Single cell recordings reveal hydroxydanaidal as the volatile compound attracting insects to pyrrolizidine alkaloids

Employment of electrophysiology in combination with simple chemical techniques elucidated the volatile which permit the localization of sources of pyrrolizidine alkaloids (PAs) by insects exploiting these secondary plant metabolites. Single cell recordings in Rhodogastria moths (Arctiidae) revealed a physiologically clearly separable type of antennal sensilla basiconica (‘SB II’) which responds to headspace air of certain PAs ( e.g. monocrotaline), but not to a great variety of ‘odorants’. However, stimulus sources of 1 μg were required to elicit responses and the maximum frequency (obtained with stimulus sources of 5 mg) was only 50 imps/s. This suggested the occurrence of small amounts of airborne PA degradation products. Extraction and hydrolysis experiments in combination with thin‐layer chromatography and using the sensory responses of antennal receptor cells as biological detectors eventually demonstrated that the dihydropyrrolizine ‘hydroxydanaidal’ emanates in small amounts from sources of those PAs which contain retronecine and heliotridine***, respectively, as necine moiety. This substance was also implicated as the volatile mediating attraction of the insects to PA‐containing plants, as well as to artificial PA‐baits. With respect to the high sensitivity and specificity of SB II‐receptor cells to hydroxydanaidal, in particular to its R(‐)‐enantiomer, they are analogous to the well studied receptor cells for sex‐attractant pheromones in Lepidoptera. Similar results were obtained with Danaus (Danainae) and Euchromia (Crenuchiidae). Initial behavioural tests have proven the attractive power of hydroxydanaidal for PA‐insects and thus corroborate our interpretation of the electrophysiological findings. ZUSAMMENFASSUNG Einzelzellableitungen identifizierten Hydroxydanaidal als das volatile Prinzip für die Anlockung yon Insekten zu Pyrrolizidin‐Alkaloiden Elektrophysiologische und emfache chemische Verfahren erlaubten die Eingrenzung und Identifikation des reizwirksamen Prinzips, welches Insekten, die Pyrrolizidin‐Alkaloide (PA) nutzen, die Orientierung zu PA‐Quellen ermöglicht. Einzelzellableitungen von antennalen Sensilla basiconica bei Rhodogastria (Lepidoptera: Arctiidae) zeigten einen morphologisch nicht unterscheidbaren physiologischen Typ, dessert Rezeptorzellen sich durch eine sehr geringe Spontanaktivitüt auszeichneten und ausschließlich auf ‘PA‐Duft’ reagierten (‘SB II’). Allerdings wurden (z. B. mit Monocrotalin) Reizquellen‐Beladungen von 1 μg benötigt, um überschwellige Antworten auszulösen, und die maximal erreichte Aktivität (bei Reizung mit 5 mg) betrug lediglich 50 Imp/s; dies deutete auf alas Auftreten yon kleinen Mengen eines volatilen Abbauprodukts von PA hin. SB II wurden als biologische Detektoren verwendet, um — kombiniert mit Dünnschichtchromatographie — die Reizwirksamkeit von Produkten von Hydrolyse‐ und Extraktions‐Experimenten mit PA zu testen. Auf diese Weise konnte schließlich gezeigt werden, daß von PA mit Retronecin bzw. Heliotridin als Necin geringe Mengen des Dihydropyrrolizins Hydroxydanaidal (Fig. 1G, H) ausgehen. Synthetisches Hydroxydanaidal stellte sich als der bestwirksame Reiz für SB II‐Rezeptorzellen heraus, die bzgl. Spezifität und Sensitivität (insbesondere für R(−)‐Hydroxydanaidal) den gut untersuchten Rezeptoren für weibliche Sexualpheromone bei Nachtfaltern vergleichbar sind. Entsprechende Ergebnisse wurden auch mit Danaus (Danainae) und Euchromia (Ctenuchiidae) gewonnen. Erste Verhaltensversuche beweisen die Lockwirkung von Hydroxydanaidal für PA‐Insekten und bestätigen die Interpretation der elektrophysiologischen Befunde.