A beta-glucosidase of an insect herbivore determines both toxicity and deterrence of a dandelion defense metabolite

Gut enzymes can metabolize plant defense compounds and thereby affect the growth and fitness of insect herbivores. Whether these enzymes also influence feeding preference is largely unknown. We studied the metabolization of taraxinic acid β-D-glucopyranosyl ester (TA-G), a sesquiterpene lactone of the common dandelion (Taraxacum officinale) that deters its major root herbivore, the common cockchafer larva (Melolontha melolontha). We have demonstrated that TA-G is rapidly deglucosylated and conjugated to glutathione in the insect gut. A broad-spectrum M. melolontha β-glucosidase, Mm_bGlc17, is sufficient and necessary for TA-G deglucosylation. Using cross-species RNA interference, we have shown that Mm_bGlc17 reduces TA-G toxicity. Furthermore, Mm_bGlc17 is required for the preference of M. melolontha larvae for TA-G-deficient plants. Thus, herbivore metabolism modulates both the toxicity and deterrence of a plant defense compound. Our work illustrates the multifaceted roles of insect digestive enzymes as mediators of plant-herbivore interactions.

BIODIVERSITY OF EDAPHIC FAUNA IN GRAY FOREST SOILS OF THE REPUBLIC OF MOLDOVA

Gray forest soils of the natural ecosystems in the central and northern zones of the Republic of Moldova are the habitat and the source of conservation and reproduction of the edaphic fauna. They represent themselves the standards of the biodiversity for soil invertebrates. Invertebrates sampling was carried out from test cuts by manual sampling of soil layers to the depth of soil fauna occurrence. The main content of invertebrates in gray soils under the forest was in the layer of 0-20 cm. In addition to the Lumbricidae family there were found the species of the Clubionidae, Hydromiidae, Scarabaeidae, Oniscidae, Tortricidae, Julidae, Curculionidae, Carabidae, Geophilidae, Tenebrionidae, Melandryidae and Formicidae families. Species of Eisenia rosea, Euomphalia strigella, Formica rufa, Tortrix viridana, Curculio glandium, Melolontha melolontha and others have been identified in three subtypes of gray forest soils of natural ecosystems. The long use of these soils in agricultural production led to the considerable decrease in the number and biomass of invertebrates and degradation of the faunal complex in general. The number of families decreased from 6-12 to 1-3. Species of Lumbricidae, Elateridae, Tortricidae and Coccinellidae have been found in arable gray forest soils. The trophic pyramids are stable in the typical virgin gray soil. The relationship between trophic levels of the edaphic fauna in the typical gray forest soil is stronger in comparison with albic and molic gray forest soils.

Nanopore-Sequencing Characterization of the Gut Microbiota of Melolontha melolontha Larvae: Contribution to Protection against Entomopathogenic Nematodes?

This study focused on the potential relationships between midgut microbiota of the common cockchafer Melolontha melolontha larvae and their resistance to entomopathogenic nematodes (EPN) infection. We investigated the bacterial community associated with control and unsusceptible EPN-exposed insects through nanopore sequencing of the 16S rRNA gene. Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria, and Bacteroidetes were the most abundant bacterial phyla within the complex and variable midgut microbiota of the wild M. melolontha larvae. The core microbiota was found to include 82 genera, which accounted for 3.4% of the total number of identified genera. The EPN-resistant larvae differed significantly from the control ones in the abundance of many genera belonging to the Actinomycetales, Rhizobiales, and Clostridiales orders. Additionally, the analysis of the microbiome networks revealed different sets of keystone midgut bacterial genera between these two groups of insects, indicating differences in the mutual interactions between bacteria. Finally, we detected Xenorhabdus and Photorhabdus as gut residents and various bacterial species exhibiting antagonistic activity against these entomopathogens. This study paves the way to further research aimed at unravelling the role of the host gut microbiota on the output of EPN infection, which may contribute to enhancement of the efficiency of nematodes used in eco-friendly pest management.

A beta-glucosidase of an insect herbivore determines both toxicity and deterrence of a dandelion defense metabolite

Gut enzymes can metabolize plant defense metabolites and thereby affect the growth and fitness of insect herbivores. Whether these enzymes also influence herbivore behavior and feeding preference is largely unknown. We studied the metabolization of taraxinic acid β-D-glucopyranosyl ester (TA-G), a sesquiterpene lactone of the common dandelion (Taraxacum officinale) that deters its major root herbivore, the common cockchafer larva (Melolontha melolontha). We demonstrate that TA-G is rapidly deglycosylated and conjugated to glutathione in the insect gut. A broad-spectrum M. melolontha β-glucosidase, Mm_bGlc17, is sufficient and necessary for TA-G deglycosylation. Using plants and insect RNA interference, we show that Mm_bGlc17 reduces TA-G toxicity. Furthermore, Mm_bGlc17 is required for the preference of M. melolontha larvae for TA-G deficient plants. Thus, herbivore metabolism modulates both the toxicity and deterrence of a plant defense metabolite. Our work illustrates the multifacteted roles of insect digestive enzymes as mediators of plant-herbivore interactions.

Development of a SNP-based tool for the identification and discrimination of Melolontha melolontha and Melolontha hippocastani

The European (Melolontha melolontha L.) and Forest (M. hippocastani F.) cockchafer are widespread pests throughout Central Europe. Both species exhibit a 3–5-year life cycle and occur in temporally shifted populations, which have been monitored and documented for more than 100 years. Visual identification of adults and larvae belonging to these morphologically similar species requires expertise and, particularly in the case of larvae, is challenging and equivocal. The goal of the study was the development of an efficient and fast molecular genetic tool for the identification and discrimination of M. melolontha and M. hippocastani. We established a collection of both species from Switzerland, Austria and Northern Italy in 2016, 2017 and 2018. An approximately 1550 bp long fragment of the cytochrome c oxidase subunit 1 (CO1) mitochondrial gene was amplified and sequenced in 13 M. melolontha and 13 M. hippocastani beetles. Alignment of the new sequences with reference sequences (NCBI GenBank and BOLDSYSTEMS databases) and subsequent phylogenetic analysis revealed consistent clustering of the two species. After the identification of M. melolontha and M. hippocastani species-specific single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the CO1 alignment, we developed an effective SNP tool based on the ABI PRISM® SNaPshot™ Multiplex Kit for the rapid and accurate species discrimination of adults and larvae.

ВИДОВИЙ СКЛАД ШКІДЛИВОЇ ЕНТОМОФАУНИ БУРЯКА СТОЛОВОГО В ПОЛІССІ УКРАЇНИ

Мета. Встановити видовий склад шкідливої ентомофауни буряка столового в зоні Полісся України в залежності від сортових особливостей культури та виділити серед них домінуючі види. Методи. Польові, лабораторні, математично-статистичні, розрахункові. Результати. На основі багаторічного моніторингу в зоні Полісся України вперше встановлено видовий склад шкідливої ентомофауни буряка столового в залежності від стиглості сорту культури, виділено 9 домінуючих видів та визначена їх чисельність. Досліджено, що в посівах буряка столового найсприятливіші умови були для розвитку таких фітофагів, як бурякова листкова попелиця, частка якої у видовому складі становила 18,2 %, звичайна бурякова блішка – 7,8 %, бурякова мінуюча муха – 3,4 %, совки (озима – 5,8 %, люцернова – 10,8 %), ковалики (темний – 4,6 %, смугастий – 4,3 %), західний травневий хрущ – 4,6 %, мертвоїд темний – 0,3 % та ківсяки – 22,5 %. Висновки. Визначено, що в Поліссі України у таксономічній структурі шкідливого ентомокомплексу домінували фітофаги із рядів Coleoptera (ковалик темний – Agriotes obscurus L., ковалик смугастий – Agriotes lineatus L., західний травневий хрущ – Melolontha melolontha L., звичайна бурякова блішка – Chaetocnema concinna March) – 34,3 %, Homoptera (бурякова листкова попелиця – Aphis fabae Scop.) – 17,1 %, Lepidoptera (совка озима – Scotia segetum Schiff, совка люцернова – Heliothis viriplaca Hfn.) – 16,3 % та Diptera (бурякова мінуюча муха – Pegomyіa betae Curt.) – 6,3 %. Серед них є як багатоїдні, так і спеціалізовані види. Із класу Diplopoda значної шкоди завдавали ківсяки (ряд Julida – 22,5 %). Досліджено, що ранньостиглі сорти буряка столового більшою мірою заселяли ґрунтові шкідники (личинки коваликів за чисельності 4 екз./м2, західного травневого хруща – 1,9 екз./м2 , совки озимої – 2,4 екз./м2); пізнього терміну дозрівання – шкідники надземних органів (звичайна бурякова блішка – 3,3 екз./м2, бурякова мінуюча муха – 1,3 екз./рослину,гусениці совки люцернової – 3,7 екз./м2, бурякова листкова попелиця –20,5 %).

Effectiveness of the Entomopathogenic Fungal Species Metarhizium anisopliae Strain NCAIM 362 Treatments against Soil Inhabiting Melolontha melolontha Larvae in Sweet Potato (Ipomoea batatas L.)

The effect of fungal entomopathogen M. anisopliae strain NCAIM 362 against M. melolontha larvae in sweet potato was tested under open field conditions when crop management included compost supply and soil cover (agro-foil or agro-textile). Additionally, the effect of M. anisopliae same strain against M. melolontha was compared with the effect of α-cypermethrin under greenhouse conditions. Soil microbial community using Illumina sequencing and soil biological activity were tested as possible parameter influencing M. anisopliae effect. According to the results, compost supply and textile cover may enhance the effectiveness of M. anisopliae under open field conditions, while no effect of fungal treatment was detected under greenhouse conditions. Even if soil parameters (chemical composition, bacterial, and biological activity) were identical, the effect of α-cypermethrin against M. melolontha larvae was significant: lower ratio of larval survival and less damaged tubers were detected after the chemical treatment. Our results suggest that M. anisopliae strain NCAIM 362 is not effective to control M. melolontha larvae, further pieces of research are needed to test other species of the Metarhizium genus to find an effective agent for sustainable pest control in sweet potato.

РЕПРОДУКТИВНІ ТА ПРОСТОРОВІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОПУЛЯЦІЙ ХРУЩІВ (SCARABAEIDAE, MELOLONTHINAE), ВАЖЛИВІ ДЛЯ ОПТИМІЗАЦІЇ СИСТЕМИ ЗАХИСТУ СОСНИ ЗВИЧАЙНОЇ

Останніми роками відбувається збільшення популяцій травневих хрущів. Це тісно пов’язано з ри-зиками функціонування розсадників та молодих культур сосни. Для оптимізації технології захисту необхідно мати чітке уявлення про особливості біоекології фітофагів (Melolontha melolontha L., Melolontha hippocastani F., Polyphylla fullo L., Anoxia pilosa F., Amphimallon volgensis Fisch.), зокрема щодо формування репродуктивного потенціалу самиць хрущів, динаміки їх яйцекладки, життєздат-ності яєць, пошарової локалізації яєць, личинок та діапаузуючих лялечок у ґрунті. Тому саме їх дослі-дження і було метою роботи. Дослідження проводили в типових умовах центрального Лісостепу. Для визначення кормової цінності листя деревних культур самиць розташовували в сітчастих садках з листям дубу черешчатого, тополі білої, берези повислої, яблуні, суцвіття сосни звичайної. З ме-тою визначення глибини залягання яєць, личинок та лялечок проводили пошарово: 0–10, 11–20, 21–30, 31–40, 41–50, 51–60, 61–75, 76–90, 91, 91–130, 131–150 см розкопки на ділянках 0,25 м2. Кількість точок обліку 50. Встановлено, що за плодючістю самиць листя дубу черешчатого є оптимальним субстратом, самиці ж, які живились суцвіттям сосни звичайної також характеризуються значним репродуктивним потенціалом. Встановлено динаміку яйцекладки. Перший період триває 5–7 днів. Самиці в цей період відкладають від 17,8 до 29,4 % яєць. Фізіологічно повноцінні яйця самиці відкла-дають у період масової яйцекладки, яка триває 12–14 днів. Третій період яйцекладки 4–7 днів – са-миці відкладають значну кількість фізіологічно неповноцінних яєць. Найбільшу загрозу насадженням представляють личинки, що відродились з яєць, відкладених у період масової яйцекладки. Залежно від глибини розташування, найбільшу життєздатність мають яйця, відкладені в шарі до 30 см, зага-лом, у поверхневому шарі (10 см) та шарі (31–40 см) яйця найбільш уразливі до впливу абіотичних та біотичних регуляторів. Розподіл личинок у ґрунті показує, що у травні найбільш технологічною для внесення біопрепаратів є глибина 10–30 см – в цьому шарі концентрується до 75 % личинок; у червні – липні до 20 см; на початку серпня вносити препарати доцільно на глибину 20–40 см – концентрація личинок становить до 88 %; наприкінці серпня та протягом усього вересня личинки тримаються у шарах до 30 см – 60–88 %, наприкінці вересня та у жовтні–листопаді основна кількість личинок – до 85 % зосереджується на глибині зимівлі 50–75 см, тобто внесення препаратів на цю глибину техно-логічно невиправдане. Показано, що на глибині до 7 см концентрувалося тільки 11,8 % популяції ля-лечок. Рівень їх загибелі на період весняної реактивації становить 65,2%. Наступні прошарки ґрунту 8–15, 16–24 та 25–35 см містили 80,6 % лялечок. Рівень їх загибелі 14,3–15,4 %. Загалом, життєз-датна частина популяцій хрущів становить 84,6–85,7 %, яка і є реальною загрозою насадженням.

Adapted dandelions trade dispersal for germination upon root herbivore attack

A plant's offspring may escape unfavourable local conditions through seed dispersal. Whether plants use this strategy to escape insect herbivores is not well understood. Here, we explore how different dandelion ( Taraxacum officinale agg.) populations, including diploid outcrossers and triploid apomicts, modify seed dispersal in response to root herbivore attack by their main root-feeding natural enemy, the larvae of the common cockchafer Melolontha melolontha. In a manipulative field experiment, root herbivore attack increased seed dispersal potential through a reduction in seed weight in populations that evolved under high root herbivore pressure, but not in populations that evolved under low pressure. This increase in dispersal potential was independent of plant cytotype, but associated with a reduction in germination rate, suggesting that adapted dandelions trade dispersal for establishment upon attack by root herbivores. Analysis of vegetative growth parameters suggested that the increased dispersal capacity was not the result of stress flowering. In summary, these results suggest that root herbivory selects for an induced increase in dispersal ability in response to herbivore attack. Induced seed dispersal may be a strategy that allows adapted plants to escape from herbivores.