Laura Maria Ribeiro Duque

• Anthropogenic activities are causing air pollution. Amongst air pollutants, tropospheric ozone is a major threat to human health and ecosystem functioning. In this dissertation, I present three studies that aimed at increasing our knowledge on how plant exposure to ozone affects its reproduction and its interactions with insect herbivores and pollinators. For this purpose, a new fumigation system was built and placed in a greenhouse. The annual plant Sinapis arvensis (wild mustard) was used as the model plant. Plants were exposed to eitherAnthropogenic activities are causing air pollution. Amongst air pollutants, tropospheric ozone is a major threat to human health and ecosystem functioning. In this dissertation, I present three studies that aimed at increasing our knowledge on how plant exposure to ozone affects its reproduction and its interactions with insect herbivores and pollinators. For this purpose, a new fumigation system was built and placed in a greenhouse. The annual plant Sinapis arvensis (wild mustard) was used as the model plant. Plants were exposed to either 0 ppb (control) or 120 ppb of ozone, for variable amounts of time and at different points of their life cycle. After fumigation, plants were exposed to herbivores or pollinators in the greenhouse, or to both groups of insects in the field. My research shows that ozone affected reproductive performance differently, depending on the timing of exposure: plants exposed at earlier ages had their reproductive fitness increased, while plants exposed later in their life cycle showed a tendency for reduced reproductive fitness. Plant phenology was a key factor influencing reproductive fitness: ozone accelerated flowering and increased the number of flowers produced by plants exposed at early ages, while plants exposed to ozone at later ages tended to have fewer flowers. On the other hand, the ozone-mediated changes in plant-insect interactions had little impact on plant reproductive success. The strongest effect of ozone on plant-pollinator interactions was the change in the number of flower visits received per plant, which was strongly linked to the number of open flowers. This means that, as a rule, exposure of plants to ozone early in the life cycle resulted in a higher number of pollinator visits, while exposure later in the life cycle resulted in fewer flower visits by potential pollinators. An exception was observed: the higher number of visits performed by large syrphid flies to young ozone-exposed plants than to the respective control plants went beyond the increase in the number of open flowers in those plants. Also, honeybees spent more time per flower in plants exposed to ozone than on control plants, while other pollinators spent similar amounts of time in control and ozone-exposed plants. This guild-dependent preference for ozone-exposed plants may be due to species-specific preferences related to changes in the quality and quantity of floral rewards. In the field, ozone-exposed plants showed only a tendency for increased colonization by sucking herbivores and slightly more damage by chewing herbivores than control plants. On the other hand, in the greenhouse experiment, Pieris brassicae butterflies preferred control plants over ozone-exposed plants as oviposition sites. Eggs laid on ozone-exposed plants took longer to hatch, but the chances of survival were higher. Caterpillars performed better in control plants than in ozone-exposed plants, particularly when the temperature was high. Most of the described effects were dependent on the duration and timing of the ozone exposure and the observed temperature, with the strongest effects being observed for longer exposures and higher temperatures. Furthermore, the timing of exposure altered the direction of the effects. The expected climate change provides ideal conditions for further increases in tropospheric ozone concentrations, therefore for stronger effects on plants and plant-insect interactions. Acceleration of flowering caused by plant exposure to ozone may put plant-pollinator interactions at risk by promoting desynchronization between plant and pollinator activities. Reduced performance of caterpillars feeding on ozone-exposed plants may weaken herbivore populations. On the other hand, the increased plant reproduction that results from exposing young plants to ozone may be a source of good news in the field of horticulture, when similar results would be achieved in high-value crops. However, plant response to ozone is highly species-specific. In fact, Sinapis arvensis is considered a weed and the advantage conferred by ozone exposure may increase its competitiveness, with negative consequences for crops or plant communities in general. Overall, plant exposure to ozone might constitute a threat for the balance of natural and agro-ecosystems.…
• Viele anthropogene Aktivitäten verursachen Luftverschmutzung. Unter den Luftschadstoffen stellt das troposphärische Ozon eine Bedrohung für die menschliche Gesundheit und das Funktionieren von Ökosystemen dar. In dieser Dissertation stelle ich drei Studien vor, die darauf abzielen, unser Wissen darüber zu erweitern, wie sich die Exposition von Pflanzen gegenüber Ozon auf ihre Fortpflanzung und ihre Wechselwirkungen mit pflanzenfressenden Insekten und Bestäubern auswirkt. Zu diesem Zweck wurde eine neue Begasungsanlage gebaut und in einemViele anthropogene Aktivitäten verursachen Luftverschmutzung. Unter den Luftschadstoffen stellt das troposphärische Ozon eine Bedrohung für die menschliche Gesundheit und das Funktionieren von Ökosystemen dar. In dieser Dissertation stelle ich drei Studien vor, die darauf abzielen, unser Wissen darüber zu erweitern, wie sich die Exposition von Pflanzen gegenüber Ozon auf ihre Fortpflanzung und ihre Wechselwirkungen mit pflanzenfressenden Insekten und Bestäubern auswirkt. Zu diesem Zweck wurde eine neue Begasungsanlage gebaut und in einem Gewächshaus aufgestellt. Die einjährige Pflanze Sinapis arvensis (Acker-Senf) wurde als Modellpflanze verwendet. Die Pflanzen wurden entweder 0 ppb (Kontrolle) oder 120 ppb Ozon ausgesetzt, und zwar über unterschiedliche Zeiträume und zu verschiedenen Zeitpunkten ihres Lebenszyklus. Nach der Begasung wurden die Pflanzen beider Gruppen im Gewächshaus Pflanzenfressern oder Bestäubern bzw. im Freiland beiden Insektengruppen ausgesetzt. Meine Forschung zeigt, dass Ozon die Fortpflanzungsleistung je nach Zeitpunkt der Exposition unterschiedlich beeinflusst: Bei Pflanzen, die in einem früheren Alter exponiert wurden, erhöhte sich die Fortpflanzungsfähigkeit, während Pflanzen, die später in ihrem Lebenszyklus exponiert wurden, tendenziell eine geringere Fortpflanzungsfähigkeit aufwiesen. Die Phänologie der Pflanzen war ein Schlüsselfaktor, der sich auf die reproduktive Fitness auswirkte: Ozon beschleunigte die Blüte und erhöhte die Anzahl der Blüten von Pflanzen, die in einem frühen Alter exponiert waren, während Pflanzen, die später exponiert wurden, tendenziell eine geringere Anzahl von Blüten aufwiesen. Andererseits hatten die Veränderungen bei den Interaktionen zwischen Pflanzen und Insekten nur geringe Auswirkungen auf den Reproduktionserfolg der Pflanzen. Die stärkste Auswirkung von Ozon auf die Interaktionen zwischen Pflanzen und Bestäubern war die Veränderung der Anzahl der Blütenbesuche pro Pflanze, die stark mit der Anzahl der geöffneten Blüten zusammenhing. Dies bedeutet, dass die Exposition von Pflanzen gegenüber Ozon zu Beginn des Lebenszyklus in der Regel zu einer höheren Anzahl von Bestäuberbesuchen führte, während die Exposition zu einem späteren Zeitpunkt des Lebenszyklus zu weniger Blütenbesuchen durch potenzielle Bestäuber führte. Eine Ausnahme wurde beobachtet: Die höhere Anzahl der Besuche von großen Syrphiden an jungen, ozonbelasteten Pflanzen im Vergleich zu den entsprechenden Kontrollpflanzen ging über die Zunahme der Anzahl offener Blüten an diesen Pflanzen hinaus. Auch Honigbienen verbrachten mehr Zeit pro Blüte an ozonbelasteten Pflanzen als an Kontrollpflanzen, während andere Bestäuber ähnlich viel Zeit an Kontroll- und ozonbelasteten Pflanzen verbrachten. Diese gildenspezifische Vorliebe für ozonbelastete Pflanzen könnte auf artspezifische Präferenzen zurückzuführen sein, die mit Veränderungen in der Qualität und Quantität der Blütenbelohnung zusammenhängen. Ozon-exponierte Pflanzen zeigten im Freiland eine tendenziell verstärkte Besiedelung durch saugende Herbivoren und etwas mehr Schäden durch kauende Herbivoren als Kontrollpflanzen. Im Gewächshausversuch hingegen bevorzugten die Schmetterlinge der Art Pieris brassicae die Kontrollpflanzen als Eiablageplätze. Die Eier, die auf ozonbelasteten Pflanzen abgelegt wurden, brauchten länger bis zum Schlüpfen, aber die Überlebenschancen waren höher. Die Raupen wachsen auf Kontrollpflanzen besser als auf ozonbelasteten Pflanzen, insbesondere bei hohen Temperaturen. Die meisten der beschriebenen Effekte hingen von der Dauer und dem Zeitpunkt der Ozonexposition und der beobachteten Temperatur ab, wobei die stärksten Effekte bei längerer Exposition und höheren Temperaturen beobachtet wurden. Außerdem veränderte der Zeitpunkt der Exposition die Richtung der Effekte. Der erwartete Klimawandel bietet ideale Bedingungen für einen weiteren Anstieg der troposphärischen Ozonkonzentrationen und damit für stärkere Auswirkungen auf Pflanzen und Pflanzen-Insekten-Interaktionen. Die Beschleunigung der Blüte, die durch den Kontakt von Pflanzen mit Ozon verursacht wird, kann die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Bestäubern gefährden, da sie die Synchronität zwischen den Aktivitäten von Pflanzen und Bestäubern stört. Eine geringere Leistung von Raupen, die sich von ozonbelasteten Pflanzen ernähren, kann die Populationen von Pflanzenfressern schwächen. Andererseits kann die erhöhte Pflanzenreproduktion, die sich aus dem Kontakt junger Pflanzen mit Ozon ergibt, eine gute Nachricht für den Gartenbau sein, wenn ähnliche Ergebnisse bei hochwertigen Nutzpflanzen erzielt werden. Die Reaktion der Pflanzen auf Ozon ist jedoch sehr artspezifisch. Sinapis arvensis gilt als Unkraut, und der Vorteil, der sich aus der Ozonexposition ergibt, könnte seine Wettbewerbsfähigkeit erhöhen, was negative Folgen für die Kulturpflanzen oder Pflanzengemeinschaften im Allgemeinen hätte. Insgesamt könnte die Exposition von Pflanzen gegenüber Ozon eine Bedrohung für das Gleichgewicht von natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen darstellen.…