Mechanisms and determinants of transport and establishment in terrestrial arthropods
Date
2021-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Biological invasions are a major driver of global change and are increasing as trade and travel
increase. It is often more cost-effective to prevent introductions than manage resulting invasions.
However, the early stages of invasion are the least understood and most challenging to study,
particularly for accidental introductions of taxa that are small in size. This thesis focuses on
better understanding the factors involved in transport, introduction and establishment of invasive
terrestrial arthropods.
First, I critically examine and review the current at-border biosecurity systems for alien
arthropods, discuss their relative efficacy and recommend priorities for improvement. These
include: i) adopting appropriate sampling strategies; ii) ensuring inspection methods are suitable
for small arthropods; and
iii) thorough recording of methods, organisms and negative results.
Second, I present a collated dataset of laboratory biosecurity inspections of plant products
imported to South Africa between 1994 and 2019 and the contaminant organisms found on them. The
dataset consists of 26 279 records of inspected imports, of which 29% had at least one contaminant.
Of the 13 731 recorded contaminants, fungi (41%), mites (37%) and insects (19%) were most common.
This dataset describes the suite of taxa transported along the plant import pathway.
Third, I model these interception data to determine which factors influence the detection of
arthropod contaminants. Robust non-parametric boosted regression trees were used to model and
predict to randomly and chronologically withheld datasets. Plant products imported in greater
volumes had a greater frequency of arthropod contaminants and this relationship was a reliable
predictor of future arthropod interceptions. Other factors were important in certain circumstances,
but provided little general predictive power. An idiographic approach is recommended, where details
of particular pests, pathways and time are taken into account to describe specific scenarios.
Expanding on this finding of the importance of context in determining what is introduced, I use a
mesocosm approach to explore how the size and number of introduction events interact with
temperature to determine the establishment success of laboratory-reared Drosophila melanogaster. I
found that temperature played the biggest role, eclipsing the role of other experimental factors
overall. The effects of introduction size and frequency only became apparent at the thermal
extremes, with different effect sizes and directions. These differing effects at hot and cold
thermal extremes reveal that different physiological mechanisms are at play.
This thesis provides a valuable synthesis of information and critical insights into the
introduction and establishment of terrestrial arthropods and provides recommendations as to how the
plant import pathway can be better managed to minimise accidental introductions. Better
understanding and management of this pathway will have a direct positive effect on our ability to
limit new agricultural and environmental pests.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Biologiese indringing is 'n belangrike dryfveer van globale verandering en neem toe namate handel en reis toeneem. Dit is dikwels meer koste-effektief om nuwe indringerspesies te voorkom eerder as om die gevolge te bestuur. Ons verstaan egter min van die vroeë stadiums van die inval en dit is ook die uitdagendste om te bestudeer, veral vir klein taksa wat perongeluk ingebring word. Hierdie tesis fokus daarop om die faktore wat betrokke is by die vervoer, inbring en vestiging van indringer terrestriële geleedpotiges te verstaan. Eerstens ondersoek ek die huidige biosekuriteitstelsels vir uitheemse geleedpotiges krities, bespreek hulle relatiewe doeltreffendheid en beveel prioriteite aan vir verbetering. Dit sluit in: i) die gebruik van gepaste steekproefnemingstrategieë; ii) om te verseker dat inspeksiemetodes geskik is vir klein geleedpotiges; en iii) deeglike opteken van metodes, organismes en negatiewe resultate. Tweedens bied ek 'n saamgestelde datastel van laboratorium-biosekuriteitsinspeksies van plantprodukte wat tussen 1994 en 2019 na Suid-Afrika ingevoer is aan en die organismes wat daarop voorgekom het. Die datastel bestaan uit 26 279 rekords van geïnspekteerde invoere, waarvan 29% ten minste een kontaminante organisme gehad het. Van die 13 731 aangetekende kontaminante organismes het swamme (41%), myte (37%) en insekte (19%) die meeste voorgekom. Hierdie datastel beskryf al die taksa wat vervoer word deur die plantinvoerroete. Derdens maak ek gebruik van hierdie onderskepingsdata om te modelleer watter faktore die opsporing van geleedpotiges beïnvloed. Dit is gedoen deur gebruik te maak van robuuste nie-parametriese versterkte regressiebome om lukrake en chronologiese weerhoudende datastelle te modelleer en te voorspel. Plantprodukte wat in groter volumes ingevoer is, het 'n groter frekwensie van geleedpotige kontaminante gehad, en hierdie verhouding kon betroubaar toekomstige onderskeppings van geleedpotiges voorspel. Ander faktore was in sommige omstandighede belangrik, maar het nie goeie algemene voorspelbaarheid getoon nie. 'n Idiografiese benadering word aanbeveel waar besonderhede van spesifieke plae, roetes en tye in ag geneem word om spesifieke scenario's te beskryf. Om uit te brei op die bevinding dat konteks belangrik is om te bepaal water indringerspesies in gebring word, het ek gebruik gemaak van 'n mesokosmosbenadering om te bepaal hoe die interaksie tussen die grootte en frekwensie van inleidingsgebeurtenisse en temperatuur die suksesvolle vestiging van Drosophila melanogaster kolonies beïnvloed. Ek het gevind dat temperatuur die grootste rol speel en ander eksperimentele faktore oor die algemeen van minder belang is. Die rol van grootte en frekwensie het eers by uiterste temperature duidelik geword, maar met verskillende effekgroottes en rigtings. Hierdie uiteenlopende effekte by uiterse warm en koue temperature toon dat verskillende fisiologiese meganismes ter sprake is. Hierdie tesis bied 'n waardevolle samevatting van inligting en kritiese insigte oor die inbring en vestiging van terrestriële geleedpotiges en beveel aan hoe die plantinvoerroete beter bestuur kan word om die toevallige inbring van nuwe organismes te minimaliseer. ʼn Beter begrip en bestuur van hierdie roetes sal 'n direkte positiewe uitwerking hê op ons vermoë om nuwe landbou- en omgewingsplae te beperk.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Biologiese indringing is 'n belangrike dryfveer van globale verandering en neem toe namate handel en reis toeneem. Dit is dikwels meer koste-effektief om nuwe indringerspesies te voorkom eerder as om die gevolge te bestuur. Ons verstaan egter min van die vroeë stadiums van die inval en dit is ook die uitdagendste om te bestudeer, veral vir klein taksa wat perongeluk ingebring word. Hierdie tesis fokus daarop om die faktore wat betrokke is by die vervoer, inbring en vestiging van indringer terrestriële geleedpotiges te verstaan. Eerstens ondersoek ek die huidige biosekuriteitstelsels vir uitheemse geleedpotiges krities, bespreek hulle relatiewe doeltreffendheid en beveel prioriteite aan vir verbetering. Dit sluit in: i) die gebruik van gepaste steekproefnemingstrategieë; ii) om te verseker dat inspeksiemetodes geskik is vir klein geleedpotiges; en iii) deeglike opteken van metodes, organismes en negatiewe resultate. Tweedens bied ek 'n saamgestelde datastel van laboratorium-biosekuriteitsinspeksies van plantprodukte wat tussen 1994 en 2019 na Suid-Afrika ingevoer is aan en die organismes wat daarop voorgekom het. Die datastel bestaan uit 26 279 rekords van geïnspekteerde invoere, waarvan 29% ten minste een kontaminante organisme gehad het. Van die 13 731 aangetekende kontaminante organismes het swamme (41%), myte (37%) en insekte (19%) die meeste voorgekom. Hierdie datastel beskryf al die taksa wat vervoer word deur die plantinvoerroete. Derdens maak ek gebruik van hierdie onderskepingsdata om te modelleer watter faktore die opsporing van geleedpotiges beïnvloed. Dit is gedoen deur gebruik te maak van robuuste nie-parametriese versterkte regressiebome om lukrake en chronologiese weerhoudende datastelle te modelleer en te voorspel. Plantprodukte wat in groter volumes ingevoer is, het 'n groter frekwensie van geleedpotige kontaminante gehad, en hierdie verhouding kon betroubaar toekomstige onderskeppings van geleedpotiges voorspel. Ander faktore was in sommige omstandighede belangrik, maar het nie goeie algemene voorspelbaarheid getoon nie. 'n Idiografiese benadering word aanbeveel waar besonderhede van spesifieke plae, roetes en tye in ag geneem word om spesifieke scenario's te beskryf. Om uit te brei op die bevinding dat konteks belangrik is om te bepaal water indringerspesies in gebring word, het ek gebruik gemaak van 'n mesokosmosbenadering om te bepaal hoe die interaksie tussen die grootte en frekwensie van inleidingsgebeurtenisse en temperatuur die suksesvolle vestiging van Drosophila melanogaster kolonies beïnvloed. Ek het gevind dat temperatuur die grootste rol speel en ander eksperimentele faktore oor die algemeen van minder belang is. Die rol van grootte en frekwensie het eers by uiterste temperature duidelik geword, maar met verskillende effekgroottes en rigtings. Hierdie uiteenlopende effekte by uiterse warm en koue temperature toon dat verskillende fisiologiese meganismes ter sprake is. Hierdie tesis bied 'n waardevolle samevatting van inligting en kritiese insigte oor die inbring en vestiging van terrestriële geleedpotiges en beveel aan hoe die plantinvoerroete beter bestuur kan word om die toevallige inbring van nuwe organismes te minimaliseer. ʼn Beter begrip en bestuur van hierdie roetes sal 'n direkte positiewe uitwerking hê op ons vermoë om nuwe landbou- en omgewingsplae te beperk.
Description
Thesis (PhDConsEcol)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
Invasion Biology, Biological invasions -- Environmental aspects, Biological invasions -- Effect of global warming on, Biosecurity -- Inspection -- South Africa, Terrestrial arthropods -- Contamination, Drosophila melanogaster -- Effect of temperature on, UCTD