Temporal changes affect plant chemistry and tritrophic interactions

SummaryIn nature, individuals of short-lived plant species (e.g. annuals, biennials) may grow at different times during the growing season. These plants are therefore exposed to different season-related conditions such as light and temperature, which in turn may have consequences for primary and secondary chemistry of the plant. Despite this, many studies examining plant–consumer interactions are performed in single replicates, which may thus ignore temporal variation in the expression of phenotypic plant traits that affect multitrophic interactions. In the present study, we demonstrated that even under strictly controlled conditions in a greenhouse, secondary plant chemistry changes dramatically in plants growing at different times in a single year, i.e. July, August and November. Glucosinolate (GS) contents in herbivore-damaged leaves of two different crucifer species, Brassica oleracea and Sinapis alba were higher in the August and November replicates than in the July replicate and GS concentrations were 10–25 times higher in S. alba than in B. oleracea. The development of a specialist herbivore, Plutella xylostella, also varied significantly over the three replicates. Larvae of P. xylostella that had fed upon either S. alba or B. oleracea, attained the largest biomass and had the fastest development rate in the November replicate. Female P. xylostella moths grew larger on S. alba than on B. oleracea, whereas male biomass was not significantly affected by host-plant species. Plant species, but not season also affected performance of the endoparasitoid, Diadegma semiclausum. Similar to the performance of host females, parasitoid males developed faster and attained the highest biomass when attacking P. xylostella larvae feeding on S. alba. Most importantly, the performance of the herbivore and its parasitoid only appeared to partially conform to levels of GS in damaged leaves, indicating that there is a complex of factors involved in determining the effects of plant quality on higher trophic levels.

ZusammenfassungIn der Natur können Individuen von kurzlebigen Pflanzenarten (z.B. Annuelle, Bianuelle) zu verschiedenen Zeiten in der Saison wachsen. Diese Pflanzen sind daher unterschiedlichen jahreszeitlichen Bedingungen wie Licht und Temperatur ausgesetzt, was wiederum Konsequenzen für die primäre und sekundäre Chemie der Pflanze haben kann. Trotzdem sind viele Untersuchungen, welche die Pflanzen-Konsumenten-Interaktionen untersuchen, einfache Ansätze, die so die zeitliche Variation in der Expression von Pflanzenmerkmalen ignorieren, die Einfluss auf multitrophische Interaktionen hat. In der vorliegenden Untersuchung zeigten wir, dass sich selbst unter den strikt kontrollierten Bedingungen im Gewächshaus die sekundäre Pflanzenchemie bei Pflanzen, die zu verschiedenen Zeiten in einem einzigen Jahr, d.h. im Juli, August und November, wuchsen, dramatisch ändert. Die Gehalte an Glukosinolat (GS) in den von Herbivoren beschädigten Blättern von zwei Kreuzblütlerarten, Brassica oleracea und Sinapis alba, waren im August- und November-Ansatz höher als im Juli-Ansatz und die GS-Konzentrationen waren bei S. alba zehn bis zwanzigfach höher als bei B. oleracea. Die Entwicklung des spezialisierten Herbivoren Plutella xylostella, variierte ebenfalls signifikant bei den drei Ansätzen. Die Larven von P. xylostella, die sowohl auf S. alba als auch auf B. oleracea fraßen, erreichten beim November-Ansatz die größte Biomasse und hatten die schnellste Entwicklungsrate. Weibliche P. xylostella Falter wuchsen auf S. alba schneller als auf B. oleracea, während sich die Biomasse der Männchen nicht signifikant zwischen den Wirtsarten unterschied. Die Performanz des Endoparasiten Diadegma semiclausum wurde von der Pflanzenart, nicht aber von der Jahreszeit, beeinflusst. Vergleichbar zur Performanz der Wirtsweibchen entwickelten sich die Parasitoidenmännchen schneller und erreichten die höchste Biomasse, wenn sie P. xylostella Larven befielen, die auf S. alba fraßen. Vor allem aber schien die Performanz des Wirtes und seiner Parasitoiden nur teilweise mit den Gehalten von GS in den beschädigten Blättern übereinzustimmen, was darauf hinweist, dass es einen Komplex von Faktoren gibt, die den Einfluss der Pflanzenqualität auf höhere trophische Ebenen bestimmen.