Interaktionen zwischen Bestäubern und nektarbewohnenden Hefegemeinschaften

Floral nectar offers a unique niche as habitat for microorganisms. The fluid nectar environment is characterized by a high sugar-concentration, a short flower lifetime and regular nectar depletion and replenishment caused by nectar-foraging pollinators. Microorganisms that live in floral nectar must resist high osmotic pressure, adapt quickly to new environmental conditions, have fast growth rates and manage frequent dispersal to new habitats. Besides generalist bacterial and fungal species that are also known from other sources, there are three yeast species that are almost exclusively found in floral nectar and which are called nectar yeasts: Metschnikowia reukaufii, M. gruessii and Candida rancensis. They can affect their environment by changing nectar chemistry, scent, flower temperature and, as a result, even pollinator behavior. The ecology of nectar yeasts is of interest because of their application as a microbial model system for ecological questions and their potential to change nectar quality and pollinator behavior. The pollinator has a very special role in the ecology of nectar yeasts as it collects nectar, but also triggers the production of fresh nectar, acts as dispersal pathway for microorganisms and is most likely an unintentional predator when yeasts are swallowed with nectar. The interaction between nectar yeasts and pollinators includes the effects of yeasts on pollinators and vice versa and their dependencies. This thesis focusses on the effects of pollinators on nectar yeasts, mainly by the mechanism of passive dispersal. To understand local population dynamics of nectar yeasts in single flowers and their stepwise dispersal from flower to pollinator and back to flower, I conducted laboratory experiments with honeybees and artificial flowers and applied an ecological modelling approach (Chapter 1). In the second chapter I describe my investigation of yeast dispersal and metacommunity characteristics under natural conditions in the Uckermark region (Brandenburg, Germany). Finally, I targeted the open question about the overwintering strategy of nectar yeasts in my last chapter, where I tested if yeasts can overwinter with bees (Chapter 3). In chapter one I attempted to elucidate the conditions under which nectar yeasts reach cell densities with ecological effects. My first finding was that pollination frequency must be in a beneficial range: too few pollination events reduce yeast inoculation rate and too many strongly reduce local yeast population size. Second, nectar yeasts need traits that ensure at least an intermediate growth rate and an intermediate fraction of yeasts remaining in the flower to compensate for frequent decimation events. Furthermore, I measured that only one out of a thousand cells from a local yeast population reaches the next flower with a pollinator. Those findings suggest that in systems with frequent disturbances, a trait combination of an intermediate persistence ability and intermediate growth rate is optimal rather than maximizing either trait alone. Investigations of pollinators and flowers from three common tree species in the Uckermark region (Chapter 2) revealed that floral yeast species composition was similar to yeasts dispersed by social insects and dissimilar to yeasts dispersed by solitary insects. Bumblebees and honeybees transported the most nectar-yeasts, wild bees and wasps the most insect-associated yeast species, and sawflies the most transient yeast species. I found strong decrease for yeasts specialized on insects and their nests from pollinator to flower. The results show that the flower visit frequency of the pollinator community plays an important role in determining the species richness and the overall species abundance of the yeasts in flowers, whereas local processes like environmental filtering effects mainly shape the yeast species composition. This approach offers new insights into the role of ecological filters during the dispersal and colonization processes of metacommunities and shows that nectar yeasts offer a unique model system to study the passive dispersal of communities. In the overwintering experiments with bees I did not find any isolates of specialized nectar yeast species after winter (Chapter 3). However, we found other fungi and yeast species which are known to colonize nectar but are not restricted to the nectar habitat. Some of those occur in very high abundance in floral nectar and are strong competitors with nectar yeasts in floral nectar. Thus, the question of where nectar yeasts overwinter remains open, but we can exclude bees as main vector. Instead, bees offer an overwintering pathway for competitors of nectar yeasts. This thesis contributes to our fundamental knowledge about nectar yeast ecology and offers insights into several biotic interactions between pollinating insects and yeasts living in floral nectar. I show here that nectar yeasts, from local populations to metacommunities, are strongly regulated by the density and species composition of the pollinator community.Blütennektar bietet eine einzigartige Nische als Lebensraum für Mikroorganismen. Flüssiger Nektar ist als Lebensraum charakterisiert durch eine hohe Zuckerkonzentration, eine kurze Lebensdauer der Blüte und regelmäßige Nektarentnahme und -reproduktion, verursacht durch nektarsammelnde Bestäuber. Mikroorganismen, die in Blütennektar leben, müssen hohem osmotischem Druck standhalten, sich schnell an neue Umweltbedingungen anpassen, über eine hohe Wachstumsrate verfügen und den häufigen Transport zu neuen Habitaten sicherstellen. Neben generalistischen Bakterien- und Pilzarten, die auch in anderen Lebensräumen vorkommen, gibt es drei Arten von Hefepilzen, die bisher fast ausschließlich in Blütennektar gefunden wurden und Nektarhefen genannt werden: Metschnikowia reukaufii, M. gruessii und Candida rancensis. Sie können ihre Umwelt beeinflussen indem sie die chemische Zusammensetzung des Nektars und des Nektarduftes sowie die Blütentemperatur und als Folge davon auch das Verhalten der Bestäuber verändern. Die Ökologie der Nektarhefen ist von Interesse, weil sie als mikrobielles Modellsystem für ökologische Fragestellungen verwendet werden und wegen ihres Potentials die Qualität des Nektars und das Verhalten von Bestäubern zu verändern. Der Bestäuber spielt eine besondere Rolle in der Ökologie der Nektarhefen, denn er sammelt zwar den Nektar, verursacht dadurch aber auch die Nachproduktion von frischem Nektar, wirkt als Ausbreitungsvektor für Mikroorganismen und ist auch wahrscheinlich unbeabsichtigter Konsument von Hefen durch das Verschlucken von Hefen mit dem Nektar. Die Interaktionen zwischen Nektarhefen und Bestäubern beinhalten die Auswirkungen der Hefen auf die Bestäuber und umgekehrt sowie ihre gegenseitigen Abhängigkeiten. Diese Dissertation befasst sich mit den Auswirkungen der Bestäuber auf Nektarhefen, hauptsächlich durch den Mechanismus der passiven Ausbreitung. Um lokale Populationsdynamiken von Nektarhefen in einzelnen Blüten und deren schrittweise Verbreitung von der Blüte zum Bestäuber und zurück in die Blüte zu verstehen, nutzte ich ökologische Modellierung sowie Honigbienen und künstliche Blüten für Experimente im Labor (Kapitel 1). Im zweiten Kapitel untersuchte ich die Ausbreitung und die Eigenschaften von Hefe-Metagemeinschaften unter natürlichen Bedingungen in der Uckermark (Brandenburg, Deutschland). Die Überwinterungsstrategie der Nektarhefen ist noch immer eine ungeklärte Frage. Deshalb prüfte ich im letzten Kapitel, ob Hefen mit Bienen überwintern können (Kapitel 3). In Kapitel 1 wollte ich wissen unter welchen Bedingungen Nektarhefen Zelldichten mit ökologisch wirksamen Effekten erreichen. Die Antwort besteht aus zwei Teilen. Erstens, die Bestäubungshäufigkeit muss in einem vorteilhaftem Bereich liegen: Zu seltene Bestäubung reduziert die Inokulationsrate der Hefen und zu häufige Bestäubung reduziert die lokale Populationsdichte stark. Zweitens, Nektarhefen benötigen Eigenschaften, die mindestens eine mittlere Wachstumsrate und bei Störung das Zurückbleiben eines mittleren Anteils der Hefepopulation sicherstellen, um häufige Störungen zu kompensieren. Außerdem beobachtete ich, dass nur eine von tausend Hefezellen einer lokalen Population mit einem Bestäuber die nächste Blüte erreicht. Diese Ergebnisse führen zu der Schlussfolgerung, dass es für Lebewesen, die einer häufigen Störungen unterliegen, optimaler ist eine mittlere Wachstumsrate und einen mittleren Störungswiderstand zu entwickeln, anstatt nur eine dieser beiden Eigenschaften allein zu maximieren. Die Untersuchungen an Bestäubern und Blüten von drei häufigen Baumarten in der Uckermark (Kapitel 2) zeigten, dass eine hohe Ähnlichkeit für soziale Insekten und eine geringe Ähnlichkeit für solitäre Insekten in der Artenzusammensetzung von Hefen, die von Bestäubern transportiert werden und die in Blüten etabliert sind, besteht. Hummeln und Honigbienen transportierten die meisten Nektarhefen, Wildbienen und Wespen die meisten Hefen, die auf Insekten spezialisiert sind, und Schwebfliegen die meisten Hefe-Generalisten. Ich beobachtete einen starken Rückgang von auf Insekten spezialisierte Hefen von der Bestäuber- zur Blütenebene. Die Resultate zeigen, dass die Bestäubungshäufigkeit einen wichtigen Einfluss auf die Vielfalt der Hefearten und deren allgemeine Häufigkeit hat, wobei lokale Prozesse wie das Herausfiltern von Arten durch unpassende Umweltbedingungen hauptsächlich die Zusammensetzung der Hefegesellschaften bestimmen. Die hier verwendete Methode bietet neue Einblicke in die Rolle von ökologischen Filtern während Ausbreitungs- und Kolonisierungsprozessen von Metagesellschaften und zeigt, dass Nektarhefen als Modellsystem für passive Ausbreitung von Gemeinschaften geeignet sind. Bei Überwinterungsexperimenten mit Bienen fand ich keine einzige Nektarhefenart, die nach dem Winter noch am Leben war (Kapitel 3). Trotzdem fand ich Pilz- und Hefearten, die neben dem Nektar auch in anderen Lebensräumen vorkommen. Einige dieser Arten können sehr hohe Populationsdichten im Nektar ausbilden und sind starke Konkurrenten der Nektarhefen im Blütennektar. Somit konnte zwar die Frage nach der Überwinterungsstrategie der Nektarhefen nicht geklärt, Bienen als Haupt-Überwinterungsmöglichkeit jedoch ausgeschlossen werden. Stattdessen bieten Bienen die Möglichkeit für die Überwinterung von Konkurrenten der Nektarhefen. Diese Dissertation trägt zum grundlegenden Wissen über die Ökologie von Nektarhefen bei und bietet Einblicke in einige biotische Interaktionen zwischen bestäubenden Insekten und im Nektar lebenden Hefen. Es wurde gezeigt, dass Nektarhefen bereits auf der Ebene der lokalen Population bis hin zu Metagemeinschaften stark von der Dichte und Artenzusammensetzung der Bestäuber reguliert werden