Searching for Nature Stories 2016  

Parasitism of Cuscuta Chinensis--relationship between dodder and its host 

  

 

   Team 7  Po Leung Kuk Centenary Li Shiu Chung Memorial College S5 Lui Ho Kwan S5 Tsang Ho Hin S5 Ho Wing Sze S5 Leung Siu Hang S5 Wong Yuen Ting Supervising Teacher: Lau Kwong Wing 

 

Content  

1. Abstract 2. Introduction 

           2.1 Introduction of research topic            2.2 Reason of investigation            2.3 Objectives              2.4 Research questions            2.5 Background information of Cuscuta Chinensis   

3. Materials and Methods (Process, equipment, time & venue)             3.1 Working schedule (content of each field trip)             3.2 Materials needed in this project(plant used)             3.3 Dissection of plants 

4. Results             4.1 Collected data             4.2 Experiments 

5. Discussion             5.1 Discussion on objective 1             5.2 Discussion on objective 2              5.3 Discussion on objective 3              5.4 Limitations              5.5 Improvements              5.6 Possible errors             5.7 Conclusion 

6. Bibliography     

     

1.Abstract  

           ➤Fig.1 Cuscuta Chinensis after 4 days germination                 ➤  Fig.2 Cuscuta Chinensis wrapping around its host         Cuscuta Chinensis is a species of Cuscuta, which can also be called dodder, has rough seed coat and a protruding hilum as its notable characteristics. Like the other species of dodders, they can be identified by its thin stems appearing leafless, with the leaves reduced to minute scales, and reaching out for a green plant after germination. Though Cuscuta are hemiparasitic, they are more likely to be described as holoparasitic plants since they depend almost entirely on their host plant for water, nutrients, and organic carbon acquisition.   1

   In this project, our objectives are to investigate the preference of host selection on different types of plant and sugar content, plus dodder’s growing behaviour. Cuscuta Chinensis were grown in this project to carry out several experiments in our school laboratory for research. Also, their growth are recorded by photos and descriptions throughout the whole process.    According to the results of the experiments, it was found that dodder would not have a specific target to choose host plants and they prefer plants with higher sugar content as their hosts. Also, dodder can apparently survive for a longer period of time with a host, but ‘fake’ hosts, which are dead plants or non-living objects would not attract them to grow towards to as well as survival time.    

1 https://legacy.wlu.ca/page.php?grp_id=2147&p=19554 

2.Introduction 2.1 Introduction of research topic Dodders are parasitic plants which do not have any roots, chlorophyll or leaves. Instead of carrying out photosynthesis to support their own living, dodders obtain nutrients from the hosts through parasitism. Otherwise they will die. However, apart from the basic need of survival, there should be several factors that may affect the decision of dodders to host on. In our investigation, we would like to study the growing behaviour of dodder, such as the number of days of survival after germination with or without host, as well as investigating whether types of plant (dicots or monocots) and sugar content of plants would affect dodders’choice of  host plant.  2.2 Reason of investigation As dodders are known for damaging the surrounding plants, many countries have laws prohibiting the import of dodders seed. We are interested in the damage that dodders can do to the plants and its growing behavior that force governments in different countries to ban the use of dodders. Therefore, we decide to investigate dodders’ preference on target plant and how does its ‘damaging process’ work.  2.3 Objectives 1.To investigate the preference of dodders’ host selection on different types of plant  2.To investigate dodders’ selection on different sugar contents of plant 3.To investigate the growing behavior of dodders.  2.4 Research questions 1.What factor will affect the hosting merchanism of dodders? 1.1.Is dodders likely to choose monocots or dicots as host? 1.2.Is dodders likely to choose plants with high or low sugar content? 2.How do dodders host on plants?  2.5 Background information of Cuscuta Chinensis The dodders planted for investigation are classified as below:  

Kingdom:  Plantae 

Phylum:  Angiosperms 

Subphylum:  Eudicots 

Class:  Asterids 

Order:  Solanales 

Family:  Convolvulaceae 

Genus:  Cuscuta 

Species:  Chinensis 

 3.Materials and Methods 

3.1 Working Scheldule  During the past five months, we have had three field trips to help us conduct our project.  

Date  Venue  Objective 

18/11/15  

Field near our school  To find some inspiration for our project, because there are many types of plants in the field. 

13/12/15  Tsung Tsai Yuen   

At the beginning, we would like to investigate lichen, so we went to Tsung Tsai Yuen in Tai Po to collect some samples of lichen. However, considering the slow growing rate of lichens, we gave up the idea after the field trip. 

23/2/16  Field near our school  There are many different species of plants in that field, so we tried to see if there is any dodders in the area. 

 

 ➤The field near our school                         ➤Tsung Tsai Yuen  3.2 Materials needed in this project Plants  Dicots: 1.Catharanthus roseus(Rosy periwinkle) 2.Plantago asiatica(Chinese plantain) 3.Gynura cusimbua(Hill Gynura) Monocots: 1.Dracaena sanderiana(Lucky Bamboo) 2.Allium fistulosum(Bunching onion) 3.Chlorophytum comosum(Spider plant) Dodders: Cuscuta Chinensis(Dodders)  Gardening equipment Hand trowel Pot Soil  3.3 Dissection Hypothesis   We assume that dodders make use of their thin stem and fine sucker to wrap around the stem of the host plant and draw nutrients from them to support their own growth. They are estimated to host on any types of plant and prefer high sugar content plants instead of low sugar content ones. Design of experiment To get a thorough understanding of dodders’ behaviour during parasitism, we observe the dissections of various plants (host plants that have been attacked by 

dodders)under microscope. To minimize the error due to positional effects, they were dissected both vertically and longitudinally in the area dodders wrap on the hosts.The images under light microscope were captured under magnification (200X).  Result  

 ➤Dodder wrapping around its host’s stem  

 ➤horizontal section of dodders invading Plantago asiatica (200X) 

 ➤vertical section of dodders invading the phloem of Plantago asiatica (200x)  

4.Results 4.1 Collected data Since we found no dodders growing in the fields, no relevant data was collected.  4.2 Experiments In the experiments, we mainly focused on two aspects. The first one is dodder’s preference on hosts and the second one is dodder’s growing behaviour. For experiments including the growing behaviour of dodders, two set of plants and their control plants are used in order to improve the accuracy of the data collected.  Aspect 1: Dodder’s preference of hosts Hypothesis We assume that dodders will choose dicots rather than monocots, and plants with higher sugar content as the hosts.  4.2.1 Effect of Dodders on host selection of monocots and dicots Objectives of experiment 4.2.1 To study the effect of dodders on host selection of monocots and dicots. To find out which plant, monocot or dicot, will dodder choose in three set of plants.  Design of experiment 

Three sets of different species of plants are used in order to eliminate the effect of other factors on dodder’s preference on choosing hosts based on type of plants. Assume the distances from the seeds of dodder to each plant are constant. The independent variable is different types of monocot and dicots while the dependent variable is the number of dodder that wrap around each plant. For each set of plants, a control pot is set up in order to ensure the plants are healthy in the pots with dodder, which makes the result more reliable. 

 ➤Lucky bamboo& Hill Gynura                      ➤ Welsh onion& Dicot B 

 ➤Monocot C& Dicot C  Set-up 

1. Monocot A(Dracaena sanderiana/Lucky bamboo) x3 2. Dicot A(Gynura cusimbua/Hill Gynura) x3 3. Monocot B(Allium fistulosum/Welsh onion) x3 4. Dicot B(Catharanthus roseus /Rosy periwinkle ) x3 5. Monocot C(Chlorophytum comosum/Spider ivy) x3 6. Dicot C(Plantago asiatica /Chinese plantain) x3 7. Pots x9 8. Dodder seeds x120 (20@each pot) 

9. Soil x2packs Procedure 

1. A Lucky bamboo and a Hill Gynura are planted in a pot with soil. 2. 20 dodder seeds are sowed on the soil midway between Lucky bamboo 

and Hill Gynura. 3. Observe and record the result regularly a week after germination of 

dodder seeds. 4. Repeat steps 1-3 with set B and set C of monocot and dicot. 

Result 

  Monocot A(Lucky bamboo)(number of dodders host on plant/20 seeds of dodders) 

Dicot A(Hill Gynura)(number of dodders host on plant/20 seeds of dodders) 

Number of dodders on plant 

3(15%)  2(10%) 

 

  Monocot B(Welsh onion)(number of dodders host on plant/20 seeds of dodders) 

Dicot B(Rosy periwinkle)(number of dodders host on plant/20 seeds of dodders) 

Number of dodders on plant 

4(20%)  5(25%) 

 

  Monocot C(Spider ivy)(number of dodders host on plant/20 seeds of dodders) 

Dicot C(Chinese plantain)(number of dodders host on plant/20 seeds of dodders) 

Number of dodders on plant 

7(35%)  9(45%) 

Analysis According to the data summarized in tables above, dodder will host on every plant they encounter regardless of its type. Therefore type of plant may not be a determinant of dodder’s host selection. 

4.2.2 Effect of Dodders on host selection of plants with higher or low sugar content Objectives of experiment 4.2.2 To study the effect of dodders on host selection of plants with higher and low sugar content. To find out which plant, high or low sugar content, will dodder more likely to choose in two set of plants.  Design of experiment 4.2.2 Two set of plants are used in this experiment and one set is destarched in order to eliminate the effect of other factors on dodder’s preference on choosing hosts based on sugar content. Assume the plants that are not destarched have the same amount of sugar as the destarched set(before destarching). The independent variable is sugar content in the same species of plant while the dependent variable is the number of dodders wrapping around each plant. By comparing the number of dodders wrapping around each plant with a plant having the same sugar content in each pot, we can understand the effect of sugar content of plant on the host selection of dodder. 

 ➤Destarched Lucky bamboo and destarched Hill Gynura(pot A)(*Later placed in a black box) 

 ➤ Lucky bamboo and Hill Gynura without destarching(pot B) 

Set-up 1. Lucky bamboo x2 2. Hill Gynura x2 3. Aluminium foil x1(30cm x 50cm) 4. box x1 5. pots x2 6. dodder seeds x40(20@each pot) 7. soil x1pack 

Procedure 1. A Lucky bamboo and a Hill Gynura(pot A) are planted in a pot with soil. 2. A control(potB) is set up with everything the same as pot A. 3. 20 dodder seeds are sowed on the soil of the pots of Lucky bamboo and 

Hill Gynura in pot A. 4. After germination of dodder seeds, reduce both Lucky bamboo and Hill 

Gynura’s sugar content by placing pot A in a box for two days. 5. Observe and record the result at week intervals after germination of 

dodder seeds. 6. A leaf from Lucky bamboo and one from Hill Gynura are picked for 

benedict’s test and the results are recorded so as to ensure that there is a drop in amount of sugar in destarched plants. 

Result  

  destarched Lucky bamboo(number of dodders host on plant/20 seeds of dodders) 

normal Lucky bamboo(number of dodders host on plant/20 seeds of dodders)  

Number of dodders on plant 

1(5%)  3(15%) 

Colour of Benedict’s solution 

green precipitate formed  yellow precipitate formed 

 

  destarched Hill Gynura(number of dodders host on plant/20 

normal Hill Gynura (number of dodders host on plant/20 seeds of 

seeds of dodders)  

dodders)  

Number of dodders on plant 

4(20%)  6(30%) 

Colour of the Benedict’s solution 

green precipitate formed  orange precipitate formed 

Analysis According to the data summarized in tables above, dodder will prefer plants with higher sugar content to lower sugar content(destarched plant) while choosing their hosts.   Aspect 2: Dodder’s growing behaviour  4.2.3 Effect of dodder on growing behaviour and survival days with living and non-living host  Objectives for experiment 4.2.3 This experiment is conducted to find out the effect of dodder on growing behaviour and survival days with living and non-living host, which means how their parasitic action are, how many days would they survive with and without hosts and also would some non-living ‘hosts’ affect their growth. Design of experiment In this experiment, the surrounding factors (e.g. temperature, humidity, light intensity etc.) are the same for four pots. The independent variable is different ‘hosts’ used, and the dependent variable is the number of days of dodder’s survival. And how the parasitic action is and their response towards those ‘hosts’ are observed as well. 

 ➤ Pot C:dodder with Allium fistulosum             ➤Pot D:dodder with dead Artocarpus heterophyllus   

  ➤ Pot E:dodder with a toothpick                      ➤Pot F:dodder only     

 Set-up 

1. Artocarpus heterophyllus x1 2. Allium fistulosum x1 3. toothpick x1 4. pots x4 5. dodder seed x80( 20@ each pot) 6. soil x1/2pack 

Procedures 1. A Allium fistulosum, a dead Artocarpus heterophyllus, a toothpick and 

just soil are put in 4 pots respectively with soil. 

2. The toothpick is stabbed vertically into the soil to imitate a plant for the dodder. 

3. Sow the 20 seeds of dodder into each pot. 4. Observe and record the result regularly a week after germination of 

dodder seeds. Result Pot C(with Allium fistulosum): Dodder wrap around it 12 days after its germination. The root of the dodder become thinner and eventually die, while the stem of dodder is getting thicker with some bumps appear on the stem at interval at the side of host when they wrap around the host. The part of host that is being wrapped wilt after 24 days, and two days later the dodder also died. Pot D(dead Artocarpus heterophyllus): Dodder didn’t wrap around the dead Artocarpus heterophyllus and had no intention to grow towards it. Without the host, dodder die 9 days after its germination. Pot E(with a toothpick):Again dodder did not wrap around the toothpick and had no intention to grow towards it. They eventually die 8 days after germination. Pot F(just soil): Dodder wrap with each other, but without growing thicker or having bumps on it. Without a host, they die 8 days after germination. 

 ➤Pot C                                                                       ➤ Pot F  Analysis From the above, dodders can survive healthily with a host which provides it with nutrients. However, dodders will only grow towards living plants but not others such as non-living things, dead plants or dodder itself because no nutrients can be obtained from them. 

5.Discussion 5.1 Discussion on objective 1--To investigate dodders’s selection on monocots and dicots Although dodders can detect living plants around them and try to wrap around them, they cannot distinguish whether the plant is a monocots or dicots. They will absorb nutrients from the surrounding plants as many as they can.Therefore the types of plant do not affect the choice of dodders.  5.2 Discussion on objective 2--To investigate dodder’s selection on different sugar contents of plant As dodders tens to grow towards high-energy objects(an experiment proved that dodders will grow towards blue and purple light, which are high energy light).Plants with more sugar made will have a higher energy level as they contain more chlorophyll,in which more electrons are raised to a high energy level.Therefore dodders will prefer growing towards a higher energy level plant and thus a higher sugar content plant.  5.3 Discussion on objective 3-- To investigate dodder’s growing behaviour Dodder has the intrinsic ability to distinguish between living plants and non-living things. They can also tell the difference between hosts and dodder, which is essential for them to survive as dodder itself cannot provide sufficient nutrient for itself through photosynthesis. Hosting on another dodder is definitely useless for its growth. So with these abilities, their parasitic action towards host is effective for obtaining nutrients to support their own living.   5.4 Limitations 1.It takes time for dodders to grow around plants and the cold and unstable weather in January and February were unfavorable for plant growth. As a result, those planting process failed and we could only start again in March. Plus,thorough experiments could not be done until obvious success in dodder’s activity over the plants. 2.Types of plants used may not be representative enough.The result is thus statistically unreliable. 3.There are too many factors affecting dodders’ host selection.So we only focused on the prominent ones like type of plants and sugar content. 

5.5 Improvement 1.If feasible, performing the experiments in a place with constant temperature (e.g. greenhouse) would be better, as fluctuation in temperature may affect the growing speed of dodders and health conditions of plants. 2.Investigating at least two more kinds of each type of plants to make the result more reliable. 

5.6 Possible errors 

1.Health of plants may affect the choice of dodders.Since dodders may choose a healthier plant to host in.However, we cannot compare which plant is healthier by only judging its leaf colour and we cannot ensure how much did the cold weather affect the growth of plants and dodders . 2.Some types of plants may have special defence mechanisms towards the attack of dodders,but the types of plants that we used do not include this type of plants.Therefore the experiment result cannot represent all types of plant. 

5.7 Conclusion 

Dodders tends to grow towards living plant but not any other non-living things. With a host, dodders can absorb nutrients from it and grow healthily.And its roots die when it gets a host. Without a host, dodder will die in a short period of time.Dodders will host on a variety of plants regardless of the types of plants.However, plants with higher sugar content will attract dodders to grow towards them. 

 6.Bibliography 

Dichotomous key of Cuscuta https://gobotany.newenglandwild.org/dkey/cuscuta/#c2 Cross section of the-haustoria of a parasitic dodder plant http://www.gettyimages.com/detail/photo/the-haustoria-of-a-parasitic-dodder-plant-high-res-stock-photography/128636030 Monoctot VS Dicot http://www.diffen.com/difference/Dicot_vs_Monocot 剪不斷，理還亂－菟絲子寄生機制之探討  

http://210.6.198.34/ich_flag/www.mxeduc.org.tw/ScienceAward/2nd/doc/SA-167.pdf