Authors:	Steineke, Susanne Barbara
Title:	Populationsdynamik des Cydia pomonella Granulovirus
Online publication date:	20-Jan-2005
Year of first publication:	2005
Language:	german
Abstract:	Das Cydia pomonella Granulovirus (CpGV, Fam. Baculoviridae) ist ein sehr virulentes und hoch spezifisches Pathogen des Apfelwicklers ( Cydia pomonella), das seit mehreren Jahren in der Bundesrepublik Deutschland und anderen Ländern der EU als Insektizid zugelassen ist. Wie andere Baculoviren auch befällt es die Larven der Insekten und ist aufgrund seiner Selektivität für Nicht-Zielorganismen unbedenklich. In der Vergangenheit konzentrierte sich die Erforschung des CpGV auf Bereiche, die für die Anwendung im Pflanzenschutz relevant waren, wobei nach fast 20 Jahren nach der ersten Zulassung noch immer nicht bekannt ist, ob und wie sich das CpGV in der Umwelt etablieren kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Parameter, mit deren Hilfe die Populationsdynamik des CpGV beschrieben werden kann, analysiert und quantitativ bestimmt. Neben den biologischen Eigenschaften wie Virulenz, DNA-Charakterisierung und Quantifizierung der Virusnachkommenschaft wurden insbesondere die horizontale sowie die vertikale Transmission, die Inaktivierung und die Infektion später Larvenstadien untersucht. Letztlich wurden die ermittelten Parameter zusammen mit Daten aus der Literatur in ein mathematisches Modell integriert. Um die Wahrscheinlichkeit der horizontalen Transmission zu quantifizieren, wurde ein Modellsystem mit losen Äpfeln etabliert, in dem verschiedene Szenarien möglicher horizontaler Transmission unter definierten Laborbedingungen getestet wurden. In Versuchsserien, in denen ein Virusfleck, entsprechend der produzierten Virusmenge einer Eilarve, auf einen Apfel appliziert worden war, war unter den aufgesetzten Apfelwicklerlarven lediglich eine sehr geringe Mortalität von 3 - 6% zu beobachten. Wurde jedoch ein an einer Virusinfektion gestorbener Larvenkadaver als Inokulum verwendet, lag die Mortalitätsrate aufgesetzter Larven bei über 40%. Diese beobachtete hohe horizontale Transmissionsrate konnte mit dem Verhalten der Larven erklärt werden. Die Larven zeigten eine deutliche Einbohrpräferenz für den Stielansatz bzw. den Kelch, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Zusammentreffens einer an der Infektion verendeten Larve mit einer gesunden Larve um ein Vielfaches zunahm. In einem ähnlich angelegten Freilandversuch konnte eine horizontale Transmission nicht belegt werden. Der Unterschied zur Kontrollgruppe fiel aufgrund einer hohen natürlichen Mortalität und einer damit einhergehenden niedrigen Dichte der Larven zu gering aus. Parallel hierzu wurde außerdem eine Halbwertszeit von 52 Sonnenstunden für das CpGV ermittelt. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass die Mortalität von späteren Larvenstadien, die 14 Tage Zeit hatten sich in die Äpfel einzubohren, bevor eine CpGV-Applikation durchgeführt wurde, ebenso hoch war wie bei Larven, die sich im L1-Stadium auf der Apfeloberfläche infizierten. Aufgrund des höheren Alters jener Larven war der Fraßschaden an befallenen Äpfeln jedoch wesentlich größer und vergleichbar mit dem Fraßschaden einer unbehandelten Kontrolle. Der Versuch zur vertikalen Transmission zeigte dass, obwohl die verwendete Apfelwicklerzucht nicht frei von CpGV war, die Mortalitätsrate der Nachkommen subletal infizierter Weibchen (44%) jedoch deutlich höher war als die der Nachkommen subletal infizierter Männchen (28%) und der unbehandelten Kontrolle (27%). Auch in den PCR-Analysen konnte eine größere Menge an CpGV-Trägern bei den Nachkommen subletal infizierter Weibchen (67%) als bei den Nachkommen subletal infizierter Männchen (49%) und bei der Kontrolle (42%) nachgewiesen werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Infektion durch subletal infizierte Weibchen vertikal in die nächste Generation übertragen werden kann. Dies lässt erkennen, dass in der Folgegeneration des Apfelwicklers eine zusätzliche Wirkung des CpGV durch vertikale Transmission auftreten kann. Hierin wäre auch ein potentieller Mechanismus für eine dauerhafte Etablierung des Virus zu sehen. Letztlich wurden alle Parameter, die die CpGV-Apfelwickler-Beziehung beschreiben, in ein mathematisches Modell GRANULO integriert. Nach einer Sensitivitätsanalyse wurde GRANULO teilweise mit Daten aus den Freilandversuchen verifiziert. Durch Modifikation der Virusparameter im Modell konnte anschließend der Einfluss veränderter biologischer Eigenschaften (UV-Stabilität und Transmissionsraten) der Viren in Simulationen theoretisch erprobt werden. Das beschriebene Modell, das allerdings noch einer weitergehenden Verifizierung und Validierung bedarf, ist eine erste Annäherung an die quantitative Erfassung und Modellierung der Populationsdynamik des Systems CpGV-Apfelwickler. Die im Zusammenhang mit der Populationsdynamik des Apfelwicklers erhobenen Daten können einen wertvollen Beitrag zur Optimierung von Kontrollstrategien des Apfelwicklers mittels CpGV leisten. Außerdem geben sie Aufschluss über die Etablierungsmöglichkeiten dieses Bioinsektizids. The Cydia pomonella granulovirus (CpGV, Fam. Baculoviridae), an extremely virulent and highly specific pathogen, has been registered for the control of the codling moth (Cydia pomonella) in Germany and other countries of the EU. It infects the larval stages of its host and does not harm non target organisms. Past research on CpGV addressed questions relevant to its production and application as pest control agent. However, 20 years after the first registration, it remains unclear whether CpGV can establish itself in the environment. As part of this project, various parameters were analysed and quantified to aid in describing CpGV’s population dynamics. The studied parameters included virulence, virus yield, horizontal and vertical transmission, inactivation rate and the infection rate of late instars. The quantified parameters were then integrated into a mathematical model along with data found in the relevant literature. Detached apples served as model system to test various scenarios of horizontal transmission under laboratory conditions. In a series of experiments a drop of virus suspension that contained an amount of virus, which corresponded to the virus yield of a young larva, was applied to the apple’s surface as the source of infection. Larvae exposed to these apples had a relatively low mortality of 3-6 %. However, when using larval cadavers as a source of infection, horizontal transmission was found to be as high as 40%. This observation could be explained with the larval behaviour. Larvae exhibited a feeding preference near the stalk and in the calyx, thus greatly increasing the probability of coming into contact with an infectious larval cadaver. A similarly set up field experiment could not corroborate the laboratory results, as no significant difference could be detected between the experimental and the control group. A high natural mortality of the larvae under field conditions accounted for a much lower host density compared to the experiments using detached apples. This low host density consequently decreased the probability for horizontal transmission. A second control group also indicated a relatively long persistence of CpGV. A coinciding experiment supported this observation and estimated the half-life of CpGV to be 52 hours exposure to sunlight. A further field experiment showed that there was substantial virus related mortality if larvae were allowed to feed on apples for 14 days prior to the CpGV treatment. The mortality in this group and of larvae that were treated with CpGV in the first instar stage did not differ statistically, although there was more damage due to the increased age of the dying larvae. The experiment on vertical transmission revealed that at the time of the experiment the insect stock was contaminated with CpGV. It also showed that the mortality rate of the offspring of sublethally infected males (28%) did not differ from the offspring of the untreated control animals (27%), whereas the mortality rate of the offspring of sublethally infected females appeared to be higher (44%). This finding was also corroborated by PCR analysis and suggests that CpGV is transmitted vertically via females. In terms of plant protection, CpGV could thus also affect subsequent codling moth generations in addition to the targeted generation. Moreover, vertical transmission could prove to play an important role in the persistence of CpGV in the field. The investigated parameters were integrated into the mathematical model, GRANULO, along with parameters taken from literature. After a sensitivity analysis GRANULO was partially verified with data from the field experiments. The model then served to evaluate the UV stability and the transmission rates in several simulations. Although further verification and validation of GRANULO would be desirable, this model is a first step in the quantitative approximation of the population dynamics of CpGV. The discussed results could render valuable information towards the optimisation of CpGV as control agent. Moreover, they can shed light on the mechanisms by which this bioinsecticide could establish itself in the field.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3068
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-6595
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen