LARA IVANKOVIĆ TATALOVIĆ

Naslov:

Functional diversity, trophic interaction, development and metabolism of ground beetles (Coleoptera: Carabidae) in perennial Mediterranean agroecosystems

Funkcionalna raznolikost, trofički odnosi, razvoj i metabolizam trčaka (Coleoptera: Carabidae) višegodišnjih mediteranskih agroekosustava

Srijeda, 21. prosinca 2022. godine u 10.00 sati

u predavaonici BO3, Rooseveltov trg 6, Zagreb

Povjerenstvo za obranu imenovano je u sastavu:

Doc. dr. sc. Sandra Hudina, PMF, Zagreb

Izv. prof. dr. sc. Darija Lemić, Agronomski fakultet, Zagreb

Doc. dr. sc. Al Vrezec, Biotehniški fakultete Univerze v Ljubljani, Slovenia

Zamjena: prof. dr. sc. Ivana Maguire, PMF, Zagreb

Mentori:

Dr. sc. Lucija Šerić Jelaska, viša znanstv. suradnica, PMF, Zagreb

Izv. prof. dr. sc. Tomislav Kos, Odjel za ekologiju, agronomiju i akvakulturu, Sveučilište u Zadru, Hrvatska

THESIS SUMMARY:

The goals of this dissertation were to measure impact of different types of management that are carried out in Mediterranean olive groves and vineyards on the community, populations and individuals of carabid beetles, who provide valuable ecosystem services to agriculture. A special emphasis was placed on predatory species of carabid beetles, which can control harmful pests on plants with their predatory activity. Research methods included morphological analyses, molecular biology (PCR diagnostics), and toxicology (intoxication with active ingredients, HPLC, GC-MS) were used in order to compare the proportions of different functional groups of carabids depending on the type of agronomic management, the impact of management on their development, predatory activity, and metabolism, but also to check whether insecticides spread through soil foodwebs via trophic interactions. By combining the collected data from Zadar County and data published from the other Mediterranean areas, we proved that management affects the composition of the community and that unmanaged habitats have a significantly higher proportion of carnivorous carabid species. Unmanaged habitats also contained a higher proportion of large flightless species. The method of fluctuating asymmetry, performed on two species, indicated that olive orchards are less adverse habitats for the development of carabid beetles than vineyards, however, unmanaged habitats are more suitable compared to both vineyards and olive orchards. Of the two tested species, Pterostichus melas proved to be more suitable species for fluctuating assymetry as a sign of negative enviromental impact on populations, given that it showed statistically significant differences in the level of fluctuating asymmetry between populations, while in the species Poecilus koyi there were no differences between populations. Furthermore, acute poisoning with thiamethoxam, an insecticide from the group of neonicotinoids, caused a series of sub-lethal effects in carabids. Individuals exposed to higher concentrations consumed significantly less food and exhibited obvious locomotory impairments, such as slow, irregular gait, intense cleaning of antenae, and inability to return to their feet when turned over on their backs. Furthermore, changes in the concentration of individual metabolites in the treated individuals indicate that following the intoxication, oxidative stress occurred in the tissues of the carabids. However, measurement of the activity of superoxide dismutase, an enzyme involved in the defense against oxidative stress, did not show any significant differences between the groups depending on the concentration. In this research, for the first time, the transfer of insecticides from the soil to selected prey (earthworm), and then from the prey to predatory species through feeding, was demonstrated in the laboratory. Using molecular methods, we confirmed that carabids from the research sites feed on earthworms. This research confirmed that: (i) unmanaged, stable habitats favor a higher proportion of predatory species and their normal development; (ii) insecticides can enter carabid beetle's tissue indirectly, by feeding on the contaminated prey; (iii) higher concentrations of the insecticide thiamethoxam cause disturbances in the feeding, movement, and metabolism of carabids, disrupting their predatory activity and thus reducing ecosystem services that might be provided by carabids, which in agricultural ecosystems contributes to the biocontrol of plant pests. These results may help to develop more sustainable management practices that support the community of predators and reduce the loss of biodiversity in the Mediterranean region.

SAŽETAK RADA:

U sklopu disertacije provedena su istraživanja utjecaja različitih tipova gospodarenja koja se provode u mediteranskim maslinicima i vinogradima na zajednicu, populacije i jedinke trčaka (Insecta, Coleoptera, Carabidae). Većina istraživanja bila je usmjerena na grabežljive vrste trčaka koje svojom ishranom suzbijaju nametnike na biljkama i time doprinose održivosti poljoprivrednih ekosustava. U istraživanju su korištene metode koje se primjenjuju u morfološkim istraživanjima, molekularnoj biologiji (PCR dijagnstika) i toksikologiji (izlaganje aktivnim tvarima, HPLC, GC-MS) kako bi usporedili udjele različitih funkcionalnih grupa trčaka ovisno o načinu poljoprivrednog gospodarenja i utjecaju gospodarenja na njihov razvoj, ishranu i metabolizam, ali i kako bi provjerili šire li se insekticidi ishranom kroz različite trofičke interakcije unutar hranidbenih mreža tla. Analizom objavljenih podataka vezanih za mediteransko područje i onih prikupljenih na terenu na području Zadarske županije dokazali smo da gospodarenje utječe na sastav zajednice te da negospodarena staništa imaju značajno viši udio mesojednih vrsta trčaka. Negospodarena staništa su također sadržavala viši udio velikih vrsta koje ne lete i vezana su uglavno za stabilnije stanišne uvjete. Vrijednosti fluktuacijske asimetrije izmjerene na populacijama dviju vrsta ukazale su da su maslinici povoljniji za razvoj trčaka od vinograda, dok su negospodarena staništa bila povoljnija u odnosu na maslinike i vinograde. Od dvije testirane vrste, Pterostichus melas se pokazao prikladnijom vrstom za analizu fluktuacijske asimetrije kao pokazatelja promjena u okolišu koje negativno utječu na populacije, s obzirom da su se u toj vrsti iskazale statistički značajne razlike u razini fluktuacijske asimetrije između populacija, dok kod vrste Poecilus koyi razlika među populacijama nije bilo. Nadalje, akutno trovanje tiametoksanom, insekticidom iz skupine neonikotinoida, izazvalo je niz subletalnih reakcija kod jedinki trčaka. Jedinke izložene višim koncentracijama konzumirale su značajno manje količine hrane, a motorika im je bila poremećena. Nadalje, promjene u koncentraciji pojedinih metabolita u tretiranih jedinki ukazuju da je slijedom trovanja došlo do oksidativnog stresa u tkivu trčaka. Međutim, mjerenjem aktivnosti superoksid dismutaze, enzima koji sudjeluje u obrani od oksidativnog stresa, nisu dobiveneznačajne razlike između grupa ovisno o koncentraciji. U ovom istraživanju prvi put je laboratorijski dokazan prijenos insekticida iz supstrata (tlo) na odabrani plijen (gujavice), te potom s plijena na grabežljive trčke putem ishrane. Molekularnim metodama smo potvrdili da se trčci s istraživanih ploha hrane gujavicama. Ovim istraživanjem je potvrđeno da: (i) staništa na kojima se ne gospodari pogoduju grabežljivim vrstama i njihovom normalnom razvoju i predstavljaju stabilniji okoliš za istraživanu skupinu na što ukazuje veća brojnost vrsta koje ne lete; (ii) insekticidi u tkivo tračaka mogu doći i neizravnim doticajem s aktivnim tvarima hraneći se kontaminiranim plijenom; (iii) više koncentracije insekticida thiametoksama izazivaju poremećaje u hranjenju, kretanju i metabolizmu trčaka, što narušava njihovu grabežljivu aktivnost koja u poljoprivrednim ekosustavima doprinosi biološkoj zaštiti. Ovi rezultati pridonose razvoju načina gospodarenja koji podržavaju zajednicu grabežljivih trčaka, te time smanjiti gubitak bioraznolikosti u mediteranskoj regiji.