Attractiveness of CO2 released by root respiration fades on the background of root exudates

Abstract

Plants are endangered at their roots by soil-dwelling rhizophagous insects. These below-ground living herbivores may orient to the source of carbon dioxide (CO2), an ubiquitous volatile released by respiring plant roots. Here, we studied the interaction of CO2 and other plant root-derived chemical stimuli with regard to the chemical orientation of the polyphagous larvae of Melolontha melolontha L. (Scarabaeidae). A soil arena was developed that enabled both determination of the actual soil CO2 concentration and the behavioural response of an insect to (a) CO2 gradients per se, (b) chemical stimuli released from respiring, undamaged roots of plants potted into vermiculite in this arena and (c) combinations of CO2 gradients and root-derived stimuli. In a root-free arena, larvae of M. melolontha oriented to the source of synthetic CO2. However, similar CO2 gradients generated by host plant roots did not attract the larvae. Neither did a synthetic CO2 gradient combined with aqueous extracts from rhizospheres with undamaged plant roots elicit an attractive effect. Our data suggest that orientation of cockchafer larvae within CO2 gradients generated by respiring roots is ‘masked’ by an aqueous extract from a rhizosphere with undamaged roots. The results emphasise that effects of behaviour modifying plant-derived compounds need to be investigated against the background of naturally co-occurring chemicals. The significance of our results for orientation of soil living insects is discussed with respect to abiotic conditions in natural soil and the role of soil microorganisms for the attractiveness of plant roots. Rhizophage Insekten können Pflanzen erheblich schädigen. Bodenbewohnende Herbivore können sich in Gradienten des allgegenwärtigen und von atmenden Wurzeln abgegebenen Kohlendioxids (CO2) zur CO2-Quelle hin orientieren. Gegenstand dieser Untersuchung war die Frage, welche Wechselwirkungen zwischen CO2 und anderen wurzelbürtigen chemischen Stimuli hinsichtlich der Orientierung der polyphagen Larven des Feldmaikäfers, Melolontha melolontha L. (Scarabaeidae), bestehen. Zu diesem Zweck wurde eine Bodenarena entwickelt, in der neben der Messung von CO2-Konzentrationen im Versuchsverlauf die Verhaltensreaktionen eines Insekts auf (a) reine CO2-Gradienten, (b) chemische Stimuli von atmenden, unbeschädigten Pflanzenwurzeln und (c) Kombinationen von CO2-Gradienten und wurzelbürtigen Stimuli beobachtet werden konnten. M.-melolontha-Larven orientierten sich in wurzelfreiem Substrat zu einer CO2-Quelle hin. CO2 abgebende Pflanzenwurzeln waren für die Engerlinge hingegen nicht attraktiv. Ebenso unterblieb die Orientierung der Larven im CO2-Gradienten, wenn dieser mit wässrigen Auszügen aus der Rhizosphäre intakter Pflanzenwurzeln kombiniert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass in die Rhizosphäre abgegebene, wasserlösliche Verbindungen die Orientierung der Maikäferlarven in CO2-Gradienten „maskieren” können. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wirkung das Verhalten modifizierender Substanzen vor dem Hintergrund der natürlich ebenfalls vorkommenden chemischen Stimuli untersucht werden sollte. Die hier vorgestellten Ergebnisse werden mit Blick auf die abiotischen Bedingungen und die Rolle der Mikroorganismen in natürlichen Böden diskutiert.