Chemical Ecology of Xyleborus glabratus and Implications for Monitoring and Management 

Paul E. Kendra,  Wayne S. Montgomery,  Jerome Niogret,Elena Q. Schnell, and  Nancy D. Epsky

USDA‐ARS, Subtropical Horticulture Research Station

13601 Old Cutler Road, Miami, FLemail:  paul.kendra@ars.usda.gov

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Conference on Laurel Wilt Disease and Natural Ecosystems: Impacts, Mitigation, and the Future

16-18 June 2015

Applied Approach• Target = Adult female RAB, host‐seeking flight• Dispersal flight is risky

– Harsh environment (dessication, wind, rain)– Predation (e.g. dragonflies)– No food available

• Strong selection– Reliable cues to find host trees quickly– Optimize timing of flight to minimize risks

Chemical Ecology of RAB

– Initial research on RAB attractants(Hanula et al. 2008, Hanula & Sullivan 2008)

• No evidence of pheromones (aggregation or sex)• No long‐range attraction to fungal symbionts• No attraction to ethanol (standard lure for ambrosia beetles)

– Conclusions:• RAB can attack healthy, unstressed trees• Host tree volatiles = primary attractants• α‐copaene, calamenene are likely attractants from redbay; but cost/availability make them impractical for field lures

• Manuka and phoebe oils identified as attractive baits for RAB

ARS ‐Miami,FLResearch ‐ RAB attractants (2009‐pres.)Multidisciplinary approach

• Field tests (forest sites)

• Lab tests (Archbold Biol. Station, Lake Placid)– Behavioral bioassays (attraction, boring preferences)– Electrophysiology techniques to measure olfactory responses

• Chemical sampling & analysis (Miami)– Volatile collections– Gas chromatography‐

mass spectrometry(GC‐MS)

1. Method for Capture of Live RAB

General Method• Late afternoon (~4:00 pm)• Lay cotton sheet on ground• Bait = Freshly‐cut host wood• “Lure in” ambrosia beetles• Collect with soft brush

Kendra et al. 2012 FL Entomol.

Unique Observation: Temporal Separation of  Beetle Species

• Multiple species attracted to wood volatiles 

• X. glabratus flies earlier(27 collection dates, Apr‐Oct 2011)

• Useful method for obtaining RAB in host‐seeking behavior, the perfect stage to evaluate attractants‐ Lab bioassays‐ Electrophysiology studies

1600 1630 1700 1730 1800 1830 1900 1930 2000

Num

ber

of F

emal

es C

olle

cted

0

2

4

6

8

10

12

14

Time Interval

1600 1630 1700 1730 1800 1830 1900 1930 2000

Num

ber

of F

emal

es C

olle

cted

0

1

2

3

4

5

6

X. ferrugineus

X. glabratus

1600 1630 1700 1730 1800 1830 1900 1930 2000

Num

ber

of F

emal

es C

olle

cted

0

10

20

30

40

50

60

70

X. affinis

Kendra et al. 2012 Environ. Entomol.

sunset

2. Electroantennography (EAG)Technique to measure olfactory response of antennal receptors(How well does an insect smell a particular chemical?)

• Mount antenna between 2 electrodes• Place under purified air flow• Deliver chemical sample• Measure receptor potential

EAG lab at Archbold Biol. StationA B C

Sample EAG recordings from single RAB antenna

EAG TechniqueMajor challenge:  small size of RAB antenna (0.3‐0.4 mm length)• Used a gold, 2‐pronged electrode• Electrode modified by attaching a flexible gold wire to one prong

Scanning electron micrograph of RAB antenna

Modified antennal electrode

Validation of New EAG MethodsComparative studies with 3 species:X. glabratus, X. affinis, and X. ferrugineus

• Ethanol = standard reference chemical• EAG responses to test chemicals could then beexpressed as a percentage relative to ethanol X. glab X. affin X. ferr

EAG

Res

pons

e (-

mV)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

aa

aEthanol

Silkbay wood

X. glab X. affin X. ferr

EA

G R

espo

nse

(%)

0

20

40

60

80

100

Phoebe oil

X. glab X. affin X. ferr0

20

40

60

80

100

Manuka oil

X. glab X. affin X. ferr0

20

40

60

80

100

A. B. C.a

b b

a

b b

a

bab

Kendra et al. 2012. Environ. Entomol.

3. Bolt Boring Bioassay• No‐choice tests to assess RAB boring behaviors

– 1‐gallon bucket– 1 bolt plus 10‐15 female RAB – Recorded # RAB boring and location on bolt after 2, 4, 6,8, 24 hr(Positive boring = half ofthe body inserted)

– Replicated 5x

Kendra et al. 2013 FL Entomol.

Composite Results – Bioassays

Time (hr)

0 5 10 15 20 25

Perc

enta

ge o

f Fe

mal

es B

orin

g

0

20

40

60

80

100 Silkbay (99%)

Swampbay/Redbay (91%)

Avocado (80%)

Camphor tree (50%)

Lancewood (44%)

Live Oak (0%)

(Adapted from Kendra et al. 2014 PLoS ONE)

>70% boring on cut end; trees most susceptible to attack after pruning or injury.

4. Comparative Field Tests• Replicated field tests with freshly‐cut wood bolts• Silkbay most attractive = positive control; captures normalized• Determined relative attraction of 9 species within Lauraceae

Silkba

yCam

phor.

Cal. Bay

Sassa

fras

Swampa

yRed

bay

Avoca

doLa

ncew

ood

Spiceb

ush

Live O

akCon

trol

Nor

mal

ized

Cap

ture

s

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0a a

bb b b

c c c

b

bc

Kendra et al. 2014 PLoS ONE

5. Chemical   Analysis

• Emissions of terpenoids from bolts correlated with RAB captures in field

• 4 sesquiterpenes– Major

• α‐cubebene (peak 2)

• α‐copaene (peak 3)

– Minor• α‐humulene (peak 6)

• calamenene (peak 8)Kendra et al. 2014 PLoS ONE

Current Hypothesis ‐ Host Location, AcceptanceLong‐range:  RAB in flight attracted to the odor plume from host trees. 

Terpenoids: α‐copaene, α‐cubebene, α‐humulene, calamenene(Hanula & Sullivan 2008, Kendra et al. 2011, 2014); eucalyptol (Kuhns et al. 2014); other monoterpenes (Martini et al. 2015)

Mid‐range:  RAB uses visual cues to find hosts of appropriate diameter (Mayfield and Brownie 2013)

Short‐range:  RAB detects (1) terpenoid gradients to find best site for attack (avocado: α‐copaene and α‐cubebene) (Niogret et al. 2013), and (2) fungal odors = food attractants (Hulcr et al. 2011, Kuhns et al. 2014)

On contact:  RAB ‘taste’ and ‘feel’ the wood to confirm suitability(eucalyptol, Kuhns et al. 2014)

Summary:  Host must smell, look, taste,and feel ‘right’ before boring initiated.

Development of Field Lures for RAB

• First lures = phoebe oil, manuka oil (Hanula & Sullivan 2008)• However, tests in FL (2009‐2010) indicated that manukalures not very effective

Phoeb Guat W.Ind Mex Manuk Contr

Beet

les

/ tra

p / w

eek

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

X. glabratus(mean ± SE)

8-wk testAlachua Co., FL

a

aab

b

c c

(Kendra et al. 2011. J. Chem. Ecol.)

Follow‐up Tests Confirmed Results

• Phoebe caught 6X more RAB• Manuka lost attraction after 3 wk• Unfortunately, phoebe lures no longer available, manuka lures 

only option for RAB monitoring

Phoebe Manuka Control

Beet

les

/ tra

p / w

k

0

5

10

15

20

25

a

b

c

Xyleborus glabratus(mean + SE)

12-wk testHighlands Co., FL

(Kendra et al. 2012. J. Econ Entomol.)

Xyleborus glabratusWeekly Captures over Time

Week

0 2 4 6 8 10 12 14

Beet

les

/ wee

k

0

50

100

150

200

250

300

350

PhoebeManukaControl

Freeze

Evaluation of Other Essential Oils

Field tests in 2012 compared 7 essential oils for RAB attraction:(Homemade lures – 2 ml oil)

• Manuka• Phoebe• Cubeb• Ginger root• Angelica seed• Tea tree• Valencia orange

(Agricultural Research 2012)

Cubeb oil identified as a new RAB attractant(from berries of tailed pepper Piper cubeba)

X. glabratus (mean + SE)4-wk test (25 Apr - 23 May 2012)

Essential oil

Man Cub Phb Gin Ang Tea Ora Blk

Bee

tles

/ tra

p / w

eek

0

2

4

6

8

10

12

aa

a

bb

bcc c

(Kendra et al. 2013. Am. J. Plant Science)

Field Tests 2013Collaboration with Synergy Semiochemicals Corp. (BC, Canada)

New lure = distilled cubeb oil in bubble lure(enriched in sesquiterpenes)

Field tests to compare efficacy andlongevity of commercial lures:

• Cubeb bubble lure• Manuka lure• Phoebe lure• Unbaited control

Test 1 (Highlands County, FL) 

• Cubeb bubble lure captured 3 times more RAB than manuka

Xyleborus glabratus (mean + SE)

8-wk Field Test (5 reps)Archbold Biol. Station (Lake Placid, FL)

(28 Feb - 25 Apr 2013)

cubeb manuka blank

RAB

/ tra

p / w

k

0

1

2

3

4

5

6

7

a

b

c

Xyleborus glabratus - Weekly captures

Week

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

RA

B /

wk

0

10

20

30

40

50

60

CubebManukaControl

(Kendra et al. 2014. J. Pest Science)

Test 2 (Glades County, FL)

• At very low population levels, cubeb bubble lure captured 6 times more RAB than manuka

Xyleborus glabratus (mean + SE)

8-wk Field TestFisheating Creek State Park

(8 Mar - 3 May 2013)

Cubeb bubble Manuka patch Control

Beet

les

/ tra

p / w

eek

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

a

b

b

(Kendra et al. 2014. J. Pest Science)

Test 3 (Highlands County, FL)

• Cubeb > phoebe > manuka• Cubeb field life of 3 months

(Kendra et al. 2015. J. Econ. Entomol.)

Cubeb Phoebe Manuka Control

Beet

les

/ tra

p / w

k

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18 a

b

c

c

Xyleborus glabratus (mean + SE)

12-wk Field Test Highlands Hammock State Park

Week

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Beet

les

/ wee

k

0

20

40

60

80

100

120

140

160Cubeb Phoebe Manuka Blank

X. glabratus weekly captures

LureEmissions

• Manuka:High initially,expon. decay(large surface area: volume ratio)

• Cubeb:Low initially,slow, steadyrelease(smaller surface area: volume ratio)

B

Time (d)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Qua

ntity

(g

)0

5

10

15

20

25

30

Time (d)

30 40 50 60 70 80

Qua

ntity

(g

)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6CubebManukaα-copaene

(Kendra et al. 2015. J. Econ. Entomol.)

ConclusionsCubeb bubble lure

• More attractive than the manuka lure• Has a field life of at least 3 months, due to  extended low release of sesquiterpenes

• Best product currently available for detection of RAB(and less expensive than the manuka lure)

However, cubeb lure contains a complexmixture of terpenoids; specific attractivechemicals had not been confirmed.

Further Improvement of RAB Lure(Collaboration with Synergy)

Goal = Elucidate the primary attractants in cubeb oil.

• Used fractional distillation to separate whole oil into 17 fractions (based on chemical boiling point)

• Fractions formulated as bubble lures– EAG analyses– 2‐choice bioassays

• Only 2 fractions were significantly attractive to RAB;  both were high in α‐copaene and α‐cubebene

• Decided to focus on α‐copaene first

New Lure EvaluationsTwo prototype lures prepared• Copaiba oil

(9% α‐copaene, no cubebene)

• Proprietary oil product(50% α‐copaene)

12‐wk field test• Compare new lures to cubeb lure

(10% α‐copaene, 10% α‐cubebene)

Conclusions• (‐) α‐copaene = primary attractant• Increased copaene = improved lure

50% Cop Cubeb Copaiba Control

X. g

labr

atus

/ tra

p / w

k

0

2

4

6

8

10

12

14

16 a

b b

c

Week

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12X

. gla

brat

us /

wk

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

50% CopCubebCopaibaControl

A

B

Kendra et al. J. Pest Sci. (in review)

THANK YOU!Sources of Funding• USDA National Plant Disease Recovery System• Florida Avocado Administrative Committee

Recent Publications• Kendra, P. E., W. S. Montgomery, J. Niogret, E. Q. Schnell, M. A. Deyrup, and N. D. Epsky.  2014.  

Evaluation of seven essential oils identifies cubeb oil as most effective attractant for detection of Xyleborus glabratus (Coleoptera: Curculionidae: Scolytinae).   J. Pest Sci. 87: 681‐689.

• Kendra, P. E., W. S. Montgomery, J. Niogret, G. E. Pruett, A. E. Mayfield III, M. MacKenzie, M. A. Deyrup, G. R. Bauchan, R. C. Ploetz, and N. D. Epsky.  2014.  North American Lauraceae:  Terpenoidemissions, relative attraction, and boring preferences of redbay ambrosia beetle, Xyleborus glabratus(Coleoptera: Curculionidae: Scolytinae).   PLoS ONE 9 (7): e102086.

• Kendra, P. E., J. Niogret, W. S. Montgomery, M. A. Deyrup, and N. D. Epsky.  2015.  Cubeb oil lures: Terpenoid emissions, trapping efficacy, and longevity for attraction of redbay ambrosia beetle (Coleoptera: Curculionidae: Scolytinae).   J. Econ. Entomol. 108: 350‐361.

• Kendra, P. E., W. S. Montgomery, M. A. Deyrup, and D. Wakarchuk.  Improved lure for redbayambrosia beetle developed by enrichment of α‐copaene content.   J. Pest Sci. (in review).