University of Hohenheim Faculty of Agricultural Sciences Institute of Phytomedicine Applied Entomology Prof. Dr. Dr. C.P.W. Zebitz Monitoring, mechanisms and management of insecticide resistance and insecticide mode of action in coleopteran pests of winter oilseed rape with special reference to neonicotinoid insecticides under laboratory and applied aspects Thesis for the degree Doctor of Agricultural Sciences (doctor scientiarum agriculturae) submitted by CHRISTOPH THOMAS ZIMMER Matzenbach November 2013 Dekanin: Prof. Dr. M. Brockmeier 1. berichtende Person: Prof. Dr. C.P.W. Zebitz 2. berichtende Person: Prof. Dr. W. Schwack Eingereicht am: 04. November 2013 Mündliche Prüfung am: 17. September 2014 Die vorliegende Arbeit wurde am 20. November 2013 von der Fakultät Agrarwissenschaften der Universität Hohenheim als „Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Agrarwissenschaften - doctor scientiarum agriculturae (Dr. sc. agr.)“ angenommen. The challenge of resistance will be with us for eternity GEORGE P. GEORGHIOU (2000) Zusammenfassung Der Winterraps, Brassica napus L., hat sich in Europa zu einem festen Bestandteil der maßgeblich von Getreide dominierten Fruchtfolgen entwickelt. Winterraps wird von einer Vielzahl an Schädlingen befallen welche in der Praxis fast ausschließlich durch den Einsatz von chemischen Insektiziden (maßgeblich Pyrethroide) bekämpft werden. Verglichen mit anderen Großkulturen ist der Insektizideinsatz im Rapsanbau relativ hoch. Der seit mehr als 20 Jahren wiederkehrende Einsatz von Pyrethroiden zur Kontrolle von Rapsschädlingen in Europa resultierte in einem enormen Selektionsdruck. Vor diesem Hintergrund ist es nicht verwunderlich, dass drei Schädlinge der Ordnung Coleoptera gegenwärtig eine Resistenz gegen Pyrethroide aufweisen. Bei den drei coleopteren Vertretern handelt es sich um den Rapsglanzkäfer, Meligethes aeneus F., den Rapserdfloh, Psylliodes chrysocephala L. und den Kohlschotenrüssler, Ceutorhynchus assimilis PAYK.. Mittels einem auf insektizidbeschichteten Glasröhrchen beruhenden Biotestsystem („adult vial tests“) wurde die Ausprägung (Stärke und Kreuzresistenzmuster) sowie die geographische Verteilung der Pyrethroidresistenz bei Rapsglanzkäfern und Rapserdflöhen untersucht. Unter Verwendung des identischen Testsystems wurde die „Baseline Susceptibility“ (Ausgangsempfindlichkeit) von Kohlschotenrüsseler gegen lambda-Cyhalothrin, ein in der Praxis sehr häufig eingesetztes Pyrethroid, erfasst. Resistente Rapserdflöhe reagierten im Test mit verschiedenen Pyrethroiden gleichermaßen unempfindlich und zeigen eine absolute Kreuzresistenz gegen die Wirkstoffklasse der Pyrethroide, wohingegen beim Rapsglanzkäfer zwei resistente Phänotypen gefunden wurden. Der am häufigsten auftretende Phänotyp weist eine moderate Kreuzresistenz innerhalb der Wirkstoffgruppe auf während ein weiterer Phänotyp ähnlich wie beim Rapserdfloh eine absolute Kreuzresistenz aufweist. Unter Verwendung von Thiacloprid, ein Wirkstoff der chemischen Klasse der Neonikotinoide, im Glasröhrchen Testsystem wurde die Baseline Susceptibility vom Rapsglanzkäfer und Kohlschotenrüssler erfasst. Für den Rapsglanzkäfer wurden von 2009-2012 Daten erfasst und dadurch eine kontinuierliche Überwachung der Sensibilität über die Jahre gewährleistet, für den Kohlschotenrüssler wurden Daten im Jahr 2012 erfasst die eine hohe Empfindlichkeit gegenüber dem Wirkstoff Thiacloprid nachweisen. In Synergismus-Experimenten mit Rapsglanzkäferpopulationen die hauptsächlich in Mitteleuropa gesammelt wurden, steigerte Piperonyl-Butoxid (PBO) ein Synergist der Cytochrom P450-abhänigen Monooxygenasen, die Toxizität von lambda-Cyhalothrin in resistenten Populationen in vivo erheblich. Im Folgeexperiment zum Metabolismus von Deltamethrin in Inkubationen mit nativen mikrosomalen Membranpräparationen bestätigte sich der Befund, dass die Resistenz durch Cytochrom P450-abhänigen Monooxygenasen vermittelt wurde, durch den Nachweis von 4-Hydroxy-Deltamethrin. Die Metabolismusrate von [I] Deltamethrin zu 4-OH-Deltamethrin in vitro war mit der erfassten Pyrethroidresistenz in vivo positiv korreliert und konnte mit PBO inhibiert werden. Darüber hinaus ließ sich die Hydroxylierung von Deltamethrin durch Zugabe von tau-Fluvalinat bzw. lambda-Cyhalothrin kompetitiv inhibieren, dieser Befund deckt sich somit mit der in vivo erfassten Kreuzresistenz. Mit einer PCR Strategie basierend auf degenerierten Oligonukleotiden wurden Genfragmente der P450 Genfamilie aus Rapsglanzkäfern isoliert und deren Expression mittels qRT-PCR (quantitative Real-Time PCR) in Populationen mit verschiedenen Resistenzausprägungen quantifiziert. Ein P450 Gen, welches CYP6BQ23 kodiert, war in resistenten Populationen signifikant hochreguliert (bis zu 900-fach). Die Überexpression war signifikant korreliert mit der Resistenzausprägung in vivo und der Umsetzung von Deltamethrin in vitro. Mittels RACE- PCR (Rapid Amplification of cDNA Ends) wurde die komplette mRNA/cDNA isoliert welche ein Leseraster kodierend für 522 Aminosäuren enthält. CYP6BQ23 wurde anschließend in einer Insektenzellkultur rekombinant funktionell exprimiert und der CYP6BQ23 abhängige Deltamethrinmetabolismus bewiesen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass CYP6BQ23 auch tau-Fluvalinat umsetzt, allerdings mit einer geringeren Effizienz im Vergleich zu Deltamethrin. Die Metabolismusrate von beiden Wirkstoffen deckt sich mit dem Resistenzmuster vom moderat Kreuzresistenten Phänotyp. Mithilfe eines Computermodels von CYP6BQ23 wurde die Substratbindung simuliert und eine bessere Bindung für Deltamethrin im Vergleich zu tau- Fluvalinat prognostiziert. Der Einfluss von wirkortspezifischer Resistenz (target-site resistance) wurde ebenfalls untersucht. Vom para-locus, welcher den spannungsabhängigen Natriumkanal (Voltage Gated Sodium Channel, VGSC) im zentralen Nervensystem der Insekten kodiert, wurde ein Genfragment (Domäne IIS4-6) PCR-amplifiziert, sequenziert und auf Einzelnukleotidpoli- morphismen (SNPs, Single Nucleotide Polymorphisms) untersucht. Ein SNP wurde identifiziert der in einem Aminosäureaustausch von Leucin zu Phenylalanin an Positon 1014 (Musca domestica L. Nummerierung) resultiert. Diese Mutation ist in einer Vielzahl von Insekten als knock down resistance (kdr) beschrieben und vermittelt eine Kreuzresistenz gegenüber Pyrethroiden und DDT. Im Rapsglanzkäfer wurde diese Resistenzmutation fast ausschließlich in skandinavischen Populationen gefunden wo eine absolute Kreuzresistenz im Feld beobachtet wurde, wohingegen in Mitteleuropa der moderat kreuzresistente Phänotyp vorherrscht. Im Rapserdfloh wurde die gleiche Region im orthologen Locus untersucht mit dem identischen Befund. Die L1014F kdr Mutation im Rapserdfloh ist korreliert mit Bekämpfungsproblemen von Rapserdflöhen beim Einsatz von Pyrethroiden und mit dem in vitro erfassten Kreuzresistenzmuster. In den meisten Studien zur Aufklärung von Resistenzmechnismen wurde der Fokus auf eine spezielle Enzym-/Genfamilie gelegt. Um einen holistischeren Weg zu gehen wurde eine Transkriptomstudie beim Rapsglanzkäfer durchgeführt. Ziel war das Assemblieren des [II] de novo Transkriptoms, die Isolierung von Genen die insektizide Wirkorte kodieren und deren Analyse auf SNPs sowie eine komparative Analyse der Genregulierung zwischen pyrethroid– resistenten und –sensitiven Populationen. Die putativ komplette mRNA des VGSC’s konnte assembliert werden. Eine SNP Analyse mittels „Illumina-read mapping“ bestätigte die L1014F Mutation in einer schwedischen Population, brachte aber keine zusätzlichen bzw. neuen Mutationen hervor. Die Analyse der Genexpression zwischen resistenten und sensitiven Populationen untermauert den Beitrag von CYP6BQ23 in der Pyrethroidresistenz in allen resistenten Populationen, darüber hinaus wurden noch weitere Kandidatengene, wie z.B. Glutathione S-transferasen und Carboxylesterasen, identifiziert. Die Konsequenzen der Ergebnisse für ein nachhaltiges Resistenzmanagement in coleopteren Schädlingen in Winterraps and die Möglichkeiten für weiterführende Studien werden in der vorliegenden Arbeit diskutiert. [III] [IV] Abstract Winter oilseed rape, Brassica napus L., has become a vital part of cereal-based crop rotations in Europe. It is attacked by numerous insect pests and their control relies on the intensive use of insecticides (compared to other broad acre crops). The exclusive and continuous use of pyrethroid insecticides for almost twenty years led to an enormous selection pressure and facilitated the development of resistance in oilseed rape pests in Europe. Unsurprising three out of the five major pests of the order Coleoptera are reported to be pyrethroid resistant at present: the pollen beetle, Meligethes aeneus F.; the cabbage stem flea beetle, Psylliodes chrysocephala L. and the cabbage seed weevil, Ceutorhynchus assimilis PAYK.. An adult vial bioassay, which is based on insecticide coated glass vials, was used to monitor the spread and strength of pyrethroid resistance and to determine cross-resistance pattern in pollen beetle and cabbage stem flea beetle. Furthermore, baseline susceptibility towards lambda-cyhalothrin (a widely used pyrethroid) was also established for the cabbage seed weevil. Whereas the resistant phenotype of the cabbage stem flea beetle expresses an absolute cross-resistance, the cross-resistance pattern observed in pollen beetle was of two main phenotypes one characterized by moderate cross-resistance and one by absolute cross- resistance. The vial bioassay methodology was adapted to thiacloprid, a neonicotinoid insecticide, to