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Tharandt 2018
Projekt bioProtect – Auf der Suche nach neuen Stoffen in der chemischen
Kommunikation
Duftstoffe für den Polterschutz
Christine Rachow
Abt. für Forstzoologie und Waldschutz,
Georg-August-Universität Göttingen
Georg-August-Universität Göttingen – Technische Universität Dresden – Ostdeutsche Gesellschaft für Forstplanung mbH 1
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VOC (Volatile organic compounds)
Georg-August-Universität Göttingen – Technische Universität Dresden – Ostdeutsche Gesellschaft für Forstplanung mbH 2
Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
Volatile Organic Compounds = VOCs = flüchtige organische Verbindungen
• Organische Stoffe primär aus Kohlenstoff und Wasserstoff
• Geringe Molekülmasse und hoher Dampfdruck
• Siedebereich von 60°C bis 250°C (WHO)
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VOC im Pflanzenreich
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Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
Sind ortsgebunden -> können ihren Feinden nicht ausweichen
VOC besitzen im Pflanzenreich verschiedene Funktionen
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VOC im Pflanzenreich
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Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
Kommunikationsmittel
• Fortpflanzung
• Verteidigung
• Warnung
Abwehrmechanismus
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Cis-Verbenol
Chemische Kommunikation
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Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
α-Pinen
α-Pinen
α-Pinen
1. Dispersionsflug der Männchen
Empfang von Duftsignalen
KAIROMONE
2. Pioniermännchen locken
Artgenossen an
PHEROMONE
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Zielsetzung bioProtect
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Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
Polterschutz durch:
• insektizidfreie Borkenkäfer- Regulierung
• Anlockung von Antagonisten
mithilfe von Volatilen
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bioProtect
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Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
Aufgaben und Ziele der Arbeitsgruppe Göttingen
• Sammlung von Polter-Volatilen
• Aufklärung von Semiochemikalien
• Test der Wahrnehmung der gesammelten Volatile
• Verhaltensversuche
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Lage der Standorte
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FichteBuche
Esche
Kiefer
Eiche
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Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
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Auf der Suche nach VOC
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Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
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Auf der Suche nach VOC
Georg-August-Universität Göttingen – Technische Universität Dresden – Ostdeutsche Gesellschaft für Forstplanung mbH 10
Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
- Stammabsaugkammer
- Gaschromatographie
- Käferrennbahn
- Elektrophysiologie
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Stammabsaugkammer
Georg-August-Universität Göttingen – Technische Universität Dresden – Ostdeutsche Gesellschaft für Forstplanung mbH 11
1
2
3
5
4
6
20
cmStammabsaugkammer
1. Dichtungsmatte (Isomatte)
2. Kammer (Bratschlauch)
3. Fixierband (Spanngurt)
4. Teflonschlauch
5. Sammelmittel (Absorbens)
6. Pumpe
Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
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VOC Analyse
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GC-MS
1: MS (Massenspektrometer)
2: GC-Säule
3: TDS-Probenhalter
21
3
• Zweistündige Beprobung; anschließende Analyse mit Hilfe der
Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS)
• Identifizierung der Volatile mit einer Standardsubstanz (Referenz)
Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
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Verhaltensversuche
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Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
Gefilterte und angefeuchtete Luft
Startpunkt KäferVOC Quelle / Kontrolle
Lufteinlass für jede Arena
Luftausgang
Verändert nach Ren et al. (2017) [4]
• VOC Verdünnung (10-3) in Paraffin-Öl
• Käfer wurdenzufallsbedingt auf die Arenen verteilt
• Kontrollproben: Luft und Paraffin
Arena
Odor choice
Control choice
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Verhaltensversuche
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[3]
Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
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Elektrophysiologie
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Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
• EAG Dosis-Antwort-Kurven (Verdünnungsreihen 10-2
bis 10-6)
• Kontrolle : Silikonöl
• Standard-VOC f. d. Normalisierung: (Z)-3-Hexenol 10-3
Elektroantennogram (EAG) Aufbau
mit einem Mikromanipulator
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Methode
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Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
Esche
Buche
Eiche
Fichte
Kiefer
4 Standorte in Sachsen
Aufnahmezeitpunkte: - vor Befall - bei Befall
- nach Befall
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VOC Messung
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Einleitung VOC-Suche Ergebnisse VOC Diskussion
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• Unterschiedlich viele VOCs zu den verschiedenen Messzeitpunkten
VOC Messung
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Vor Befall Bei Befall Nach Befall
Gesamte Volatile 125 114 98
Laubbaumbürtige Volatile 78 54 42
Nadelbaumbürtige Volatile 36 34 31
Laub-und nadelbaumbürtige Volatile 14 26 25
Tabelle 1: Anzahl der gefundenen Volatile zu der jeweiligen Messkampagne.
Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
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Stoffgruppenzugehörigkeit
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Nadelbaumvolatile Laubbaumvolatile
• 12 Volatile identifiziert, die sich
potenziell für den Schutz von
Laubholzpolter eignen
Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
3
51
1
1
1
1
1
Sesquiterpen
Monoterpen
Aldehyd
Alkohol
Aromat
Ester
Keton
Alkylbenzen
21
4
4
7
1
1
1
1
4
5Sesquiterpen
Monoterpen
Aldehyd
Alkohol
Aromat
Ester
Keton
Phenol
Säure
Alken
Alkan
• 31 Volatile identifiziert, die sich
potenziell für den Schutz von
Nadelholzpolter eignen
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Mögliche VOC für den Polterschutz
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Pinocarvon
Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
[1]
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Verhaltensversuche
Georg-August-Universität Göttingen – Technische Universität Dresden – Ostdeutsche Gesellschaft für Forstplanung mbH 21
42.14
44.79
46.31
47.75
48.03
50.30
52.22
54.24
60.66
65.28
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Pentanol
3-Methyl-2-Pentanol
Camphor
4-Methyl-3-heptanon
Acetophenon
Limonen
2-Methyl-3-butin-2-ol
Beta-Pinen
Myrcen
Methylsalicylat
Totale Bewegungsdistanz [cm]
VO
C
𝑥
Totale Bewegungsdistanz von
Thanasimus spp. bezogen auf die
verschiedenen VOC im Vergleich
zum Mittelwert aller getesteten
VOC (rot).
Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
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Verhaltensversuche
Georg-August-Universität Göttingen – Technische Universität Dresden – Ostdeutsche Gesellschaft für Forstplanung mbH 22
Verglichene VOC (Odor-Choice-Zone) p-Wert Signifikanz
Methylsalicylat & 3-Methyl-2-pentanol 0.0598 **
Methylsalicylat & 4-Methyl-3-heptanon 0.0623 **
Methylsalicylat & Acetophenon 0.0124 ***
Tabelle 2: Unterschiede der
Aufenthaltsdauern der Zone „Odor-Choice“
(Bonferroni-Post-Hoc-Test)
** = Signifikanzniveau 90% (𝛼 = 0,1)
*** = Signifikanzniveau 95% (𝛼 = 0,05)
Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
Tharandt 2018
Verhaltensversuche
Georg-August-Universität Göttingen – Technische Universität Dresden – Ostdeutsche Gesellschaft für Forstplanung mbH 23
• Thanasimus spp. bewegte sich in den Verhaltensversuch bei Methysalicylat am meisten.
• Die Aufenthaltsdauer zw. Mehylsalicylat und Acetophenon ist significant unterschiedlich.
Methylsalicylat
VOC aus der Rinde von Angiospermen (Zhang and Schlyter, 2004)
Bekannt als nicht Wirtsbaum-VOC für Borkenkäfer (Zhang and Schlyter, 2004)
Acetophenon
Löst bei T. formicarius repellente Verhaltensreaktionen aus (Wehnert 2013)
Potenzielles allochthones Kairomon
Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
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Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
EAG data normalization (Ren et al. 2017)
A − ( EAG (ctl1) + EAG (ctl2) ) / 2
( EAG (std1) + EAG (std2) ) / 2 – ( EAG (ctl1) + EAG (ctl2) ) / 2
Where A is the amplitude (mV) of the EAG response to compound;
EAG(ctl1) is the EAG response to control at the beginning of the recording;
EAG(ctl2) is the EAG response to control at the end of the recording;
EAG(std1) is the EAG response to standard at the beginning of the recording;
EAG (std2) is the EAG response to standard at the end of the recording.
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Elektrophysiologie
Georg-August-Universität Göttingen – Technische Universität Dresden – Ostdeutsche Gesellschaft für Forstplanung mbH 25
Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
• T. formicarius zeigte die höchsten Antennenreaktionen bei:
4-Methyl-3-heptanol, 4-Methyl-3-heptanon, 3-Methyl-2-pentanon,
Methylheptenon, Pentanal
Nicht-Wirtsbaum Volatile von I. typographus
• T. formicarius zeigte hohe Antennenreaktionen bei: Camphor, β-
Pinen und Acetophenon
Wirtsbaum Volatile von I. typographus
• T. formicarius zeigte Antennenreaktionen bei: Methylsalicylat
Tharandt 2018
VOC-Muster von Nadelholz- und Laubholz-Polter:
Gemeinsame VOC
Nadelholz- und laubholzbürtige VOC
Freilandversuche
Unterschiedliches Verhalten von Thanasimus auf die untersuchten VOC:
Besonders interessant Methylsalicylat
Elektrophyiologie
T. formicarius zeigt höhere Antennenreaktionen als I. typographus
Georg-August-Universität Göttingen – Technische Universität Dresden – Ostdeutsche Gesellschaft für Forstplanung mbH 26
Einleitung VOC-Suche Ergebnisse Diskussion
Tharandt 2018
Georg-August-Universität Göttingen – Technische Universität Dresden – Ostdeutsche Gesellschaft für Forstplanung mbH 27
Literatur
1. Zhang, Q.-H. und Schlyter, F. (2004): Olfactory recognition and behavioural avoidance of angiosperm nonhost volatiles by conifer-inhabiting barkbeetles. Agricultural and Forest Entomology, 6(1):1-20.
2. Wehnert, M. (2013): Analyse und olfaktorische Steuerung bast- und holzbesiedelnder sowie diese natürlich regulierender zoophager Insekten an Laubbäumen als Grundlage für ein zukunftsfähiges und nachhaltiges Risikomanagement. Dissertation, Technische Universität Dresden
3. li Ren, L., Balakrishnan, K., qing Luo, Y., & Schütz, S. (2017). EAG response and behavioral orientation of Dastarcus helophoroides(Fairmaire)(Coleoptera: Bothrideridae) to synthetic host-associated volatiles. PloS one, 12(12), e0190067.
4. Balakrishnan, K., Holighaus, G., Weißbecker, B., & Schütz, S. (2017). Electroantennographic responses of red flour beetle Tribolium castaneumHerbst (Coleoptera: Tenebrionidae) to volatile organic compounds. Journal of Applied Entomology, 141(6), 477-486.
Abbildung
1. Sarah Köngeter
2. Kartendaten © 2017 GeoBasis-DE/BKG (©2009), Google
3. Lena-Marie Simon
4. Ren, L., Balakrishnan, K., Luo, Y., und Schutz, S. (2017). EAG response and behavioral orientation of Dastarcus helophoroides (Fairmaire) (Coleoptera: Bothrideridae) to synthetic host-associated volatiles. PLoS one, 12(12):e019006
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Vielen Dank für ihre
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