Sense and Sensitivity: on the biology and neuroethology of two tortricid moths

Abstract

La confusió sexual mitjançant feromones és una tàctica de control de plagues que, en impedir l'aparellament entre arnes, ha ajudat enormement a reduir els danys en cultius, així com l'ús de pesticides. La necessitat de disminuir els costos associats a la seva aplicació ha fomentat el desenvolupament de dispensadors automàtics o puffers. Aquests puffers alliberen una gran quantitat de feromona mentre els insectes estan sexualment actius. No obstant això, la falta d'informació sobre la biologia i el comportament dels insectes i de l'efecte que alguns factors externs tenen sobre la seva periodicitat diària impedeixen un correcte ajust dels puffers, la qual cosa pot suposar una disminució de la seva eficàcia en camp. A pesar que el parany automàtic pot servir per a determinar aquests períodes d'activitat i decidir quan alliberar feromona, els paranys disponibles comercialment no confereixen una resolució temporal suficient per a esbossar l'activitat dels insectes, que pot estar reduïda a unes poques hores. Per a la meva tesi hem dissenyat i posat a prova un parany assequible i fàcil de construir que m'ha permès determinar el vol sexual diari i estacional de Grapholita molesta (Busk) a partir de fotografies preses amb una gran resolució temporal. Tant en paranys encebats amb feromona sintètica com en paranys encebats amb femelles verges, la majoria de les captures van tenir lloc entre 3 hores abans i una hora després de la posta de sol, indicant una activitat diürna crepuscular en l'espècie. El tipus d'esquer (septe de feromona o femella verge) no va afectar al període de vol diari. Així i tot, les baixes temperatures van avançar els vols, mentre que les temperatures més altes retardaven el vol fins a hores pròximes a la posta de sol. Aquests resultats destaquen la necessitat de programar els puffers perquè alliberin la feromona en diferents hores al llarg de l'any, seguint la corba de vol dels insectes. Fent-t'ho així augmentaria l'eficàcia d'aquest sistema en camp, al mateix temps que reduiria el cost de la seva aplicació i evitaria un desaprofitament de feromona. Per a explicar els mecanismes subjacents al funcionament de la confusió sexual en el control de plagues, la majoria dels estudis s'han centrat en l'efecte de grans nivells de feromona sintètica sobre els mascles. Les femelles, d'altra banda, s'han considerat insensibles a la seva pròpia feromona. No obstant això, una revisió recent indica que hi ha una alteració notable en el comportament de les femelles en ser exposades a la seva pròpia feromona, un fenomen conegut com a “autodetecció”. Malgrat això, no hi ha proves que confirmin que les femelles siguin capaces de detectar la seva pròpia feromona a nivell de les neurones olfactòries. Mitjançant tècniques d'electrofisiologia, he comparat la resposta de les neurones olfactòries allotjades en sensilla trichodea de mascles i femelles a compostos biològicament rellevants per a G. molesta, una espècie en la qual s'ha descrit autodetecció. Una anàlisi d'agrupament jeràrquic indica un sistema olfactori perifèric radicalment diferent en cada sexe, la qual cosa podria estar relacionat amb les diferents necessitats biològiques de cadascun. Mentre que en els mascles no hi havia cèl·lules que responguessin a la seva pròpia feromona de festeig, cinamato d'etil, la majoria (63%) van respondre específicament als compostos de feromona sexual majoritari i minoritari (Z8-12:Ac i E8-12:Ac, respectivament). La freqüència de cadascun d'aquests tipus de cèl·lules és similar al ràtio de mescla de feromones de les femelles. En femelles, un 6% de les cèl·lules responien a volàtils de planta i un 3% són específiques per a la feromona de festeig dels mascles. A pesar que algunes cèl·lules eren estimulades per la feromona sexual de les femelles, aquestes respostes eren sempre menors que les de mascles i, a més, responien a més composts. De fet, l'agrupació jeràrquica les inclou en un grup (91%) de neurones inespecífiques. L'absència en femelles de receptors per a la feromona sexual i la seva baixa sensibilitat a la mateixa els impediria detectar variacions en les ràtios de feromona en la naturalesa. Per tant, qualsevol alteració del comportament després d'una exposició a feromona coespecífic en el laboratori no podria ser atribuïda a un reconeixement de la pròpia espècie. El comportament de les femelles sí que es pot veure alterat per altres senyals més rellevants per a les seves necessitats biològiques. L'olor característica d'una planta pot provocar un efecte diferent en femelles que provenen d'hostes diferents. En la meva tesi he analitzat respostes electroantenogràfiques de mascles i femelles adults de Lobesia botrana (Denis et Schiffermüller) (Lepidoptera: Tortricidae) recollides en la fase larvària de la vinya (Vitis vinífera L.) o del torvisco (Daphne gnidium L.) a volàtils específics i compartits dels hostes, així com a compostos de feromona sexual. Els meus resultats indiquen que la detecció de feromona no difereix entre totes dues poblacions. A més, la detecció de volàtils de planta no es veu afectada pel sexe o la planta de desenvolupament larvari. Poblacions polífagues desenvolupant-se en un hoste concret semblen retenir la capacitat per a respondre als volàtils d'altres hostes. Aquesta falta de diferències estadístiques en la diferenciació de compostos olfactoris al nivell de l'antena no implica que els individus que provenen de cada hoste mostrin preferències similars davant tots dos conjunts de volàtils, atès que les respostes biològiques depenen en última instància de la integració cerebral de cada individu. Així i tot, és important comprendre la capacitat dels insectes polífags per a reproduir-se o buscar aliments i refugis alternatius a l'hora de determinar els límits topogràfics de la confusió sexual. La meva tesi serveix per a entendre millor les repercussions que alguns factors ambientals poden tenir sobre el funcionament d'una tècnica complexa com és la confusió sexual. A pesar que l'ús de pesticides s'ha reduït, encara ens valem d'aquests químics per a evitar el descontrol de les plagues, i és necessari conèixer les variables que afecten l'eficàcia de les alternatives sostenibles.

La confusión sexual mediante feromonas es una táctica de control de plagas que, al impedir el apareamiento entre polillas, ha ayudado enormemente a reducir los daños en cultivos, así como el uso de pesticidas. La necesidad de disminuir los costes asociados a su aplicación ha fomentado el desarrollo de dispensadores automáticos o puffers. Estos puffers liberan una gran cantidad de feromona mientras los insectos están sexualmente activos. Sin embargo, la falta de información sobre la biología y el comportamiento de los insectos y del efecto que algunos factores externos tienen sobre su periodicidad diaria impiden un correcto ajuste de los puffers, lo que puede suponer una disminución de su eficacia en campo. A pesar de que el trampeo automático puede servir para determinar estos periodos de actividad y decidir cuándo liberar feromona, las trampas disponibles comercialmente no confieren una resolución temporal suficiente para bosquejar la actividad de los insectos, que puede estar reducida a unas pocas horas. Para mi tesis hemos diseñado y puesto a prueba una trampa asequible y fácil de construir que me ha permitido determinar el vuelo sexual diario y estacional de Grapholita molesta (Busk) a partir de fotografías tomadas con una gran resolución temporal. Tanto en trampas cebadas con feromona sintética como en trampas cebadas con hembras vírgenes, la mayoría de las capturas tuvieron lugar entre 3 horas antes y una hora después de la puesta de sol, indicando una actividad diurna crepuscular en la especie. El tipo de cebo (septo de feromona o hembra virgen) no afectó el periodo de vuelo diario. Aun así, las bajas temperaturas avanzaron los vuelos, mientras que las temperaturas más altas retrasaban el vuelo hasta horas cercanas a la puesta de sol. Estos resultados destacan la necesidad de programar los puffers para que liberen la feromona a distintas horas a lo largo del año, siguiendo la curva de vuelo de los insectos. Hacerlo aumentaría la eficacia de este sistema en campo, al tiempo que reduciría el coste de su aplicación y evitaría un desperdicio de feromona. Para explicar los mecanismos que subyacen al funcionamiento de la confusión sexual en el control de plagas, la mayoría de los estudios se han centrado en el efecto de grandes niveles de feromona sintética sobre los machos. Las hembras, por otro lado, se han considerado insensibles a su propia feromona. Sin embargo, una revisión reciente indica que hay una alteración notable en el comportamiento de las hembras al ser expuestas a su propia feromona, un fenómeno conocido como “autodetección”. A pesar de ello, no hay pruebas que confirmen que las hembras sean capaces de detectar su propia feromona a nivel de las neuronas olfativas. Mediante técnicas de electrofisiología, he comparado la respuesta de las neuronas olfativas alojadas en sensilla trichodea de machos y hembras a compuestos biológicamente relevantes para G. molesta, una especie en la que se ha descrito autodetección. Un análisis de agrupamiento jerárquico indica un sistema olfativo periférico radicalmente diferente en cada sexo, lo que podría estar relacionado con las diferentes necesidades biológicas de cada uno. Mientras que en los machos no había células que respondieran a su propia feromona de cortejo, cinamato de etilo, la mayoría (63%) respondieron específicamente a los compuestos de feromona sexual mayoritario y minoritario (Z8-12:Ac y E8-12:Ac, respectivamente). La frecuencia de cada uno de estos tipos de células es similar al ratio de mezcla de feromonas de las hembras. En hembras, un 6% de las células respondían a volátiles de planta y un 3% son específicas para la feromona de cortejo de los machos. A pesar de que algunas células eran estimuladas por la feromona sexual de las hembras, estas respuestas eran siempre menores que las de machos y, además, respondían a más compuestos. De hecho, la agrupación jerárquica las incluye en un grupo (91%) de neuronas inespecíficas. La ausencia en hembras de receptores para la feromona sexual y su baja sensibilidad a la misma les impediría detectar variaciones en las ratios de feromona en la naturaleza. Por lo tanto, cualquier alteración del comportamiento tras una exposición a feromona conspecífica en el laboratorio no podría ser atribuida a un reconocimiento de la propia especie. El comportamiento de las hembras sí que puede verse alterado por otras señales más relevantes para sus necesidades biológicas. El olor característico de una planta puede provocar un efecto diferente en hembras que provienen de huéspedes distintos. En mi tesis he analizado respuestas electroantenográficas de machos y hembras adultos de Lobesia botrana (Denis et Schiffermüller) (Lepidoptera: Tortricidae) recogidas en fase larvaria de la vid (Vitis vinífera L.) o del torvisco (Daphne gnidium L.) a volátiles específicos y compartidos de los huéspedes, así como a compuestos de feromona sexual. Mis resultados indican que la detección de feromona no difiere entre ambas poblaciones. Además, la detección de volátiles de planta no se ve afectada por el sexo o la planta de desarrollo larvario. Poblaciones polífagas desarrollándose en un huésped concreto parecen retener la capacidad para responder a los volátiles de otros huéspedes. Esta falta de diferencias estadísticas en la diferenciación de compuestos olfativos al nivel de la antena no implica, sin embargo, que los individuos que provienen de cada huésped muestren preferencias similares ante ambos conjuntos de volátiles, dado que las respuestas biológicas dependen en última instancia de la integración cerebral de cada individuo. Aun así, es importante comprender la capacidad de los insectos polífagos para reproducirse o buscar alimentos y refugios alternativos a la hora de determinar los límites topográficos de la confusión sexual. Mi tesis sirve para entender mejor las repercusiones que algunos factores ambientales pueden tener sobre el funcionamiento de una técnica compleja como es la confusión sexual. A pesar de que el uso de pesticidas se ha reducido, aún nos valemos de estos químicos para evitar el descontrol de las plagas, y es necesario conocer las variables que afectan a la eficacia de las alternativas sostenibles.

Pheromone-mediated mating disruption (MD), a pest management tactic that prevents moth mating, has helped reduce insecticide use and crop damage in agriculture. The need to decrease the economic and labor costs associated with its application has encouraged the development of automated dispensers. These puffers disrupt mating behavior of moth pests by releasing pheromone during the time when insects are active. However, the lack of a firm basis on the biology and behavior of moths, and how external factors can alter their periodicity, prevent the proper adjustment of the puffers, and may result in a decrease of their efficacy in the field. Although automated traps can be used to determine these activity periods and adjust puffer pheromone release, commercially automated traps do not offer enough temporal resolution to outline insect activity periods, which usually last one or a few hours. In my thesis, we have designed and tested a cheap and easy to build high temporal resolution image-sensor insect trap. Based on captures in traps lured with synthetic pheromone and virgin females I have determined the daily and seasonal Grapholita molesta male sexual responsiveness. Although the lure did not influence the daily and seasonal sexual responsiveness period of Grapholita molesta (Busk), the flight activity within 24 h circadian rhythm is often influenced by sunset time and temperature. Most captures were registered between 3 hours before and 1 hour after sunset, indicating a diurnal to crepuscular activity of the species. Lure type (septum or female) did not influence the daily time of flight. While low temperatures led to an earlier flight in males, warmer temperatures resulted in flights closer to the sunset time. To reduce the cost of MD and avoid wasting pheromone, puffers should be programmed to spray at a variable time throughout the season, following the curve of activity of the insects. In order to explain the mechanisms of pheromone-mediated MD in pest management, most studies have focused on the effect high levels of synthetic pheromones have on the behavior of males, whereas females were considered unresponsive to their own pheromone. However, a recent review shows that there is substantial behavioral evidence that female moths respond to their own sex pheromone. Nevertheless, the evidence for sex pheromone "autodetection" at the olfactory receptor neuron (ORN) level is limited. By means of electrophysiological methods I compared the responses of ORNs housed in antennal sensilla trichodea to an array of biologically relevant compounds of male and female G. molesta, a species with reported pheromone autodetection. Hierarchical cluster analysis (HCA) indicated a radically different peripheric olfactory system between sexes that could be related to their specific ecological roles. In males no cells responded to their own courtship pheromone ethyl trans-cinnamate, while most (63%) were tuned specifically to the major or minor pheromone compounds (Z8-12:Ac and E8-12:Ac, respectively), their relative abundance being similar to their ratio in the female pheromone. Plant volatile cells were relatively frequent in females (6%) and 3% of the female ORNs were also tuned to the male-produced courtship pheromone. Several female cells were excited by female-produced sex pheromone, but their responses were generally lower than in males, and they responded broadly to the other compounds as well, so the HCA grouped them in a large cluster (91%) of "unspecific" female neurons. The lack of differential sex pheromone receptor neurons in females, and their relatively low sensitivity to sex pheromone would not allow females to detect variations in the pheromone ratios in nature. Thus, the alteration of their behavior after exposure to conspecific pheromone under laboratory conditions does not appear to be species-specific. Female behavior can nonetheless be specifically altered by other cues more relevant to their biological needs. The headspace of different plants may induce a different effect on females stemming from different hosts. I analyzed electroantennogram (EAG) responses of male and female adults of the European grapevine moth Lobesia botrana (Denis et Schiffermüller) (Lepidoptera: Tortricidae) collected as larvae from grapevine (Vitis vinifera L.) and flax-leaved daphne (Daphne gnidium L.) to specific and shared plant volatiles of the two hosts, as well as to sex pheromone compounds. My results indicate that pheromone detection did not differ between the two populations. Furthermore, host-plant volatile detection was not affected by sex or larval host plant. Polyphagous populations developing on a specific host seem therefore able to detect the plant volatiles of alternative hosts. However, lack of statistical differences in odor discrimination at the antennal level does not imply that insects from each host would show similar preference for the two host-specific odor blends, since behavioral responses to plant odors require brain integration of the antennal input of each individual odorant in a blend. Differences in plant preference could still occur if there are no differences at the EAG level. Understanding the potential ability of a polyphagous moth to reproduce or find food and shelter in alternative hosts is important to assess the topographical limitations of MD. My thesis serves to understand a bit better the complex functioning of a technique like MD and the repercussions that some environmental factors can have in its proper functioning. Even though pesticide use has been reduced, we still rely on these chemicals to prevent pest outburst. A more deep and rigorous study of the variables affecting the efficacy environmentally friendly alternatives should be conducted.