DIPLOMARBEIT. Titel der Diplomarbeit. Signalstoffanalyse bei Piper sp. und der assoziierten Ameise Pheidole bicornis. verfasst von

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1 DIPLOMARBEIT Titel der Diplomarbeit Signalstoffanalyse bei Piper sp. und der assoziierten Ameise Pheidole bicornis verfasst von Sandra Caroline Fleck angestrebter akademischer Grad Magistra der Naturwissenschaften (Mag.rer.nat.) Wien, 2014 Studienkennzahl lt. Studienblatt: Studienrichtung lt. Studienblatt: Betreut von: A Lehramtsstudium UF Biologie & Umweltkunde und UF Deutsch Dipl. Biol. Dr. Veronika Mayer

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11 Metheisa lucillodes Pheidole bicornis Pheidole bicornis Metheisa lucillodes Pipe Piper Metheisa lucillodes Piper Pheidole bicornis Piper fimbriulatum Piper obliquum

12 Pheidole bicornis Piper Metheisa lucillodes Piper Pheidole bicornis Metheisa lucillodes? Metheisa lucillodes Metheisa lucillodes Piper

13 3 Material und Methoden 3.1 Standorte und Organismen Biogeographische Lage der Untersuchungsgebiete Die Untersuchungen vor Ort fanden in einem Tiefland-Regenwald in direkter Nähe der Tropenstation La Gamba im sogenannten Esquinas-Regenwald von Mitte August 2013 bis Anfang Oktober 2013 statt. Die Tropenstation La Gamba liegt am Rande des Regenwald der Österreicher, einem Teil des Nationalparks Parque Nacional Piedras Blancas im südwestlichen Teil Costa Ricas nahe der Pazifikküste (Abb. 2). Abb. 2: Regenwald der Österreicher im ACOSA-Gebiete. In: WEBER, A. & al., 2001 Das dort vorherrschende Klima lässt sich dem Zonobiom I - Zone humid-tropischer Regenwaldgebiete, äquatoriales Zonobiom mit Tageszeitenklima zuordnen (POTT, 2005). Der Esquinas-Regenwald gilt mit 5836 mm Niederschlag pro Jahr als der 13

14 feuchteste Tiefland-Regenwald ganz Zentralamerikas (WEISSENHOFER &HUBER, 2008). Die Regenzeit begrenzt sich auf die Monate Mai bis November, mit den stärksten Regenfällen im Oktober. Die Trockenzeit dauert von Dezember bis April, mit manchmal tagelangen Regenausfällen von Februar bis März (WEISSENHOFER &HUBER, 2008). Die Jahresdurchschnittstemperatur liegt bei 28,2 C. Die durchschnittliche Luftfeuchtigkeit beträgt direkt an der Station 88,3 % und ist im Waldinneren weit höher. Als Teil der Golfo Dulce Region ist das Areal durch natürlicher Grenzen gegliedert: dem Berg Fila Costeña im Nordosten, dem Fluss Río Sierpe im Nordwesten, dem Pazifischen Ozean im Westen und Süden, als auch dem Rìo Colorado im Osten (WEISSENHOFER, HUBER & KLINGLER, 2008). Geographisch umschließen folgende Koordinaten die Region in 8 27` N und 83 15` `W (WEISSENHOFER, HUBER,&KLINGLER, 2008) (Abb. 2). Die Golfo Dulce Region entstammt der Kreidezeit und ist vermutlich die jüngste Sequenz in der gesamten Region. Ihre tonhaltige Zusammensetzung wird von der dichten Vegetation zusammengehalten (MALZER & FIEBIG, 2008). Für den Bereich des Osa Conservation Area (ACOSA) (Abb. 2) sind unter den zehn häufigsten Pflanzenfamilien die Piperaceae auf Platz 6, mit 78 Arten. Auf Platz 1 der reichsten Gattungen findet sich Piper mit 57 Vertretern (HUBER et al., 2008). Standorte Riverbed-Trail & Ozelot Trail Die Versuchspflanzen (Piper sp.) befanden sich in direkter Nähe der Tropenstation La Gamba entlang des Riverbed-Trail, des Ozelot-Trail und im Garten der Tropenstation (Abb. 3). Mit Ausnahme von Piper fimbriulatum IVo, die sich am direkten Flusslauf beim Ozelot-Trail befand und den Pflanzen Ia, Ib und IIb im Garten der Tropenstation, wurden alle anderen 16 Versuchspflanzen für die Duftstoffreihen, bestehend aus Piper fimbriulatum und Piper obliquum, entlang des Riverbed-Trails verwendet. Ausgewählt wurden solche Individuen, die aufgrund ihres Standorts gut erreichbar waren und entsprechend ihrer Wuchshöhe gut untersucht werden konnten (siehe Kapitel 8.1). Auffallend war, dass sich Piper fimbriulatum in nächster Nähe zu den Bächen (fast schon im fließenden Wasser) befand, wohingegen Piper obliquum mit einem guten 14

15 Abstand (von ca. 2 m) zu den Bächen wurzelte. Abb. 3: Wegplan der Tropenstation La Gamba ( Piper sp. Die Pfeffergewächse (Piperaceae) sind pantropisch verbreitet und hinsichtlich ihrer Wuchsform eine vielseitige Pflanzenfamilie. Sie kommen als Sträucher, Bäume, Lianen oder Epiphyten (Aufsitzerpflanzen) vor, besitzen meist kugelförmige Ölzellen im Gewebe und haben einen aromatischen Duft. Teilweise sind sie behaart oder unbehaart und tragen Drüsen mit farblosem oder farbigem Inhalt. Typisch sind die verdickten Nodien, die oft asymmetrische Blätter und ährenförmige Blütenstände ohne Blütenhüllen haben (WEBER, 2001). Mit ca Arten ist die Gattung Piper sp. eine der größten Gattungen der Angiospermen (JARAMILLO et al., 2008). Sieben Arten sind obligat myrmekophytisch, drei Arten fakultativ myrmekophytisch 15

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25 Zur statistischen Überprüfung der Effekte wurden die Faktoren Versuchsreihe (jeweiliger Duftstoff) und Piper-Art (PF oder PO) entsprechend der Abwehrkapazität in einer zweifaktoriellen ANOVA verglichen. Die dokumentierten F- und p-werte können dem Anhang entnommen werden (siehe Kapitel 8.4). Statistik Die in den EXCEL-Graphiken (Abb. 8) festgehaltenen Ergebnisse wurden mittels zweifaktorieller ANOVA überprüft. Dafür wurden die Mittelwerte der Abwehrkapazität von Pheidole bicornis mit allen Individuen von Piper fimbriulatum und Piper obliquum einer arcsin-wurzel-transformation unterzogen. Die Frage, ob sich die Ameisenaktivität je nach Duftstoff bei den beiden Pflanzen unterscheidet, sollte beantwortet werden. Überprüft wurden die Zeitintervalle Z1 bis Z4, da sie die höchste Ameisenaktivität zeigten. Die Individuen wurden in die beiden Gruppen PF für Piper fimbriulatum und PO für Piper obliquum zusammengeführt und für die einzelnen Variablen (a-copaen, b-caryophyllen, Germacren D, Mix I, Mix II oder Verletzte ) verglichen. Es ist davon auszugehen, dass die Mittelwerte normalverteilt sind. Die Ergebnisse wurden in Form eines 95-prozentigen Konfidenzintervalls visualisiert. Die p-werte des Signifikanztests und entsprechende F-Werte können dem Anhang (Kapitel 8.4) entnommen werden. Alle Berechnungen und Graphiken wurden mit STATISTICA 7.0 STATSOFT angefertigt Verteilung der Ölzellen bei Piper sp Handmikrotom-Schnitte aus Frischmaterial Im August 2013 wurde im Umkreis der Forschungsstation Tropenstation La Gamba Frischmaterial der myrmekophytischen Arten Piper fimbriulatum und Piper obliquum, als auch der nicht-myrmekophytischen Arten Piper aduncum und Piper 25

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28 Beispielrechnung für Piper aduncum (Abb. 9; 2) Gesamtpixelzahl Fläche außerhalb Querschnitt (gesamt) ( =266048) Blaue Markierung Durchschnitt 27,31 % (100/ x 72657) Gesamtdurchschnitt P. aduncum: 47,85 % (47, , ,59 = 47,85) Für die Datenerhebung wurden ausschließlich Frischschnitte mit Sudan III Färbung verwendet. Die gefärbten Strukturen, der in FAA konservierten Materialien waren eindeutig zu schwach. 28

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71 7.2 Digitale Quellen LONGINO,J.T.&COVER, S. (2005): rnis.html ( ) LONGINO,J.T.&COVER, S. (2005): n.html ( ) 7.3 Graphikquellen Abb. 2 WEISSENHOFER, A., HUBER,W.,&KLINGLER, M. (2008): Geography of Golfo Dulce region. IN:STAPFIA 88 (2008) Natural and Cultural History of the Golfo Dulce Region, Costa Rica. Linz. Pp 20. Abb. 3 df ( ) Abb. 5 Unter Hinzunahme von: bicornis/bicornis.html ( ) Abb. 6 Mit freundlicher Unterstützung von GERNOT KUNZ Abb. 13 VERONIKA MAYER (Universität Wien) Abb. 14 MÜLLER (1941): Über Bau und Funktion des Legeapparates der Zikaden (Homoptera Cicadina). IN:BUCHNER ET SCHULZE. Zeitschrift für Morphologie und Ökologie der Tiere (1942). Berlin. Springer-Verlag. Pp Abb. 15 VERONIKA MAYER (Universität Wien) Abb. 16 VERONIKA MAYER (Universität Wien) Abb. 22 DR.STEFAN BARTRAM (Max Planck Institut für chemische Ökologie, Jena) Abb. 23 DR.STEFAN BARTRAM (Max Planck Institut für chemische Ökologie, Jena) 71

72 7.4 Abbildungsverzeichnis Abb. 1 Konzeptmodell Duftstoffversuche S. 12 Abb. 2 Regenwald der Österreicher, ACOSA-Gebiete S. 13 Abb. 3 Wegplan der Tropenstation La Gamba S. 15 Abb. 4 Versuchsobjekte mit Krokodilsklemme S. 16 Abb. 5 Pheidole bicornis S. 17 Abb. 6 Metheisa lucillodes S. 19 Abb. 7 Versuchsapparatur mit Stativ. S. 22 Abb. 8 Mittelwerte der Abwehrkapazität aller Versuchsreihen von Ph. bicornis für P. fimbriulatum und P. obliquum. Abb. 9 Handmikrotom-Dünnschnitte von P. aduncum mit Sudan III- Färbung. Abb. 10 Handmikrotom-Dünnschnitte von P. auritum mit Sudan III- Färbung. Abb. 11 Handmikrotom-Dünnschnitte von P. fimbriulatum mit Sudan III- Färbung. Abb. 12 Handmikrotom-Dünnschnitte von P. obliquum mit Sudan III- Färbung. S. 32 S. 35 S. 36 S. 37 S. 38 Abb. 13 REM-Aufnahmen: Länge des Ovipositors von M. lucillodes S. 39 Abb. 14 Legeapparat von Cicadella viridis dem sogenannten Stichsägetypus der Jassidae, entspricht dem Typ von M. lucillodes. Abb. 15 Verschieden große REM-Aufnahmen des Legeapparats eines weiblichen Individuums von M. lucillodes. S. 40 S. 41 Abb. 16 Verschieden Gelege von M. lucillodes auf Piper sp. S. 42 Abb. 17 Mikrotom-Querschnitte von P. hispidum mit 5 Gelegeschlitzen von M. lucillodes. S

73 Abb. 18 Detailansicht zu Abb. 17. S. 44 Abb. 19 Gelegetiefe übertragen von P. hispidum auf je drei Individuen der Art P. Abb. 20 Zweitjüngstes Internodium von P. obliquum während der in situ Versuche. S. 45 S. 50 Abb. 21 Ablageschritte des Stichsägentyps (Jassiden) S. 60 Abb. 22 SPME-Analysen P. fimbriulatum S. 82 Abb. 23 SPME-Analysen P. obliquum S. 83 Abb % - Konfidenzintervall P. fimbriulatum und P. obliquum in Z1 Abb % - Konfidenzintervall P. fimbriulatum und P. obliquum in Z2 Abb % - Konfidenzintervall P. fimbriulatum und P. obliquum in Z3 Abb % - Konfidenzintervall P. fimbriulatum und P. obliquum in Z4 Abb. 28 Stängelquerschnitt von P. fimbriulatum Toluidinblau/ Rutheniumrot-Färbung in unterschiedlicher Vergrößerung Abb. 29 Stängelquerschnitt von P. obliquum Toluidinblau/Rutheniumrot- Färbung in unterschiedlicher Vergrößerung S. 89 S. 90 S. 90 S. 91 S. 95 S

74 7.5 Tabellenverzeichnis Tab. 1 Auflistung aller untersuchten Piper s. und deren Verwendung S. 16 Tab. 2 Einteilung der Zeitintervalle S. 23 Tab. 3 Ölzellen-Konzentration bei myrmekophytischen und nichtmyrmekophytischen Piper-Arten S. 34 Tab. 4 Auflistung der Versuchsindividuen von P. fimbriulatum S. 75 Tab. 5 Auflistung der Versuchsindividuen von P. obliquum S. 76 Tab. 6 Gesamtdaten der Feldversuche von P. fimbriulatum (Faltblatt) S. 78 Tab. 7 Gesamtdaten der Feldversuche von P. obliquum (Faltblatt) S. 80 Tab. 8 SPME-Daten von P. fimbriulatum (CR ) und P. obliquum (Glashaus) S. 84 Tab. 9 Arcsin-transformierten Werte für die Zeitintervalle Z1-Z2 für P. fimbriulatum und P. obliquum Tab. 10 F-Werte und p-werte für die Zeitintervalle Z1 bis Z4 im Vergleich von P. fimbriulatum und P. obliquum Tab. 11 Duftstoffkonzentrationen der Reinstoffe -Copaen, - Caryophyllen und Germacren D in der jeweiligen Konzentration für P. fimbriulatum und P. obliquum S. 85 S. 89 S. 92 Tab. 12 Duftstoffkonzentration von Mix I für P. fimbriulatum S. 92 Tab. 13 Duftstoffkonzentration von Mix II für P. fimbriulatum S. 93 Tab. 14 Duftstoffkonzentration von Mix I für P. obliquum S. 94 Tab. 15 Duftstoffkonzentration von Mix II für P. obliquum S

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79 Piper fimbriulatum Piper fimbriulatum

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81 Piper obliq quu um

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84 fimbriulatum

85 obliquum

86 P. fimbriulatum P. obliquum P. fimbriulatum P. fimbriulatum P. fimbriulatum P. obliquum P. obliquum P. obliquum

87 8.4 Daten der Statistik Arcsin-Transformation Zeitintervall 1 (Z1) bis Zeitintervall 4 (Z4) Tab. 9: Auflistung aller arcsin-transformierten Werte für die Zeitintervalle Z1-Z2 für Piper fimbriulatum (PF) und Piper obliquum (PO) Z1 Art Treatments Z1 ArcsinWurzel 1 PF Alpha-Copaene 0, PF Alpha-Copaene 0, PF Alpha-Copaene 0, PF Alpha-Copaene 0, PF Alpha-Copaene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 1, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Germacren D 0, PF Germacren D 0, PF Germacren D 1, PF Germacren D 0, PF Germacren D 0, PF Mix I 0, PF Mix I 0, PF Mix I 0, PF Mix I 0, PF Mix I 0, PF Mix I 0, PF Mix II 0, PF Mix II 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 1, PF Verletzte 0, PF Verletzte 1, PF Verletzte 0, PO Alpha-Copaene 1, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 1, PO Beta-Caryophyllene 1, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Germacren D 0, PO Germacren D 0, PO Germacren D 0,

88 86 93 PO Mix I 0, PO Mix I 0, PO Mix I 0, PO Mix II 0, PO Mix II 0, PO Verletzte 0, PO Verletzte 0, PO Verletzte 1, PO Verletzte 0, Z2 Art Treatments Z2 ArcsinWurzel 1 PF Alpha-Copaene 0, PF Alpha-Copaene 0, PF Alpha-Copaene 0, PF Alpha-Copaene 0, PF Alpha-Copaene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 1, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Germacren D 1, PF Germacren D 0, PF Germacren D 0, PF Germacren D 0, PF Mix I 0, PF Mix I 0, PF Mix I 1, PF Mix I 0, PF Mix II 0, PF Mix II 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 1, PF Verletzte 1, PF Verletzte 0, PF Verletzte 1, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 1, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Germacren D 0, PO Germacren D 0, PO Germacren D 0, PO Mix I 0,

89 100 PO Mix I 0, PO Mix II 0, PO Mix II 0, PO Verletzte 0, PO Verletzte 0, PO Verletzte 1, PO Verletzte 1, PO Verletzte 0, PO Verletzte 1, PO Verletzte 0, Z3 Art Treatments Z3 ArcsinWurzel 1 PF Alpha-Copaene 0, PF Alpha-Copaene 0, PF Alpha-Copaene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Germacren D 0, PF Germacren D 0, PF Germacren D 0, PF Germacren D 0, PF Germacren D 0, PF Mix I 0, PF Mix I 0, PF Mix I 0, PF Mix II 0, PF Mix II 0, PF Verletzte 1, PF Verletzte 1, PF Verletzte 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 1, PF Verletzte 1, PF Verletzte 1, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 1, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Germacren D 0, PO Germacren D 0, PO Germacren D 0, PO Germacren D 0, PO Mix I 0, PO Mix I 0, PO Mix II 0, PO Mix II 0, PO Verletzte 0, PO Verletzte 1,

90 PO Verletzte 0, PO Verletzte 0, PO Verletzte 0, PO Verletzte 1, PO Verletzte 0, PO Verletzte 0, Z4 Art Treatments Z4 ArcsinWurzel 1 PF Alpha-Copaene 0, PF Alpha-Copaene 0, PF Alpha-Copaene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Beta-Caryophyllene 0, PF Germacren D 0, PF Germacren D 0, PF Germacren D 1, PF Germacren D 0, PF Germacren D 0, PF Mix I 0, PF Mix I 0, PF Mix II 0, PF Verletzte 1, PF Verletzte 1, PF Verletzte 0, PF Verletzte 1, PF Verletzte 0, PF Verletzte 1, PF Verletzte 0, PF Verletzte 0, PF Verletzte 1, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Alpha-Copaene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Beta-Caryophyllene 0, PO Germacren D 0, PO Germacren D 0, PO Germacren D 0, PO Germacren D 0, PO Mix I 0, PO Mix II 0, PO Mix II 0, PO Verletzte 1, PO Verletzte 0, PO Verletzte 0, PO Verletzte 0, PO Verletzte 1, PO Verletzte 1, PO Verletzte 0, PO Verletzte 0, PO Verletzte 0,

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94 8.5 Duftstoffkonzentrationen Tab. 11: Duftstoffkonzentration der Reinstoffe -Copaen, -Caryophyllen und Germacren D in der jeweiligen Konzentration für P. fimbriulatum und P. obliquum P. fimbriulatum P. obliquum [ g] in ml [ g] in ml -Copaen Caryophyllen ,6 6 Germacren D Tab. 12: Duftstoffkonzentration von Mix I für P. fimbriulatum, zusammengesetzt aus reinem -Copaen und reinem -Caryophyllen. Auf das zweitjüngste Internodium wurden jeweils 16 l aufpipettiert. in 16 l Volumen l -Copaen [ g] -Caryophyllen [ g] -Copaen [ g] -Caryophyllen [ g] -Copaen 300 0, Caryophyllen 40 0,002 P. fimbiulatum Mix I ,002 4,00 10,00 92

95 P. fimbriulatum P. fimbriulatum P. fimbriulatum P. fimbriulatum Mix II

96 P. obliquum P. obliquum P. obliquum P. obliquum P. obliquum P. obliquum

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98 P. obliquum

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100 10 Lebenslauf Persönliche Daten Name Sandra Caroline Fleck, BA Geburtstag 23. Dezember 1986 Geburtsort Staatsbürgerschaft Kontakt Bad Kreuznach (D) Deutschland 98 Ausbildung Lehramtsstudium UF Biologie & Umweltkunde und UF Deutsch, Universität Wien Bachelor of Arts (BA) Deutsche Philologie, Universität Wien Stefan George Gymnasium, Bingen am Rhein Rochus Realschule Bingen, Bingen am Rhein Grundschule Waldalgesheim, Waldalgesheim Studienbezogene und berufsrelevante Tätigkeiten 09/2013 KWA-Stipendium, Forschungsaufenthalt in Golfito, Costa Rica 07/ - 08/2013 Redaktionspraktikum, ZDF Naturwissenschaft & Technik, München Ehrenamtliche Chefredakteurin, Magazin 13er PPÖ Wien Nachhilfelehrerin bei Nachhilfeinstitut Lernexpress, Wien Freiwilliges soziales Jahr (FSJ), Erzieherin für schwererziehbare 8-14-Jährige, Sozialdienst kath. Frauen, Giessen