarb, methoxyfenozide e etofenprox. Nelle prove di pieno campo, etofenprox è risultato l’insetticida più dannoso nei confronti degli acari predatori ed ha causato pullulazioni di acari fitofagi. In ulteriori prove di pieno campo, spinosad e tau-fluvalinate hanno causato problemi analoghi. Nelle prove di laboratorio sono stati inseriti anche spinosad, tau-fluvalinate, thiamethoxam, clothianidin e imidacloprid. Spinosad, tau-fluvalinate e etofenprox hanno causato effetti drammatici sulla sopravvivenza e sulla fecondità di K. aberrans. I neonicotinoidi non sono apparsi molto tossici ma hanno causato una riduzione della fecondità di K. aberrans. Per altri insetticidi (chlorpyrifos, indoxacarb, lufenuron e methoxyfenozide) sono state osservate riduzioni meno drammatiche della fecondità del predatore.
In un altro studio è stato valutato il ruolo del polline nel mitigare gli effetti degli insetticidi su K. aberrans. Nella prima parte di questo studio sono stati calcolati i parametri demografici di K. aberrans allevato su polline o su Panonychus ulmi. Il polline si è dimostrato un alimento ottimale rispetto a P. ulmi in quanto i predatori hanno esibito una fecondità più elevata e tempi di sviluppo più brevi con implicazioni per i parametri demografici. La seconda parte dell’esperimento ha riguardato le interazioni tra pesticidi, polline e K. aberrans in condizioni di semi-campo. Gli acari predatori sono stati introdotti 7 giorni prima dei trattamenti insetticidi e il polline di Typha latifolia è stato impiegato quale alimento. L’applicazione degli insetticidi (soprattutto spinosad) ha ridotto la densità della popolazione di K. aberrans. L’applicazione ripetuta del polline è stata associata a un incremento della popolazione dei predatori. E’ stata riscontrata un’interazione significativa tra l’applicazione di polline e degli insetticidi: l’applicazione di polline ha mitigato l’effetto del chlorpyrifos sulla fecondità di K. aberrans. Tuttavia, questo effetto non è stato osservato sulle piante trattate con spinosad.
I meccanismi di resistenza al chlorpyrifos in K. aberrans sono stati oggetto di un ultimo contributo. In particolare, è stata indagata la resistenza associata a mutazioni nell’enzima Acetilcolinesterasi (AChE). Il cDNA dell’enzima è stato clonato mediante una strategia basata sul sequenziamento della AChE di Tetranychus urticae. Al fine di ottenere sequenze omologhe di cDNA in K. aberrans sono stati disegnati primers con domini funzionali delle AChE nel genoma dell’acaro predatore Metaseiulus occidentalis. Combinando le sequenze AChE di ceppi sensibili e resistenti di K. aberrans è stata posta in evidenza una sostituzione di glicina in serina (G119S) mentre entrambe le sequenze AChE avevano un residuo di fenilalanina in posizione 331. Questi risultati hanno escluso la mutazione F331W quale responsabile della resistenza target size al chlorpyriphos ma apre interrogativi sul ruolo della mutazione G119S. Questa sostituzione è già stata descritta in Anopheles gambiae e Culex pipiens ove è coinvolta in una AChE1 insensibile o a ridotta attività. Tale sostituzione è stata associata ad una moderata resistenza al chlorpyrifos in T. urticae. Pertanto, sembra che tale sostituzione abbia un ruolo specie-specifico. Le analisi hanno dimostrato la presenza della sostituzione G119S in tre ceppi resistenti di K. aberrans in cui è assente la mutazione F331W. Allo stesso tempo, due ulteriori ceppi sensibili a chlorpyrifos hanno esibito una glicina in posizione 119, in luogo della serina, nella sequenza AChE. I dati suggeriscono che il polimorfismo G119S sia coinvolto nel controllo poligenico del fenotipo resistente. Le mutazioni della AChE potrebbero essere collegate con uno o più fattori genetici determinanti la resistenza a chlorpyrifos in K. aberrans.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Duso, Carlo
Data di deposito della tesi:01 January 2013
Anno di Pubblicazione:01 January 2013
Key Words:impact, pesticides, apple, predatory mites, Kampimodromus aberrans, insecticides, Integrated Pest Management, AChE, resistance, pollen, spinosad impatto, pesticidi, mela, acari predatori, insetticidi, strategie IPM, resistenza, polline
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 07 - Scienze agrarie e veterinarie > AGR/11 Entomologia generale e applicata
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Agronomia Animali Alimenti Risorse Naturali e Ambiente
Codice ID:5312
Depositato il:15 Oct 2013 10:46
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