Lesley Smarts Semiochemicals.pdf

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  • Words: 1,458
  • Pages: 32
ROTHAMSTED RESEARC H

Semiochemicals in field  experiments aiming at improved  insect pest control  Lesley Smart, Rothamsted, UK

Outline • Introduction to field trials with  semiochemicals • Three examples of the use of semiochemical  based control of pests in the field – The plant activator cis‐jasmone – Aphid alarm pheromone – Push‐pull in Africa, a complete strategy

Introduction • Develop new strategies, incorporating  semiochemicals, to minimise or replace the need for  the use of conventional insecticides in integrated  pest management (IPM)

Push‐Pull Strategy P U S H

Main crop • Less attractive crop cultivars • Repellents (non‐host volatiles, alarm pheromones,  antifeedants, intercrops)

Trap crop • More attractive cultivars / related hosts •Attractants (aggregation / sex pheromones; visual stimuli)

+ Selective control agents

P U L L

Introduction Standard conditions in the field

Introduction Pests

Introduction Trial design 6

5.5

5

A2

B1

C4

D3

D4

C3

B2

A1

10

C1

A3

D2

B4

8

12

4.5

4

3.5

3

2.5

6

2

B3

1.5

D4

A2

C1

1 1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

4

Quasi‐complete Latin square

The plant activator cis‐jasmone •

Stress related volatile plant activator that induces  plant defence mechanisms



Emitted by insect infested plants: – cotton plants damaged by Spodoptera – potato plants infested with potato aphid



Biological effects observed >24h after exposing  plants to cis‐jasmone

• •

Non‐toxic No residue as it is volatile

cis‐jasmone Birkett et al. (2000) PNAS 97: 9329‐9334.

The plant activator cis‐jasmone In laboratory and semi‐field studies we have shown that: • cis‐jasmone is directly repellent to many aphid species and attractive  to aphid parasitoids and predators  • Aphids are repelled by the volatiles emitted by treated plants and  settlement is reduced • Aphid parasitoids are attracted by the volatiles from treated plants  and parasitism is increased • Aphid development and fecundity is reduced on treated plants

Bruce et al, (2003) Outlook on Pest Management 14: p96‐98; Pickett et al, (2007) Phytochemistry 68: 2937‐ 2945; Moraes et al, (2008) Phytochemistry 69: 9‐17.

The plant activator cis‐jasmone 12 x 12m plots; treatment applied  at the onset of cereal aphid  immigration in the autumn and  spring. Sampling points on a grid, visual  counts of aphids on 100 plants or  tillers per plot made weekly.

The plant activator cis‐jasmone Reduction in colonisation in the field is not always significant, but trends are consistent 1.2

0.5

control

*

0.45

P = 0.036

P = 0.001

1 0.4

* Mean No. Aphids / Tiller

Mean No. Aphids / Tiller

cis‐jasmone 0.8

0.6

* 0.4

0.35 0.3 0.25

*

0.2 0.15 0.1

0.2

0.05 0

0 28-May

08-Jun

16-Jun

24-Jun

10-May

06-Jul

22-May

31-May

06-Jun

12-Jun

26-Jun

0.35

4.5

*

4

P = 0.063

control

3.5

Mean No. of Aphids / Tiller

Mean No. of Aphids / Tiller

15-May

cis‐jasmone

3 2.5 2 1.5

P = 0.007

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

1

0.05 0.5

0

0 21-May

30-May

04-Jun

11-Jun

20-Jun

25-Jun

02-Jul

09-Jul

01-May

Bruce et al. (2003) Pest Management Science 59: 1031‐1036

08-May

16-May

23-May

30-May

11-Jun

18-Jun

25-Jun

01-Jul

The plant activator cis‐jasmone Response to cis‐jasmone differed between wheat cultivars Solstice

Consort 

350

CJ

140

250 total aphids/400 tillers

total aphids/400 tillers

160

control

300

200 150 100

control CJ

120 100 80 60 40

50

20

0

0 01‐Jun

7

12

20

29

06‐Jul

01‐Jun

7

12

20

29

06‐Jul

Welford

Hereward 200 250 control CJ total aphids/400 tillers

total aphids/400 tillers

200

150

100

180

control

160

CJ

140 120 100 80 60 40

50

20 0

0 01‐Jun

7

12

20

29

06‐Jul

01‐Jun

7

12

20

• Suggests genetic variation in inducible traits

29

06‐Jul

The plant activator cis‐jasmone 2 unreplicated plots, both approximately 2ha, of spring peas cv. Ragtime Treatment applied by tractor mounted sprayer Samples taken weekly by Vortis suction sampler on a 6 x 6 grid  within each plot and numbers of Acyrthosiphon pisum and natural  enemies recorded

The plant activator cis‐jasmone Distribution of Acyrthosiphon pisum on 30 May 2008 34 6

28

5

4

22

3

16

2

10

1 1

2

3

4

5

Plot 1 pre‐treatment 

Golden software, Inc. Surfer

6

7

8

9

10

11

Plot 2 pre‐treatment

12

4

-2

The plant activator cis‐jasmone Distribution of Acyrthosiphon pisum on 19 June after  treatment on 13 June 2008.  120

6

110 100

5

90 80

4

70 60

3

50 40

2

30 20

1 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

10 0

Plot 1 cis‐jasmone treated           Plot 2 untreated

Aphid Alarm Pheromone (E)‐β‐farnesene

Produced by many aphid  species when attacked by  predators

Aphid Alarm Pheromone Apply 1µl of a 0.1%  solution of synthetic Eßf  in hexane and a Myzus  persicae colony will  disperse in less than 1  minute. Eßf is very unstable and  therefore difficult to  formulate for field use.

Aphid Alarm Pheromone Essential oil of Hemizygia petiolata, wild mountain sage,  contains 70% Eßf in a stabilised form. Pest aphid species were repelled by the oil in laboratory  assays, but it did not elicit the alarm response. Results in the field with a slow release dispenser formulation  were promising against a range of target aphid pests.

Bruce et al, (2005) Pest Management Science 61: 1115‐1121.

Aphid Alarm Pheromone Acyrthosiphon pisum on beans

Aphis fabae on sugar beet 60

20 15 control H. petiolata 10 5 0 03-Jul

total aphids / 300plants

400

10

16

23

mean no. aphids / plant

mean no./20 plants/plot

25

50 40 control H. petiolata

30 20 10 0

31

10-Jun

17

25

02-Jul

8

16

Sitobion avenae on wheat

350 300 250

control H. petiolata

200 150 100 50 0 31- 05- 12 May Jun

18

26

03Jul

9

16

24

Slow release dispenser

Aphid Alarm Pheromone Transgenic Arabidopsis producing Eßf

wild type

transgenic line

Beale et al, (2006) PNAS 103: 10509‐13

Eßf

Aphid Alarm Pheromone A

alarm response to  transformed plant  volatiles

120 1 min b

100

% response

b

b

80 60 40 20 a

a

0

hexane Eßf1mg/ml

Eßf 0.01mg/ml

FS12-4

wild type

Aphid Alarm Pheromone We are now developing a transgenic wheat emitting Eßf Constitutive  defence these traits are  always expressed

Induced  defence these traits need a  signal to elicit them  ‐attacking organism ‐volatile surrogate (e.g.  plant activator such as cis‐ jasmone)

Push‐pull in Africa The Problem Stem boring Lepidoptera are  responsible for the loss of 15%  of the maize yield in Sub‐ Saharan Africa, but damage is  severe in localised areas.

Chilo partellus

Busseola fusca 

Push‐pull in Africa The collaborative  project with ICIPE Kenya  identified wild host  plants, more attractive  to the moths than  maize or sorghum,  which could be used as  trap crops.  It also identified non‐ host plants, which could  be used as repellent  intercrops. Both trap and intercrop  6 x 6 quasi‐complete Latin square at Mbita Point Research Station could be used for  animal forage.

Push‐pull in Africa Main Crop

Trap Crop

Attract moths Attract natural enemies Moths are pushed away Cook et al. (2007), Ann. Rev. Ent. 52: 375

Desmodium intercrop

Push‐pull in Africa The semiochemicals involved in the  attraction of moths to the trap crop and  the repellency of the intercrop have  been identified and are monitored to  prevent any breakdown in the system. 

Push‐pull in Africa

Total farmers in 2008 = 16,197 Hassanali et al. (2008), Phil. Trans. Royal Soc. B 363: 611

Push‐pull in Africa Striga hermonthica damage to maize before emergence 24% of Sub‐ Saharan Africa is  infested with striga

Push‐pull in Africa

Desmodium No Desmodium Maize

Striga

A

B

Leaching experiment

Push‐pull in Africa Proposed mode of action ” Germination of Striga  hermonthica is stimulated Guchu et al. (2007), Phytochem. 68:  646

” Subsequent development of  striga and host colonisation is  disrupted

Push‐pull in Africa 30

% stemborer damaged plants

Maize monocrop fields Push-pull fields

25 20 15

*

10

*

500

*

*

5

No. of emerged striga/63 maize plants

400

On‐farm evaluation of push‐ pull technology (n=420)

300 200

*

100 0

*

*

*

Maize Yields (t/ha)

4 3

*

*

2

*

*

1 0

2003

2004

2005

Khan et al. (2008), Field Crops Research 106: 224

2006

Acknowledgements Members of the Chemical Ecology Group BCH Shakoor Ahmad Toby Bruce * Mike Birkett John Caulfield Keith Chamberlain James Cook Sarah Dewhirst Ruth Gordon-Weeks Mary Hamilton Tony Hooper James Logan Janet Martin * Patrick Mayon Sunday Oluwafemi John Pickett Barry Pye * Lesley Smart * Nina Stanczyk Jurriaan Ton Emma Weeks Christine Woodcock Yuhua Zhang

* The UK Field Team

Ex-Members Esayas Amosa Margaret Blight Haruna Briamah Samuel Dufour Lynda Ireland Carol Moraes Lester Wadhams Ben Webster

Collaborators Sam Cook * Ahmed Hassanali Huw Jones Zeyaur Khan Michaela Matthes Johnathan Napier Matthew Skellern * Nigel Watts *

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