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Entomopathogenic fungi as a new strategy to control the European cherry fruit fly Rhagoletis cerasi Loew (Diptera: Tephritidae)

Daniel, Claudia (2009) Entomopathogenic fungi as a new strategy to control the European cherry fruit fly Rhagoletis cerasi Loew (Diptera: Tephritidae). PhD thesis, Technische Universität München, Freising-Weihenstephan . .

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Document available online at: https://mediatum2.ub.tum.de/node?id=673833


The European cherry fruit fly, Rhagoletis cerasi Loew (Diptera: Tephritidae), is a highly destructive pest of sweet cherries in Europe. Up to 100% of the fruit can be infested. Methods for controlling this pest are limited in organic agriculture as well as in integrated production, as the insecticide currently used (Dimethoate) is being challenged due to problems of ecotoxicity and residues. Alternative methods for cherry fruit fly management are therefore needed. The aim of this thesis was to develop a new control strategy for R. cerasi using entomopathogenic fungi.
In a first step, the effects of six fungus isolates on the mortality of different life stages of R. cerasi were assessed in a series of laboratory experiments. All fungus isolates caused mycosis in R. cerasi larvae and adults. These results are the first evidence of the susceptibility of R. cerasi to infection with hyphomycetous fungi. Because the flies for the laboratory experiments were collected from different locations in northwestern Switzerland, susceptibility to entomopathogenic fungi can be assumed for the cherry fruit fly population in the whole region. Although all fungus isolates tested were pathogenic to adults and larvae, virulence varied considerably among fungus isolates and R. cerasi life stages. The effects on L3 larvae were negligible; none of the fungus isolates induced mortality in more than 25% of the larvae. In contrast, adult flies were found to be highly susceptible to all fungus isolates (Metarhizium anisopliae 714, M. anisopliae 786, Isaria fumosorosea 531, I. fumosorosea Apopka 97 and Beauveria bassiana ATCC 74040) except Isaria farinosa 954. The high mortality of 90 to 100% induced by B. bassiana and I. fumosorosea during the pre-oviposition period led to significantly reduced oviposition. Higher conidia concentrations generally led to higher mortality. B. bassiana was the most effective isolate at low concentrations. Young flies showed lower mortality rates than older flies, but effects on egg eclosion rate were greatest young flies treated zero to one day after emergence. A fly-to-fly conidia transmission could not be proven after treatment of flies with a conidia suspension. Soil treatments with entomopathogenic fungi to infect emerging flies were also effective. Although the adult emergence rate was not reduced, flies emerging from treated soil showed a mortality of 42 to 83%. The oviposition rate was thus reduced by 29 to 73%, depending on the fungus isolate.
In a second step, different field application strategies were considered: soil treatments with entomopathogenic fungi to control emerging adults, the use of auto-inoculative devices for attract-and-kill strategies, and on-plant application as mycoinsecticides. Because the two American cherry fruit fly species Rhagoletis indifferens and Rhagoletis cingulata were introduced in Europe in the 1980s and because the isolates of entomopathogenic fungi selected for R. cerasi might show a different virulence on these species, the field experiments were accompanied by a four-year monitoring campaign for these species. The results of the campaign indicate that the population density of the American species is very low (<0.001%) in commercial sweet cherry orchards in northwestern Switzerland.
Soil treatments with biocontrol agents can only be effective if fly migration between differently treated trees is low. In order to examine the general potential of soil treatments, experiments using netting to cover the soil were conducted in two years and in two different orchards. The netting reduced fruit infestation by 91%. In addition, it was shown that the flies move only very short distances (less than 5 m) within orchards. In general, soil treatments areconsidered to be a promising strategy for controlling R. cerasi. The efficacy of soil treatments using different formulations of entomopathogenic fungi was evaluated in semi-field trials. Soil treatments with barley grain-formulated entomopathogenic fungi had no effect on fly emergence rate. However, adult mortality was significantly increased. The oviposition rate was thus reduced by up to 90%. In conclusion, the experiments provide first evidence that control of adult R. cerasi is possible with soil treatments under field conditions in temperate zones. A further development of this control strategy seems worthwhile for fungus isolates tested, B. bassiana and M. anisopliae. However, the results of the one year semi-field experiments do not allow general conclusions.
Another approach to bring the flies in contact with entomopathogenic fungi is the use of autoinoculative devices in an attract-and-kill strategy. For an effective attract-and kill strategy, however, highly attractive traps and baits are an essential prerequisite. The attractiveness of baits was therefore evaluated using yellow sticky traps in combination with different baits in field experiments in three years and in five different orchards. Although some baits were able to double the number of captured flies, the response of the flies to the various baits was low overall. More effective baits are needed in order for their application to be economical.
On-plant application of mycoinsecticides is another method for exposing the flies to entomopathogenic fungi. Foliar applications of B. bassiana (product Naturalis-L) at seven day intervals significantly reduced the number of infested fruit by 60 to 70%. Flight activity monitored by yellow sticky traps was only slightly affected by treatments. Infection of flies under field conditions was shown to be possible. The results were obtained from five experiments in two years with considerably different weather conditions and in different orchards with different flight intensities of R. cerasi. The other treatments tested (PreFeRal®WG containing I. fumosorosea and extensive application regime of Naturalis-L) were less effective. In order to evaluate a possible repellent effect of formulation additives contained in the oil-based formulation of the product Naturalis-L, laboratory, semi-field and field experiments were conducted using Naturalis-L, additives of Naturalis-L and other oil products. Observations of fly behaviour in the laboratory experiments revealed that oil products had an oviposition deterring effect: flies frequently landed on treated fruit and started their typical oviposition behaviour; however, due to the slippery, oily fruit surface, the flies were not able to penetrate the skin with their ovipositors. The rate of successful oviposition was thus reduced. Under field conditions, however, rape oil products degrade too rapidly to provide good control. For the product Naturalis-L, these results suggest a dual mode of action: (1) some flies are killed due to fungus infection and (2) sub-lethally infected and weakened flies might be overtaxed by the oily film on the fruit surface and therefore unable to oviposit.
In conclusion, the application of Naturalis-L (B. bassiana) is a suitable and economically feasible strategy for controlling R. cerasi. Naturalis-L is currently registered for cherry fruit fly control in Italy and Switzerland. For good efficacy, four treatments of 0.25% Naturalis-L with 1000 l water per hectare should be applied at seven to ten day intervals beginning five to ten days after the beginning of the flight period until seven days before harvest. In extensively managed standard trees, R. cerasi management is still difficult, and Naturalis-L applications are not recommended due to possibly insufficient fruit coverage in the upper canopy. Further research is needed to evaluate whether soil treatments with barley grain-formulated fungi could be a viable strategy for controlling R. cerasi in these orchards.

Summary translation

Die Kirschfruchtfliege, Rhagoletis cerasi Loew (Diptera: Tephritidae), ist der Hauptschädling im europäischen Kirschenanbau. Die Bekämpfungsmöglichkeiten sind jedoch beschränkt. Für den Öko-Anbau stehen bisher keine effizienten Bekämpfungsmethoden zur Verfügung und die integrierte Produktion steht vor dem Problem, dass die gängigen Insektizide (Dimethoate) wegen Rückstands- und Nebenwirkungsproblemen vom Markt genommen werden. Neue Lösungen sind also gefragt! Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Bekämpfungsstrategie auf der Basis von entomopathogenen Pilzen.
In einem ersten Schritt wurden mehrere Laborexperimente durchgeführt, um die Wirkung verschiedener Pilzstämme auf verschiedene Lebensstadien von R. cerasi zu untersuchen. Dabei erwiesen sich alle geprüften Pilzstämme als pathogen für Larven und Adulte. Diese Ergebnisse sind der erste Nachweis, dass eine Infektion von R. cerasi durch Hyphomyceten möglich ist. Obwohl alle Pilzstämme pathogen waren, gab es beträchtliche Unterschiede in der Virulenz, wie auch bezüglich der Anfälligkeit der verschiedenen Lebensstadien von R. cerasi. L3 Larven waren kaum anfällig: nur 25% der Larven starben nach der Infektion. Im Gegensatz dazu erwiesen sich adulte Fliegen als hochanfällig für alle geprüften Pilzstämme (Metarhizium anisopliae 714, M. anisopliae 786, Isaria fumosorosea 531, I. fumosorosea Apopka 97 and Beauveria bassiana ATCC 74040), außer Isaria farinosa 954. Die hohe pilzbedingte Mortalität (90 bis 100%) der Fliegen hatte eine signifikant reduzierte Eiablage zur Folge. Höhere Konidienkonzentrationen führten zu einer höheren Mortalität, wobei B. bassiana bei niedrigen Konzentrationen tendenziell am besten wirkte. Bei jüngeren Fliegen wurden geringere Mortalitätsraten beobachtet, als bei älteren. Die Wirkung auf die Eifertilität war jedoch bei jüngeren Fliegen (0-1 Tag alt) am ausgeprägtesten. Bodenbehandlungen gegen schlüpfende Fliegen brachten ebenfalls vielversprechende Ergebnisse: die Mortalität der geschlüpften Fliegen war signifikant erhöht, was zu einer reduzierten Eiablage führte.
In einem zweiten Schritt wurden verschiedene Anwendungsstrategien für den Freilandeinsatz geprüft: Bodenbehandlungen gegen schlüpfende Fliegen, die Anwendung einer Attract&Kill-Strategie, sowie die Behandlung der Bäume mit Pilzsporen. Da neben R. cerasi die beiden amerikanischen Kirschfruchtfliegenarten, Rhagoletis indifferens und Rhagoletis cingulata, in Europa beobachtet wurden und da die selektierten Pilzstämme möglicherweise eine schlechtere Wirkung gegen diese Arten zeigen, wurden die Freilandversuche von einem vierjährigen Überwachungsprogramm für diese Arten begleitet. Bisher ist der Besatz mit amerikanischen Kirschfruchtfliegen in den Obstanlagen der Nordwestschweiz jedoch sehr gering (<0.001%).
Bodenbehandlungen gegen schlüpfende Fliegen können nur erfolgreich sein, wenn die Migration der Kirschfruchtfliegen gering ist. Um die grundsätzliche Wirksamkeit von Bodenbehandlungen zu erfassen, wurden Freilandversuche mit Netzabdeckungen am Boden unter den Kirschbäumen durchgeführt. In beiden Versuchsanlagen, sowie in beiden Versuchsjahren reduzierte die Bodenabdeckung die Flugaktivität signifikant. Zudem zeigte sich, dass die Fliegen innerhalb einer Obstanlage nur sehr kurze Distanzen wandern (<5 m). Der Befall mit Maden wurde durch die Bodenabdeckung um 91% gesenkt. Ausgehend von diesen Resultaten wurde die Wirkung von Bodenbehandlungen mit entomopathogenen Pilzen gegen schlüpfende Fliegen in Halbfreilandversuchen untersucht. Die auf Gerstenkörnern formulierten Pilzstämmen erhöhten die Mortalität der geschlüpften Fliegen, was eine zu 90% reduzierte Eiablagerate zur Folge hatte. Diese Versuche zeigen zwar erstmals, dass eine Regulierung der Kirschfruchtfliege über Bodenbehandlungen mit entomopathogenen Pilzen unter Freilandbedingungen möglich ist, da die Resultate nur auf einem Versuchsjahr und einem Standort beruhen, sind verallgemeinernde Schlussfolgerungen verfrüht. Eine weitere Prüfung dieser Strategie wäre jedoch lohnend.
Ein weiterer Ansatz, um die Fliegen unter Freilandbedingungen in Kontakt mit den Pilzsporen zu bringen, ist die Anwendung einer Attract&Kill-Strategie. Da für die Anlockung der Fliegen hochattraktive Köder notwendig sind, wurde die Wirkung verschiedener Fallen und Köder über drei Jahre in fünf verschiedenen Versuchsanlagen untersucht. Obwohl einige Köder die Fangzahlen der gelben Leimfallen verdoppeln konnten, ist die Wirkung für einen effizienten Massenfang oder für funktionierendes Attract&Kill Verfahren zu gering.
Die Behandlung der Bäume mit Sporensuspensionen von entomopathogenen Pilzen ist eine weitere Möglichkeit, um die Fliegen im Freiland zu infizieren. Regelmäßige Spritzungen (alle sieben Tage) von B. bassiana (Produkt Naturalis-L) konnten den Befall der Früchte mit Maden um 60 bis 70% reduzieren. Die mit Leimfallen überwachte Flugaktivität ging nach der Behandlung leicht zurück. An den gefangenen Fliegen konnten Pilzinfektionen nachgewiesen werden. Die Versuche in zwei Jahren und in fünf verschiedenen Obstanlagen konnten zeigen, dass diese Wirkung auch unter verschiedenen Wetterbedingungen und bei verschiedenen Befallsstärken der Kirschfruchtfliege gegeben ist. Die anderen geprüften Verfahren (Behandlung mit I. fumosorosea, Produkt: PreFeRal®WG, sowie extensive Applikationsstrategie von Naturalis-L) zeigten weniger befriedigende Resultate.
Da die Konidien von B. bassiana im Produkt Naturalis-L in einer öligen Formulierung vorliegen, wurden die Nebenwirkungen der Formulierungshilfsstoffe und anderer Ölprodukte auf die Eiablage von R. cerasi untersucht. Die Beobachtungen im Labor zeigten, dass Ölprodukte die Eiablage der Fliegen verhindern: Die Fliegen landeten zwar wiederholt auf behandelten Früchten und versuchten Eier zu legen, fanden aber auf der öligen, rutschigen Oberfläche nicht genügend Halt, um mit ihrem Legeapparat die Fruchthaut zu penetrieren. Die Anzahl abgelegter Eier war daher deutlich reduziert. Bei den Halbfreiland- und Freilandversuchen zeigte sich jedoch, dass Ölprodukte auf der Fruchtoberfläche recht schnell abgebaut werden und daher nur sehr kurzzeitig Schutz bieten. Für das Produkt Naturalis-L deuten diese Ergebnisse auf einen dualen Wirkungsmechanismus hin: einerseits werden die Fliegen durch die Pilzinfektion abgetötet, andererseits wird den sublethal geschädigten Individuen die Eiablage durch den Belag auf den Früchten zusätzlich erschwert.
Zusammenfassend kann man sagen, dass mit der Applikation von Naturalis-L (Beauveria bassiana) eine wirksame Strategie zur Bekämpfung von R. cerasi zur Verfügung steht. Naturalis-L ist seit 2008 für diese Indikation in der Schweiz und Italien zugelassen. Für eine gute Wirkung gegen die Kirschfruchtfliege, sollte Naturalis-L beginnend fünf bis zehn Tage nach Flugbeginn bis sieben Tage vor der Ernte in 7-tägigen Abstand mit einer Konzentration von 0.25% (1000 l Wasser pro Hektar) appliziert werden. Bei Hochstammbäumen, wo eine gute Benetzung der oberen Baumkrone bei der Spritzung oft nicht möglich ist, bleibt die Bekämpfung der Kirschfruchtfliege jedoch weiterhin schwierig. Um auch für diese Situationen eine Lösung zu finden, sind weitere Versuche zur Bodenbehandlung mit entomopathogenen Pilzen gegen schlüpfende Fliegen notwendig.

EPrint Type:Thesis
Thesis Type:PhD
Thesis Type:Dissertation
Keywords:Pflanzenschutz, Schädlinge, Nützlinge, Entomologie Obstbau, Kirschenfliege, Rhagoletis cerasi Loew (Diptera: Tephritidae), Regulierung, Kirschfruchtfliege, Schädlingsbekämpfung, entomopathogene Pilze
Subjects: Crop husbandry > Crop health, quality, protection
Crop husbandry > Production systems > Fruit and berries
Research affiliation: Switzerland > FiBL - Research Institute of Organic Agriculture Switzerland > Crops > Crop protection > Entomology
Germany > University of Munich - TUM
Related Links:https://mediatum2.ub.tum.de/node?id=673833, https://www.fibl.org/de/standorte/schweiz/departemente/nutzpflanzenwissenschaften/pflanzenschutz-entomologie-agraroekologie.html
Deposited By: Daniel, Dr. Claudia
ID Code:15613
Deposited On:26 Mar 2009
Last Modified:25 Nov 2020 07:44
Document Language:English
Refereed:Not peer-reviewed

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