The European corn borer (Ostrinia nubilalis, Hbn.), its susceptibility to the Bt-toxin Cry1F, its pheromone races and its gene flow in Europe in view of an insect resistance management

Gaspers, Claudia; Schuphan, Ingolf

doi:30428

The European corn borer (Ostrinia nubilalis, Hbn.), its susceptibility to the Bt-toxin Cry1F, its pheromone races and its gene flow in Europe in view of an insect resistance management = Der Maiszünsler (Ostrinia nubilalis, Hbn.), seine Suszeptibilität bezüglich des Bt-Toxins Cry1F, seine Pheromonrassen und sein Genfluss in Europa im Hinblick eines Insekten-Resistenz-Managements

Gaspers, Claudia

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Claudia Gaspers

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schuphan, Ingolf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-10-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-33416
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229060/files/3341.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Maiszünsler (Genormte SW) ; Bt-Mais (Genormte SW) ; Resistenzbestimmung (Genormte SW) ; Genfluss (Genormte SW) ; Nutzpflanzen (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Ostrinia nubilalis (frei) ; Bt-Mais (frei) ; Insekten-Resistenz-Management (frei) ; Bt-maize (frei) ; insect-resistance-management (frei) ; insect resistance management (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Der Anbau von Bt-Mais, welcher lepidopteren-spezifische Toxine expremiert, ist eine der vielversprechendsten und effektivsten Methoden zur Kontrolle des Maisschädlings Ostrinia nubilalis, (European corn borer; „ECB“). Da Insekten jedoch bisher Resistenzen gegenüber allen Hauptklassen chemischer Insektizide entwickelt haben, ist es erforderlich ein Insekten-Resistenz-Management (IRM) durchzuführen, um diese Technologie nachhaltig nutzen zu können. Solch eine Resistenz-Entwicklung gegen mehrere Bt-Toxine gilt aufgrund des steigenden Anbaus von Bt-Pflanzen seit 1996 in den USA und seit 1998 in Europa (Spanien) als wahrscheinlich. Um eine Resistenz-Entwicklung frühzeitig zu erkennen und ihr entgegenzuwirken, scheint ein Monitoring der Basis-Suszeptibilität des Zielschädlings und die Implementierung der „high-dose/refuge“ (HDR) Strategie effektiv zu sein. Die HDR-Strategie beinhaltet den Anbau von Bt-Mais, der das Toxin in hohen Konzentrationen expremiert, kombiniert mit der Bereitstellung von Refugien. Für einen Erfolg der HDR-Strategie sind jedoch Grundvoraussetzungen wie z.B. ein geringes Auftreten und eine rezessive Vererbung der Resistenz, essentiell. Basis-Suszeptibilitäts-Studien sind eine effiziente Methode zur Beobachtung einer Resistenz-Entwicklung weltweit. Bt-Mais, welcher das Cry1F Protein produziert, war 2003 in den USA kommerziell verfügbar. In der EU unterliegt dieser Bt-Mais noch der behördlichen Prüfung auf Zulassung. Im Hinblick auf eine ausgedehnte kommerziellen Nutzung des Cry1F Bt-Mais in Europa und in den USA wurde deshalb in dieser Arbeit die Basis-Suszeptibilität des ECB zu Cry1F für 11 europäische und 24 nordamerikanische O. nubilalis Populationen ermittelt. Die Ergebnisse zeigten geringe, jedoch für die HDR-Strategie bedeutungslose Unterschiede in der Suszeptibilität zwischen europäischen und nordamerikanischen O. nubilalis Populationen und zwischen einigen Populationen des jeweiligen Kontinents. Die Ursache dieser Unterschiede zwischen EU und US Larven beruht höchstwahrscheinlich auf natürliche Variationen, Unterschiede in den Test-Protokollen, oder auf den Gebrauch verschiedener Toxin-Chargen. Für eine erfolgreiche Implementation der HDR-Strategie werden verlässliche Daten zu Aspekten der Genetik und Biologie des ECB benötigt. Jedes resistente Insekt das aus der Bt-Pflanze stammt, sollte in der Lage sein, sich mit einem suszeptiblen Insekt aus dem Refugium zu paaren. Die Nachkommen wären dann heterozygot bezüglich der Resistenzgene, und damit suszeptibel gegenüber dem Bt-Toxin. Deshalb wurde in dieser Arbeit die Populationsstruktur von O. nubilalis bezüglich der verschiedenen Pheromonrassen, ihrer geographischen Verteilung und ihrer Assoziation mit bestimmten Wirtspflanzen untersucht. Die Verteilung der zwei Pheromonrassen des ECB in mehreren europäischen Ländern und von verschiedenen Wirtspflanzen wurde mittels GC-Analysen festgestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass Individuen von Mais-Populationen aus Italien und Griechenland überwiegend zur E-Rasse gehörten, wohingegen Populationen aus Deutschland, Frankreich, Spanien, Serbien und Kroatien, sowie eine deutsche O. nubilalis Hopfen-Population, überwiegend der Z-Rasse zuzuordnen waren. In einer deutschen Beifuss-Population konnten alle drei Pheromontypen zu gleichen Teilen nachgewiesen werden. Fast alle Populationen enthielten eine beträchtliche Anzahl an Hybriden (EZ). Nach Rassen-Determination wurden Tpi (Triosephosphat-Isomerase) Allozym-Analysen mit männlichen Insekten und mit GC-analysierten Weibchen durchgeführt. Dabei wurde deutlich, dass der Tpi-Locus nicht zuverlässig als Marker für die verschiedenen Pheromonrassen genutzt werden kann. Da die Strategie zur Verzögerung einer Resistenz zu Bt-Toxinen einen hohen Genfluss zwischen Individuen aus den transgenen und den Pflanzen aus den Refugien erfordert, wurde die genetischen Variabilität des ECB mittels Allozym-Analysen untersucht. Es wurden ECB Individuen aus 22 Gebieten in Europa und aus einem asiatischen Gebiet (Georgien) gesammelt und bezüglich ihrer Allozym-Variation in fünf Loci, welche polymorph in O. nubilalis sind, untersucht. Die Ergebnisse wiesen auf eine insgesamt geringe genetische Differenzierung hin, was auf einen hohen und homogenen Genfluss hindeutet. Im Allgemeinen unterstützen die Ergebnisse dieser Studie die Notwendigkeit der Anwendung der HDR-Strategie um eine Resistenz-Entwicklung des Schädlings in Europa und den USA zu verzögern und ihr entgegenzuwirken. Das Risiko einer Resistenz-Entwicklung ist gegeben, kann jedoch gehandhabt werden.

One of the most promising and effective method for a control of the maize pest, Ostrinia nubilalis (European corn borer; „ECB“), is the cultivation of Bt-maize, which expresses lepidoteran-specific toxins. For a sustainable use of this technology an insect resistance management (IRM) is required to delay resistance development of the target pest, because in the past insects have developed resistance to all major classes of chemical insecticides. As a consequence of the increasing cultivation of Bt-plants since 1996 in the USA and since 1998 in Europe (Spain) it is suspected that resistance against several Bt-toxins is likely. The most promising strategy to recognize and counter such a development seems to be a monitoring of the baseline susceptibility of the target pest and the implementation of the high-dose/refuge (HDR) strategy, which entails the cultivation of Bt-maize expressing high toxin concentrations in combination with setting up refuges. For the HDR strategy to be effective, further requirements (low incidence of resistance, recessive inheritance of resistance) are essential. Baseline studies are an efficient approach to observe a development of resistance world-wide. Bt-maize producing the Cry1F protein was commercially available in 2003 in the USA and is pending regulatory approval in the EU. Therefore, in this work the baseline susceptibility of ECB to Cry1F prior to a widespread commercial use of Cry1F Bt-maize in Europe and the USA was established for 11 European (EU) and for 24 North American (US) populations of O. nubilalis. The results showed small, but meaningless differences (for the HDR strategy) in the observed susceptibility between the European and North American ECB and among the various populations within each continent. The source of the differences in susceptibility between EU and US borers is most likely due to the natural variation, differentiation in the test protocols applied, or the use of different toxin batches for different bioassays. For a successful implementation of the high-dose/refuge (HDR) strategy for resistance management reliable data are needed on aspects of ECB genetics and biology. Any resistant insect emerging from the Bt-crop should be able to mate with susceptible adults emerging from the refuge. The resulting offspring will be heterozygous in terms of their resistance genes, and thus susceptible to Bt. Therefore the population structure of O. nubilalis regarding the different sex pheromone races, their spatial distribution and their association with specific host plants was investigated. GC-analysis was used to assess the distribution of the two pheromone races of the ECB in several European countries and from different host plants. The results indicated that ECB individuals from maize populations in Italy and Greece were predominantly E-race, whereas those from Germany, France, Spain, Serbia and Croatia were mostly Z-race, including a German hop population. In a German mugwort population all three pheromone types in equal parts were present. Nearly all populations contained a considerable number of hybrids (EZ) except for Pola (Serbia) and Poitiers (France) with pure Z-race. After race-determination, Tpi (Triose-phosphate-isomerase) allozyme analyses were performed with males and with GC-analysed females. The obtained results indicated that the Tpi locus cannot be reliably used as a marker for the different pheromone races as described previously. Allozyme electrophoresis was used to examine the genetic variability of the ECB for surveying the sustainability of Bt-maize, because the strategy for delaying resistance to Bt-toxins requires high gene flow between ECB from transgenic and refuge plants. ECB samples collected from 22 locations in Europe and one from Asia (Georgia) were investigated for their allozyme variation at five loci, which were known to be polymorphic in O. nubilalis. All populations were collected from maize, except one which was collected on hop. The overall genetic differentiation was low, suggesting a high and homogeneous gene flow. No obvious genetic differences could be detected between the ECB population on hop and those collected on maize, nor between the two pheromone race populations collected on maize. The overall results of this study support strongly the application of the HDR strategy to counteract and delay a pest resistance development of ECB in Europe and the US. The risk of resistance development is real but it can be managed.

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