TY  - THES
A1  - Lehenberger, Maximilian
T1  - Ecology and Evolution of symbiotic microbial communities in fungus farming ambrosia beetles
T1  - Ökologie und Evolution von symbiotischen mikrobiellen Gemeinschaften in Pilzzüchtenden Ambrosiakäfern
N2  - Within my PhD project I gained several novel insights into the poorly investigated 
symbiotic world of fungus farming ambrosia beetles and their bark beetle ancestors, 
where I especially focused on physiological interactions and capabilities of 
associated fungal symbionts. Here, (i) I could confirm the association of mutualistic 
Phialophoropsis fungi with the ambrosia beetle genus Trypodendron and found hints 
for a possible new Phialophoropsis species in T. signatum and T. domesticum. 
Moreover, I could show that mutualistic fungi of Trypodendron ambrosia beetles are 
able to decompose major woody polysaccharides such as cellulose and xylan. 
Additionally, (ii) I provided the first images using micro-computed tomography (µCT) 
of the formerly unknown structure of the mycetangium of Trypodendron leave. (iii) I 
could confirm a general tolerance towards ethanol in mutualistic ambrosia beetle 
fungi, while antagonistic fungi as well as most examined fungal bark beetle 
associates (e.g. possibly tree-defense detoxifying species) were highly sensitive to 
even low concentrations of ethanol. Further, (iv) I found that natural galleries of 
ambrosia beetles are highly enriched with several biologically important elements 
(such as N, P, S, K, Mg) compared to the surrounding woody tissue and suggest that 
mutualistic fungi are translocating and concentrating elements from the immediate
surrounding xylem to the beetles galleries. Furthermore, (v) I could show that various 
fungi associated with bark and ambrosia beetles (mutualists, possibly beneficial 
symbionts) are emitting several volatile organic compounds mostly within aliphatic 
and aromatic alcohols and esters, while non-mutualistic and free living species were 
generally emitting a lower number and amount of volatiles. Finally, especially bark 
and ambrosia beetle fungi were found to incorporate several amino acids, from which 
some are especially important for the production of certain volatile organic
compounds. Amino acid content also indicated a higher nutritional value for certain 
species. Here, I propose that especially volatile organic compounds are widespread 
key players in maintaining various symbioses between fungi and beetles, as already 
proven by a recent study on the bark beetle Ips typographus (as well as for some 
other bark beetle-fungus symbioses, see summary in Kandasamy et al. 2016) and 
also suggested for ambrosia beetles.
N2  - Im Rahmen meiner Promotion konnte ich einige neue Einblicke in die symbiotische 
Welt von Pilz-züchtenden Ambrosiakäfern sowie ihren direkten Vorfahren den 
Borkenkäfern, mit speziellen Fokus auf physiologische Interaktionen und 
Besonderheiten der assoziierten Pilzen, erlangen. Hier konnte ich (i) die Assoziation 
der europäischen Trypodendron Arten mit mutualistischen Pilzen in der Gattung 
Phialophoropsis generell bestätigen und fand des weiteren Hinweise auf eine 
vermutlich neue Phialophoropsis Art in den beiden Ambrosiakäfern T. domesticum
und T. signatum. Außerdem konnte ich zeigen, dass mutualistische Pilze, welche mit 
Ambrosiakäfern der Gattung Trypodendron assoziiert sind, wesentliche 
Polysaccharide im Holz (Cellulose und Xylan) abbauen können. Zusätzlich war es 
mir möglich, (ii) erstmals die Pilzsporen übertragende Struktur „Mycetangium“ des 
Ambrosiakäfers Trypodendron laeve zu untersuchen und durch den Einsatz von 
Mikro-Computertomographie (µCT) somit die ersten detaillierten Aufnahmen bereit 
zu stellen. Außerdem bestätigten und ergänzten meine Studien, (iii) das Ethanol� Toleranz unter Ambrosiakäfer-Pilzen eine wohl sehr weit verbreitete Besonderheit ist, 
wohingegen für die Käfer bzw. für die Ambrosiapilze schädliche Pilze stark durch 
schon geringe Ethanol-Konzentrationen gehemmt werden. Interessanterweise 
wurden auch nahezu alle mit Borkenkäfern assoziierten Pilze stark durch Ethanol 
gehemmt. Des Weiteren konnte ich zeigen, (iv) das natürliche Brutsysteme von 
Ambrosiakäfern, im Gegensatz zu unbesiedeltem Splintholz, sehr stark mit 
verschiedenen essentiellen Elementen (wie etwa N, P, S, K und Mg) angereichert 
sind. Sehr wahrscheinlich ist es den Pilzsymbionten möglich, Elemente aus 
unmittelbar umliegendem Splintholz abzuziehen und diese in den Brutsystemen der 
Käfer entsprechend anzureichern. Außerdem konnte ich zeigen, (v) das nahezu alle 
untersuchten Borken- und Ambrosiakäfer-Pilze (Mutualisten sowie möglicherweise 
begünstigende Symbionten) eine Vielzahl an flüchtigen Inhaltsstoffen produzieren, 
welche sich hier vor allem in die Gruppe der aliphatischen und aromatischen 
Alkohole und Ester eingliedern. Nicht mutualistische Pilze sowie freilebende Arten 
produzierten im Vergleich eine geringere Anzahl an unterschiedlichen flüchtigen 
Inhaltsstoffen und emittierten zumeist geringere Mengen davon. Schließlich konnte 
ich zeigen, dass vor allem Pilze welche mit Borken- und Ambrosiakäfern assoziiert 
sind, größere Mengen an verschiedenen Aminosäuren in ihrer Biomasse einbauen, 
von welchen einige besonders wichtig sind um bestimmte flüchtige Inhaltsstoffe zu 
bilden. Dazu kann durch den Anteil der gefundenen Aminosäuren in der 
Pilzbiomasse auf den nährstoffreichen Charakter der Pilze geschlossen werden.
Diese flüchtigen Inhaltsstoffe haben mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit eine 
essenzielle Rolle innerhalb einer Vielzahl an Käfer-Pilz Symbiosen und sind 
vermutlich maßgeblich an dem Erfolg und Bestand solcher Symbiosen beteiligt. Dies 
wurde bereits in jüngster Vergangenheit bei dem Borkenkäfer Ips typographus mit 
seinen assoziierten Pilzen gezeigt (aber auch bei einigen weiteren Borkenkäfern, 
siehe Zusammenfassung von Kandasamy et al., 2016), während es bei 
Ambrosiakäfern bisher nur vermutet wurde.
KW  - Ambrosia beetles
KW  - Ambrosiakäfer
KW  - bark beetles
KW  - fungi
KW  - symbiosis
KW  - mutualism
KW  - Borkenkäfer
KW  - Pilze
KW  - Symbiose
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-241546
PB  - Fungal Ecology, Frontiers in Microbiology, Deutsche Gesellschaft für allgemeine und angewandte Entomologie
ER  - 
TY  - THES
A1  - Diehl, Janina Marie Christin
T1  - Ecology and evolution of symbiont management in ambrosia beetles
T1  - Ökologie und Evolution des Symbiontenmanagements bei Ambrosiakäfern
N2  - The relationship between a farmer and their cultivated crops in agriculture is multifaceted, with pathogens affecting both the farmer and crop, and weeds that take advantage of resources provided by farmers. For my doctoral thesis, I aimed to gain a comprehensive understanding of the ecology and symbiosis of fungus farming ambrosia beetles.
Through my research, I discovered that the microbial composition of fungus gardens, particularly the mutualists, is significantly influenced by the presence of both adults and larvae. The recognition of both beneficial and harmful symbionts is crucial for the success of ambrosia beetles, who respond differently depending on their life stage and the microbial species they encounter, which can contribute to the division of labour among family groups. The presence of antagonists and pathogens in the fungus garden depends on habitat and substrate quality, and beetle response to their introduction results in behavioural and developmental changes. Individual and social immunity measures, as well as changes in bacterial and fungal communities, were detected as a result of pathogen introduction. Additionally, the ability of ambrosia beetles to establish two nutritional fungal species depends on several factors. These insects must strike a balance between their essential functions and adapt to the constantly changing ecological and social conditions, which demonstrates their adaptive flexibility. However, interpreting data from laboratory studies should be approached with caution, as the natural environment allows for more flexibility and the potential for other beneficial symbionts to become more prominent if required.
To aid in my research, I designed primers that use the ‘fungal large subunit’ (LSU) as genetic marker to identify and differentiate mutualistic and antagonistic fungi in X. saxesenii. The primers were able to distinguish closely related species of the Ophiostomataceae and other fungal symbionts. This allowed me to associate the abundance of key fungal taxa with factors such as the presence of beetles, the nest's age and condition, and the various developmental stages present. My primers are a valuable tool for understanding fungal communities, including their composition and the identification of previously unknown functional symbionts. However, some aspects should be approached with caution due to the exclusion of non-amplified taxa in the relative fungal community compositions.
N2  - Die Beziehung zwischen einem Landwirt und der von ihm angebauten Nahrung in der Landwirtschaft ist vielschichtig: Pathogene, die sowohl den Landwirt als auch die Pflanzen befallen, und Unkräuter, die sich die von Landwirten bereitgestellten Ressourcen zunutzen machen. In meiner Doktorarbeit wollte ich ein umfassendes Verständnis der Ökologie und der Symbiose von pilzzüchtenden Ambrosiakäfern erlangen.
Im Rahmen meiner Forschung fand ich heraus, dass die mikrobielle Zusammensetzung von Pilzgärten, insbesondere der Mutualisten, durch die Anwesenheit sowohl der erwachsenen Tiere als auch der Larven erheblich beeinflusst wird. Die Erkennung sowohl nützlicher als auch schädlicher Symbionten ist entscheidend für den Erfolg der Ambrosiakäfer, die je nach Lebensstadium und den angetroffenen Mikrobenarten unterschiedlich reagieren, was zur Arbeitsteilung zwischen Familiengruppen beitragen kann. Das Vorhandensein von Antagonisten und Krankheitserregern im Pilzgarten hängt von der Qualität des Lebensraums und des Substrats ab, und die Reaktion der Käfer auf ihre Einschleppung führt zu Veränderungen im Verhalten und in der Entwicklung. Individuelle und soziale Immunitätsmaßnahmen sowie Veränderungen der Bakterien- und Pilzgemeinschaften wurden als Folge der Einführung von Krankheitserregern festgestellt. Darüber hinaus hängt die Fähigkeit von Ambrosiakäfern, zwei Nährpilzarten zu etablieren, von mehreren Faktoren ab. Diese Insekten müssen ein Gleichgewicht zwischen ihren lebenswichtigen Funktionen herstellen und sich an die ständig ändernden ökologischen und sozialen Bedingungen anpassen, was ihre Anpassungsfähigkeit zeigt. Bei der Interpretation von Daten aus Laborstudien ist jedoch Vorsicht geboten, da die natürliche Umgebung mehr Flexibilität zulässt und die Möglichkeit bietet, dass andere nützliche Symbionten bei Bedarf stärker in Erscheinung treten.
Um meine Forschung zu unterstützen, habe ich Primer entwickelt, die die ‘fungal large subunit‘ (LSU) als genetischen Marker verwenden, um mutualistische und antagonistische Pilze in X. saxesenii zu identifizieren und zu unterscheiden. Die Primer waren in der Lage, eng verwandte Arten der Ophiostomataceae und andere Pilzsymbionten zu unterscheiden. Auf diese Weise konnte ich die Häufigkeit der wichtigsten Pilztaxa mit Faktoren wie dem Vorhandensein von Käfern, dem Alter und Zustand des Nests und den verschiedenen Entwicklungsstadien in Verbindung bringen. Meine Primer sind ein wertvolles Instrument für das Verständnis von Pilzgemeinschaften, einschließlich ihrer Zusammensetzung und der Identifizierung von bisher
unbekannten funktionellen Symbionten. Einige Aspekte sind jedoch mit Vorsicht zu genießen, da nicht amplifizierte Taxa in den relativen Zusammensetzungen der Pilzgemeinschaften nicht berücksichtigt werden.
KW  - ambrosia beetles
KW  - symbiont management
KW  - amplicon sequencing
KW  - fungus farming
KW  - microbial communities
KW  - social behaviour
KW  - Ökologie
KW  - Evolution
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-321213
ER  -