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DEFENDASH - Implications of intraspecific genetic variation and drought stress for the interaction of European ash with two invasive pest species

Applicant Gossner Martin
Number 189075
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Swiss Federal Research Inst. WSL Direktion
Institution of higher education Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research - WSL
Main discipline Environmental Research
Start/End 01.04.2020 - 31.03.2023
Approved amount 525'000.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Environmental Research
Other disciplines of Environmental Sciences

Keywords (11)

Emerald ash borer; invasion ecology; drought stress; forest health; intraspecific genetic variability; defense tradeoff; ash dieback; European ash; invasive species; climate change; multi-species interaction

Lay Summary (German)

Lead
DEFENDASH -Die Auswirkung von genetischer Baumvariabilität und Trockenstress auf multitrophische Interaktionen mit zwei invasive EschenschädlingeDer Eschenprachtkäfer und das von einem invasiven Pilz übertragen Eschentriebsterben bedrohen die Europäische Esche. Zunehmende Dürreperioden schwächen Baumbestände tendenziell zusätzlich und machen sie so möglicherweise noch anfälliger für invasive Schädlingsarten. Das Projekt untersucht in einem ersten Schritt ob pilzresistente Eschengenotypen auch eine erhöhte Resistenz gegen den Eschenprachtkäfer aufweisen. In einem zweiten Schritt werden die direkten und indirekten Abwehrmechanismen von Eschengenotypen, welche in Käferresistenz variieren, unter verschiedenen Stressszenarien charakterisiert.
Lay summary

Globaler Handel und zunehmende Extremwetterereignisse wie Dürren begünstigen die Ausbreitung von invasive Schädlingsarten, welche zu Waldsterben und Ökosystemstörungen beitragen können. Ein invasiver Pilz, der zum Eschentriebsterben führt, beeinträchtigt die Esche in ihrer Ausbreitung und Entwicklung stark. Zudem führte in den U.S.A. der invasive asiatische Eschenprachtkäfer zu einem massiven Eschensterben. Vor einigen Jahren wurde der Käfer auch in Osteuropa nachgewiesen und ist daher eine zusätzliche potentielle Gefahr für europäische Eschenbestände.

Die direkten und indirekten Abwehrmechanismen der Europäischen Esche gegen Schädlinge sind nicht gut untersucht. Einzelne Eschen (Genotypen) weisen aufgrund von genetischen Unterschieden erhöhte Resistenzen gegenüber dem Eschentriebsterben auf. Es ist jedoch unklar, ob diese Genotypen auch eine erhöhte Resistenz gegen den Eschenprachtkäfer besitzen und in wie fern mögliche Resistenzmechanismen durch Trockenstressereignisse beeinflusst werden.

In einer ersten Phase werden verschiedene Eschengenotypen, die unterschiedliche Resistenzen gegen das Eschentriebsterben aufweisen, auf deren Widerstandsfähigkeit gegen den Eschenprachtkäfer getestet. Dies soll aufzeigen ob pilzresistente Eschen auch eine erhöhte Resistenz gegen den Käfer besitzen. Eine Untergruppe an Genotypen, welche eine Spannbreite an Resistenzniveaus gegen den Eschenprachtkäfer aufweist, wird in einer zweiten Phase dazu benutzt um die chemische Abwehr und Duftstoffe der Europäischen Esche, unter Schädlingsbefall als auch unter Trockenstress zu charakterisieren. In einem letzten Schritt wird untersucht ob Eschenduftstoffe vom Käfern bzw. dessen natürlichen Feinde, parasitoide Wespen, zur Lokalisation geeigneter Wirte benutzt werden können. In Verhaltenstests wird analysiert ob sich die Duftstoffe von unterschiedlichen Eschengenotypen die unterschiedlichen Stressszenarien ausgesetzt sind in ihrer Wirkung unterscheiden.

Direct link to Lay Summary Last update: 15.10.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Abstract

Forest loss caused by invasive species is of global concern. In Europe, negative impacts of invasive organisms on forest ecosystems are expected to be reinforced by climate change-related extreme weather events such as intensive droughts. A serious future threat for European forests, and for European ash (Fraxinus excelsior) in particular, is the emerald ash borer (EAB), Agrilus planipennis, a wood-boring beetle which so far killed millions of ash trees in the USA and more recently also started to cause substantial damage in Russia, which might have been facilitated by several extreme hot and dry summers. Furthermore, F. excelsior is decimated by the invasive “Ash dieback” (ADB) causing fungus Hymenoscyphus fraxineus which is rapidly spreading across Europe. Both invasive species originate from East Asia where they co-exist with a range of tolerant Asian ash species. European and North American ash species in contrast, are highly susceptible to both organisms. Plant defenses can play a key role for the establishment of invasive species since inefficient or lacking defense mechanisms in evolutionarily naïve plant hosts can benefit invasive organisms. Fraxinus spp. possesses several potential defense mechanisms against EAB. Drought stress can affect ash defenses leading to increased EAB performance. While the defense mechanism of Asian and North American ash species against EAB are relatively well characterized not much is known about the defense of European ash. Furthermore, the impact of intraspecific genetic variation on ash defense expression in general has so far been ignored. This is surprising since it is highlighted that many tree species, including F. excelsior, maintain large intraspecific genetic variability. Thus, genetic variation in defense traits among F. excelsior genotypes might be a key factor affecting ash-EAB interactions. Increased attention has been paid to the role of genotypic variation in affecting the resistance of European ash to ADB. It has been found that a limited number of ash genotypes show increased resistance against the fungal pathogen and that resistance is inherited. Previous research suggested that ADB resistance might trade off with EAB resistance but the impact of such potential tradeoffs on ash-EAB interactions are currently unclear. The objective of this proposal is to investigate how intraspecific genetic variation in F. excelsior as well as drought stress and biotic stress might affect the establishment and performance of an invasive insect pest i.e. EAB. An EAB resistance screening will be conducted by quantifying EAB performance on various F. excelsior genotypes varying in susceptibility to ADB. This will inform us if increased ADB resistance affects resistance against EAB. A subset of ash genotypes varying in EAB resistance will be used to test how intraspecific genetic variation and EAB and ADB-caused stress as well as drought stress affect potential direct resistance traits in ash. Volatile organic compound (VOC) profiles of differently treated ash trees will be analyzed and choice assays with mated EAB females and EAB-parasitoids will be conducted in order to study how intraspecific genetic variability in ash and biotic and abiotic stressors, can affect VOCs and host finding behavior of EAB and its natural enemies. We will mainly work with beetles from an EAB rearing in Canada, but we will test key outcomes also on Russian EAB which are the most relevant threat for Europe’s forests. Overall, the outcome of the proposed research will provide novel insights in how genetic and environmental factors shape complex multi-trophic/multi-kingdom interactions and how this can affect the establishment and performance of an invasive insect pest in Europe. By potentially identifying ash genotypes with naturally increased defensive traits, our project could contribute to an efficient and sustainable long-term solution to minimize the spread of EAB and to sustain European ash.
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