Root-knot nematodes: abundance in organic farming, differentiation among populations, microbes attached to juveniles in soil, and bacterial antagonists
Two surveys were conducted to determine the frequency and abundance of plantparasitic nematodes associated with different crops at an organic farm in Egypt, during autumn 2009 and 2011. Eleven genera of plant-parasitic nematodes were detected. Root-knot nematodes (Meloidogyne spp.) showed the highest abundance and frequency of all plant-parasitic nematodes during the two surveys. Commonly detected genera were Tylenchorhynchus, Rotylenchulus, Helicotylenchus and Pratylenchus. Further studies on Meloidogyne were carried out with regard to discrimination among populations, attachment of microbes to juveniles (J2) in soil, and biocontrol through bacterial strains which were known as antagonists of fungal pathogens. Meloidogyne incognita populations and/or races that showed differential pattern of reproduction on a set of host plants, could be differentiated based on a newly developed PCR-DGGE system to electrophorecically separate variants of the pathogenicity gene msp1. Three arable soils from different regions of Germany were shown to vary in the suppressiveness of their indigenous microbial communities against Meloidogyne hapla. Attachment of microbes to J2 in these three soils was investigated by cultivation-independent methods to identify those which specifically interacted with J2 in the most suppressive soil (Kleinwanzleben). The three soils differed in the microbes attached to J2. PCR-DGGE fingerprints of amplified ITS fragments or 16S rRNA genes showed many fungi and bacteria that were abundant on J2 but not in the surrounding soil, some of which seemed to be present in all three soils while most were soil type specific. Many bacteria associated with J2 from the most suppressive soil were closely related to infectious species like Shigella spp., while most abundant were Malikia spinosa and Rothia amarae as determined by 16S rRNA gene amplicon pyrosequencing. Nematode-fungus disease complexes can cause dramatic synergistic yield losses. Bacterial strains known as antagonists of phytopathogenic fungi were evaluated with respect to their biocontrol potential towards M. incognita. Seed inoculation with most of the strains significantly reduced propagation of nematode on tomato roots. The best strains Bacillus subtilis Sb4-23, Mc2-Re2, and Mc5- Re2 were further studied for their mode-of-action. The strains were able to affect the nematodes directly by metabolites present in culture supernatants and indirectly by induced systemic resistance of the plant. Experimental comparison of direct and plantmediated effects suggested that the latter was the major control mechanism of these antagonists. Overall, these findings may improve the basis for integrated management strategies of root-knot nematodes in organic farming.
In zwei umfassenden Untersuchungen im Herbst 2009 und 2011 wurde die Verbreitung und die Abundanz pflanzenparasitärer Nematoden an den verschiedenen Feldfrüchten in einer Bio-Farm in Ägypten erfasst. Insgesamt wurden elf Genera gefunden, von denen Wurzelgallen-Nematoden (Meloidogyne spp.) in beiden Untersuchungen am häufigsten und mit der höchsten Anzahl in den Proben gefunden wurde. Weitere oft gefundene Genera waren Tylenchorhynchus, Rotylenchulus, Helicotylenchus und Pratylenchus. Davon ausgehend beschäftigten sich die weiteren Arbeiten mit Meloidogyne, und zwar mit der Differenzierung von Populationen, der Anheftung von Mikroorganismen an die Juvenile (J2) im Boden, und der biologischen Kontrolle durch Bakterienstämme, die als Antagonisten von pilzlichen Pathogenen bekannt sind. Die untersuchten Populationen und/oder Rassen von Meloidogyne incognita zeigten phänotypische Unterschiede in ihren Vermehrungsmustern an einem Set von Wirtspflanzen. Damit einhergehend konnten auch genetische Unterschiede anhand einer neu entwickelten Methode zur Amplifikation des Pathogenitätsgens msp1 und der elektrophoretischen Auftrennung der PCR-Produkte von Genvarianten im Denaturierungsgradienten (DGGE) nachgewiesen werden. Für drei Ackerböden aus verschiedenen Regionen in Deutschland wurde unterschiedliche Suppressivität ihrer mikrobiellen Gemeinschaften gegen Meloidogyne hapla im Gewächshaus gezeigt. Mit Kultivierungs-unabhängigen Methoden wurde untersucht, welche Mikroorganismen an die J2 in den Böden anheften, um die zu identifizieren, die mit J2 im suppressivsten der drei Böden spezifisch interagierten (Kleinwanzleben). Die Mikroorganismen, die an den J2 nach Inkubation im Boden haften blieben, unterschieden sich zwischen den drei Böden. In PCR-DGGE Fingerprints von ITS-Fragmenten bzw. 16S rRNA Genen wurden viele Pilze und Bakterien detektiert, die an den J2 aber nicht im umgebenden Boden abundant waren. Während sich einige davon in allen drei Böden an den J2 anreicherten, waren andere spezifisch für einen Bodentyp. Mittels Pyrosequenzierung von 16S rRNA Gen-Amplikons konnten die mit J2 im suppressivsten Boden assoziierten abundantesten Bakterienarten beschrieben werden. Viele davon waren verwandt mit infektiösen Arten wie Shigella spp., während Malikia spinosa und Rothia amarae am häufigsten detektiert wurden. Krankheitskomplexe aus Nematode und Pilz können erhebliche synergistische Ertragsverluste verursachen. Bakterienstämme, die als Antagonisten von phytopathogenen Pilzen bekannt sind, wurden auf ihr Potential zur biologischen Kontrolle von M. incognita untersucht. Sameninokulation führte bei den meisten Stämmen zu einer signifikanten Reduktion der Vermehrung des Nematoden an Tomatenwurzeln. Für die drei besten Isolate, Bacillus subtilis Sb4-23, Mc2-Re2 und Mc5- Re2, wurden die zugrundeliegenden Mechanismen untersucht. Die Stämme konnten den Nematoden sowohl direkt durch Metabolite beeinträchtigen, die im Kulturüberstand zu finden sind, als auch indirekt über Induktion systemischer Resistenz der Pflanze. Im experimentellen Vergleich der direkten und Pflanzenvermittelten Effekte zeigte sich, dass letzteres der dominierende Kontrollmechanismus dieser Antagonisten ist. Zusammen genommen könnten diese Befunde als Basis für eine verbesserte Strategie zum integrierten Management von Wurzelgallen-Nematoden im biologischen Landbau dienen.
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