Pollination ecology in the 21st century: key questions for future research

To inspire new ideas in research on pollination ecology, we list the most important unanswered questions in the field. This list was drawn up by contacting 170 scientists from different areas of pollination ecology and asking them to contribute their opinion on the greatest knowledge gaps that need to be addressed. Almost 40% of them took part in our email poll and we received more than 650 questions and comments, which we classified into different categories representing various aspects of pollination research. The original questions were merged and synthesised, and a final vote and ranking led to the resultant list. The categories cover plant sexual reproduction, pollen and stigma biology, abiotic pollination, evolution of animal-mediated pollination, interactions of pollinators and floral antagonists, pollinator behaviour, taxonomy, plant-pollinator assemblages, geographical trends in diversity, drivers of pollinator loss, ecosystem services, management of pollination, and conservation issues such as the implementation of pollinator conservation. We focused on questions that were of a broad scope rather than case-specific; thus, addressing some questions may not be feasible within single research projects but constitute a general guide for future directions. With this compilation we hope to raise awareness of pollination-related topics not only among researchers but also among non-specialists including policy makers, funding agencies and the public at large.

Plant–pathogen interactions: disease resistance in modern agriculture

The growing human population will require a significant increase in agricultural production. This challenge is made more difficult by the fact that changes in the climatic and environmental conditions under which crops are grown have resulted in the appearance of new diseases, whereas genetic changes within the pathogen have resulted in the loss of previously effective sources of resistance. To help meet this challenge, advanced genetic and statistical methods of analysis have been used to identify new resistance genes through global screens, and studies of plant-pathogen interactions have been undertaken to uncover the mechanisms by which disease resistance is achieved. The informed deployment of major, race-specific and partial, race-nonspecific resistance, either by conventional breeding or transgenic approaches, will enable the production of crop varieties with effective resistance without impacting on other agronomically important crop traits. Here, we review these recent advances and progress towards the ultimate goal of developing disease-resistant crops.

Estratégias de exploração dos recursos florais pelas abelhas (Hymenoptera: Apiformes) em uma comunidade vegetal em regeneração

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Floral nectar production and nectary structure of a bee-pollinated shrub from Neotropical savanna

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Between-population outbreeding affects plant defence

Between-population crosses may replenish genetic variation of populations, but may also result in outbreeding depression. Apart from direct effects on plant fitness, these outbreeding effects can also alter plant-herbivore interactions by influencing plant tolerance and resistance to herbivory. We investigated effects of experimental within- and between-population outbreeding on herbivore resistance, tolerance and plant fitness using plants from 13 to 19 Lychnis flos-cuculi populations. We found no evidence for outbreeding depression in resistance reflected by the amount of leaf area consumed. However, herbivore performance was greater when fed on plants from between-population compared to within-population crosses. This can reflect outbreeding depression in resistance and/or outbreeding effects on plant quality for the herbivores. The effects of type of cross on the relationship between herbivore damage and plant fitness varied among populations. This demonstrates how between-population outbreeding effects on tolerance range from outbreeding depression to outbreeding benefits among plant populations. Finally, herbivore damage strengthened the observed outbreeding effects on plant fitness in several populations. These results raise novel considerations on the impact of outbreeding on the joint evolution of resistance and tolerance, and on the evolution of multiple defence strategies.

Long distance root–shoot signalling in plant–insect community interactions

Plants mediate interactions between insects, including leaf- and root-feeders; yet the underlying mechanisms and connection with ecological theory remain unresolved. In this review, based on novel insights into long-distance (i.e., leaf–leaf, root–shoot) defence signalling, we explore the role of phytohormones in driving broad-scale patterns of aboveground–belowground interactions that can be extrapolated to general plant–insect relationships. We propose that the outcome of intra-feeding guild interactions is generally negative due to induction of similar phytohormonal pathways, whereas between-guild interactions are often positive due to negative signal crosstalk. However, not all outcomes could be explained by feeding guild; we argue that future studies should target ecologically representative plant–insect systems, distinguish subguilds, and include plant growth hormones to improve our understanding of plant-mediated interactions.

A specialist root herbivore reduces plant resistance and uses an induced plant volatile to aggregate in a density-dependent manner

1.Leaf-herbivore attack often triggers induced resistance in plants. However, certain specialist herbivores can also take advantage of the induced metabolic changes. In some cases, they even manipulate plant resistance, leading to a phenomenon called induced susceptibility. Compared to above-ground plant-insect interactions, little is known about the prevalence and consequences of induced responses below-ground. 2.A recent study suggested that feeding by the specialist root herbivore Diabrotica virgifera virgifera makes maize roots more susceptible to conspecifics. To better understand this phenomenon, we conducted a series of experiments to study the behavioural responses and elucidate the underlying biochemical mechanisms. 3.We found that D. virgifera benefitted from feeding on a root system in groups of intermediate size (3–9 larvae/plant in the laboratory), whereas its performance was reduced in large groups (12 larvae/plant). Interestingly, the herbivore was able to select host plants with a suitable density of conspecifics by using the induced plant volatile (E)-β-caryophyllene in a dose-dependent manner. Using a split root experiment, we show that the plant-induced susceptibility is systemic and, therefore, plant mediated. Chemical analyses on plant resource reallocation and defences upon herbivory showed that the systemic induced-susceptibility is likely to stem from a combination of (i) increased free amino acid concentrations and (ii) relaxation of defence inducibility. 4.These findings show that herbivores can use induced plant volatiles in a density-dependent manner to aggregate on a host plant and change its metabolism to their own benefit. Our study furthermore helps to explain the remarkable ecological success of D. virgifera in maize fields around the world.

Genome-Wide Analysis of the Response of Dickeya dadantii 3937 to Plant Antimicrobial Peptides

Antimicrobial peptides constitute an important factor in the defense of plants against pathogens, and bacterial resistance to these peptides have previously been shown to be an important virulence factor in Dickeya dadantii, the causal agent of soft-rot disease of vegetables. In order to understand the bacterial response to antimicrobial pep- tides, a transcriptional microarray analysis was performed upon treatment with sub-lethal concentration of thionins, a widespread plant peptide. In all, 36 genes were found to be overexpressed, and were classified according to their deduced function as i) transcriptional regulators, ii) transport, and iii) modification of the bacterial membrane. One gene encoding a uricase was found to be repressed. The majority of these genes are known to be under the control of the PhoP/PhoQ system. Five genes representing the different functions induced were selected for further analysis. The results obtained indicate that the presence of antimicrobial peptides induces a complex response which includes peptide-specific elements and general stress-response elements contributing differentially to the virulence in different hosts.

Computation of Surface Electrical Potentials of Plant Cell Membranes : Correspondence to Published Zeta Potentials from Diverse Plant Sources

A Gouy-Chapman-Stern model has been developed for the computation of surface electrical potential (ψ0) of plant cell membranes in response to ionic solutes. The present model is a modification of an earlier version developed to compute the sorption of ions by wheat (Triticum aestivum L. cv Scout 66) root plasma membranes. A single set of model parameters generates values for ψ0 that correlate highly with published ζ potentials of protoplasts and plasma membrane vesicles from diverse plant sources. The model assumes ion binding to a negatively charged site (R− = 0.3074 μmol m−2) and to a neutral site (P0 = 2.4 μmol m−2) according to the reactions R− + IΖ ⇌ RIΖ−1 and P0 + IΖ ⇌ PIΖ, where IΖ represents an ion of charge Ζ. Binding constants for the negative site are 21,500 m−1 for H+, 20,000 m−1 for Al3+, 2,200 m−1 for La3+, 30 m−1 for Ca2+ and Mg2+, and 1 m−1 for Na+ and K+. Binding constants for the neutral site are 1/180 the value for binding to the negative site. Ion activities at the membrane surface, computed on the basis of ψ0, appear to determine many aspects of plant-mineral interactions, including mineral nutrition and the induction and alleviation of mineral toxicities, according to previous and ongoing studies. A computer program with instructions for the computation of ψ0, ion binding, ion concentrations, and ion activities at membrane surfaces may be requested from the authors.

Local impacts of global change: shifting range limits, advancing phenology, and communicating research

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

La face cachée de la dune : communautés fongiques du sol: dynamique, succession et interactions avec la végétation d’un écosystème dunaire côtier aux Îles de la Madeleine, Qc

Les écosystèmes dunaires remplissent plusieurs fonctions écologiques essentielles comme celle de protéger le littoral grâce à leur capacité d’amortissement face aux vents et vagues des tempêtes. Les dunes jouent aussi un rôle dans la filtration de l’eau, la recharge de la nappe phréatique, le maintien de la biodiversité, en plus de présenter un attrait culturel, récréatif et touristique. Les milieux dunaires sont très dynamiques et incluent plusieurs stades de succession végétale, passant de la plage de sable nu à la dune bordière stabilisée par l’ammophile à ligule courte, laquelle permet aussi l’établissement d’autres herbacées, d’arbustes et, éventuellement, d’arbres. Or, la survie de ces végétaux est intimement liée aux microorganismes du sol. Les champignons du sol interagissent intimement avec les racines des plantes, modifient la structure des sols, et contribuent à la décomposition de la matière organique et à la disponibilité des nutriments. Ils sont donc des acteurs clés de l’écologie des sols et contribuent à la stabilisation des dunes. Malgré cela, la diversité et la structure des communautés fongiques, ainsi que les mécanismes influençant leur dynamique écologique, demeurent relativement méconnus. Le travail présenté dans cette thèse explore la diversité des communautés fongiques à travers le gradient de succession et de conditions édaphiques d’un écosystème dunaire côtier afin d’améliorer la compréhension de la dynamique des sols en milieux dunaires. Une vaste collecte de données sur le terrain a été réalisée sur une plaine de dunes reliques se trouvant aux Îles de la Madeleine, Qc. J’ai échantillonné plus de 80 sites répartis sur l’ensemble de ce système dunaire et caractérisé les champignons du sol grâce au séquençage à haut débit. Dans un premier temps, j’ai dressé un portait d’ensemble des communautés fongiques du sol à travers les différentes zones des dunes. En plus d’une description taxonomique, les modes de vie fongiques ont été prédits afin de mieux comprendre comment les variations au niveau des communautés de champignons du sol peuvent se traduire en changements fonctionnels. J’ai observé un niveau de diversité fongique élevé (plus de 3400 unités taxonomiques opérationnelles au total) et des communautés taxonomiquement et fonctionnellement distinctes à travers un gradient de succession et de conditions édaphiques. Ces résultats ont aussi indiqué que toutes les zones des dunes, incluant la zone pionière, supportent des communautés fongiques diversifiées. Ensuite, le lien entre les communautés végétales et fongiques a été étudié à travers l’ensemble de la séquence dunaire. Ces résultats ont montré une augmentation claire de la richesse spécifique végétale, ainsi qu’une augmentation de la diversité des stratégies d’acquisition de nutriments (traits souterrains lié à la nutrition des plantes, soit mycorhizien à arbuscule, ectomycorhizien, mycorhizien éricoide, fixateur d’azote ou non spécialisé). J’ai aussi pu établir une forte corrélation entre les champignons du sol et la végétation, qui semblent tous deux réagir de façon similaire aux conditions physicochimiques du sol. Le pH du sol influençait fortement les communautés végétales et fongiques. Le lien observé entre les communautés végétales et fongiques met l’emphase sur l’importance des interactions biotiques positives au fil de la succession dans les environnements pauvres en nutriments. Finalement, j’ai comparé les communautés de champignons ectomycorhiziens associées aux principales espèces arborescentes dans les forêts dunaires. J’ai observé une richesse importante, avec un total de 200 unités taxonomiques opérationnelles ectomycorhiziennes, appartenant principalement aux Agaricomycètes. Une analyse de réseaux n’a pas permis de détecter de modules (c'est-à-dire des sous-groupes d’espèces en interaction), ce qui indique un faible niveau de spécificité des associations ectomycorhiziennes. De plus, je n’ai pas observé de différences en termes de richesse ou de structure des communautés entre les quatre espèces hôtes. En conclusion, j’ai pu observer à travers la succession dunaire des communautés diversifiées et des structures distinctes selon la zone de la dune, tant chez les champignons que chez les plantes. La succession semble toutefois moins marquée au niveau des communautés fongiques, par rapport aux patrons observés chez les plantes. Ces résultats ont alimenté une réflexion sur le potentiel et les perspectives, mais aussi sur les limitations des approches reposant sur le séquençage à haut-débit en écologie microbienne.

La face cachée de la dune : communautés fongiques du sol: dynamique, succession et interactions avec la végétation d’un écosystème dunaire côtier aux Îles de la Madeleine, Qc

Les écosystèmes dunaires remplissent plusieurs fonctions écologiques essentielles comme celle de protéger le littoral grâce à leur capacité d’amortissement face aux vents et vagues des tempêtes. Les dunes jouent aussi un rôle dans la filtration de l’eau, la recharge de la nappe phréatique, le maintien de la biodiversité, en plus de présenter un attrait culturel, récréatif et touristique. Les milieux dunaires sont très dynamiques et incluent plusieurs stades de succession végétale, passant de la plage de sable nu à la dune bordière stabilisée par l’ammophile à ligule courte, laquelle permet aussi l’établissement d’autres herbacées, d’arbustes et, éventuellement, d’arbres. Or, la survie de ces végétaux est intimement liée aux microorganismes du sol. Les champignons du sol interagissent intimement avec les racines des plantes, modifient la structure des sols, et contribuent à la décomposition de la matière organique et à la disponibilité des nutriments. Ils sont donc des acteurs clés de l’écologie des sols et contribuent à la stabilisation des dunes. Malgré cela, la diversité et la structure des communautés fongiques, ainsi que les mécanismes influençant leur dynamique écologique, demeurent relativement méconnus. Le travail présenté dans cette thèse explore la diversité des communautés fongiques à travers le gradient de succession et de conditions édaphiques d’un écosystème dunaire côtier afin d’améliorer la compréhension de la dynamique des sols en milieux dunaires. Une vaste collecte de données sur le terrain a été réalisée sur une plaine de dunes reliques se trouvant aux Îles de la Madeleine, Qc. J’ai échantillonné plus de 80 sites répartis sur l’ensemble de ce système dunaire et caractérisé les champignons du sol grâce au séquençage à haut débit. Dans un premier temps, j’ai dressé un portait d’ensemble des communautés fongiques du sol à travers les différentes zones des dunes. En plus d’une description taxonomique, les modes de vie fongiques ont été prédits afin de mieux comprendre comment les variations au niveau des communautés de champignons du sol peuvent se traduire en changements fonctionnels. J’ai observé un niveau de diversité fongique élevé (plus de 3400 unités taxonomiques opérationnelles au total) et des communautés taxonomiquement et fonctionnellement distinctes à travers un gradient de succession et de conditions édaphiques. Ces résultats ont aussi indiqué que toutes les zones des dunes, incluant la zone pionière, supportent des communautés fongiques diversifiées. Ensuite, le lien entre les communautés végétales et fongiques a été étudié à travers l’ensemble de la séquence dunaire. Ces résultats ont montré une augmentation claire de la richesse spécifique végétale, ainsi qu’une augmentation de la diversité des stratégies d’acquisition de nutriments (traits souterrains lié à la nutrition des plantes, soit mycorhizien à arbuscule, ectomycorhizien, mycorhizien éricoide, fixateur d’azote ou non spécialisé). J’ai aussi pu établir une forte corrélation entre les champignons du sol et la végétation, qui semblent tous deux réagir de façon similaire aux conditions physicochimiques du sol. Le pH du sol influençait fortement les communautés végétales et fongiques. Le lien observé entre les communautés végétales et fongiques met l’emphase sur l’importance des interactions biotiques positives au fil de la succession dans les environnements pauvres en nutriments. Finalement, j’ai comparé les communautés de champignons ectomycorhiziens associées aux principales espèces arborescentes dans les forêts dunaires. J’ai observé une richesse importante, avec un total de 200 unités taxonomiques opérationnelles ectomycorhiziennes, appartenant principalement aux Agaricomycètes. Une analyse de réseaux n’a pas permis de détecter de modules (c'est-à-dire des sous-groupes d’espèces en interaction), ce qui indique un faible niveau de spécificité des associations ectomycorhiziennes. De plus, je n’ai pas observé de différences en termes de richesse ou de structure des communautés entre les quatre espèces hôtes. En conclusion, j’ai pu observer à travers la succession dunaire des communautés diversifiées et des structures distinctes selon la zone de la dune, tant chez les champignons que chez les plantes. La succession semble toutefois moins marquée au niveau des communautés fongiques, par rapport aux patrons observés chez les plantes. Ces résultats ont alimenté une réflexion sur le potentiel et les perspectives, mais aussi sur les limitations des approches reposant sur le séquençage à haut-débit en écologie microbienne.

Conifer defence against insects: microarray gene expression profiling of Sitka spruce (Picea sitchensis) induced by mechanical wounding or feeding by spruce budworms (Choristoneura occidentalis) or white pine weevils (Pissodes strobi) reveals large

Conifers are resistant to attack from a large number of potential herbivores or pathogens. Previous molecular and biochemical characterization of selected conifer defence systems support a model of multigenic, constitutive and induced defences that act on invading insects via physical, chemical, biochemical or ecological (multitrophic) mechanisms. However, the genomic foundation of the complex defence and resistance mechanisms of conifers is largely unknown. As part of a genomics strategy to characterize inducible defences and possible resistance mechanisms of conifers against insect herbivory, we developed a cDNA microarray building upon a new spruce (Picea spp.) expressed sequence tag resource. This first-generation spruce cDNA microarray contains 9720 cDNA elements representing c. 5500 unique genes. We used this array to monitor gene expression in Sitka spruce (Picea sitchensis) bark in response to herbivory by white pine weevils (Pissodes strobi, Curculionidae) or wounding, and in young shoot tips in response to western spruce budworm (Choristoneura occidentalis, Lepidopterae) feeding. Weevils are stem-boring insects that feed on phloem, while budworms are foliage feeding larvae that consume needles and young shoot tips. Both insect species and wounding treatment caused substantial changes of the host plant transcriptome detected in each case by differential gene expression of several thousand array elements at 1 or 2 d after the onset of treatment. Overall, there was considerable overlap among differentially expressed gene sets from these three stress treatments. Functional classification of the induced transcripts revealed genes with roles in general plant defence, octadecanoid and ethylene signalling, transport, secondary metabolism, and transcriptional regulation. Several genes involved in primary metabolic processes such as photosynthesis were down-regulated upon insect feeding or wounding, fitting with the concept of dynamic resource allocation in plant defence. Refined expression analysis using gene-specific primers and real-time PCR for selected transcripts was in agreement with microarray results for most genes tested. This study provides the first large-scale survey of insect-induced defence transcripts in a gymnosperm and provides a platform for functional investigation of plant-insect interactions in spruce. Induction of spruce genes of octadecanoid and ethylene signalling, terpenoid biosynthesis, and phenolic secondary metabolism are discussed in more detail.