Biological control of wireworms (Agriotes spp.) in potato cultivation using the entomopathogenic fungus Metarhizium brunneum: Factors that influence the effectiveness of mycoinsecticide formulations

GND
1172237379
Affiliation
Julius Kühn-Institute (JKI), Institute for Biological Control, Germany
Paluch, Maximilian

Agricultural production of field crops is one of the most important tasks to feed the growing human population. Since suitable cultivation areas are limited, crop protection plays a key role in the efficient use of existing fields by controlling weeds, microbial pathogens, viruses and animal pests. Among animal pests, insects cause by far the greatest economic losses by crop damage through infestation of above- or belowground plant parts. An example of soil-dwelling pest insects are wireworms, the larvae of click beetles (Coleoptera: Elateridae), which are considered important pests in potato cultivation worldwide. In Germany, wireworms of genus Agriotes, with the most widespread species A. obscurus, A. lineatus and A. sputator, pose a serious threat to farmers producing fresh potatoes. Since the European Commission has banned effective agrochemicals for plant protection due to their harmful effects on the environment, wireworm control in potato cultivation is limited. In search for sustainable alternatives in the integrated pest management, biological control of wireworms using entomopathogenic fungi seems promising. However, although pathogenicity of Metarhizium brunneum isolates against wireworms of the genus Agriotes has been confirmed and various mycoinsecticide formulations have been developed, the effectiveness in field use varied considerably and the exact causes are poorly understood. In the present dissertation, the wireworm control potential of two new formulations based on the entomopathogenic fungus M. brunneum was investigated in more detail. A granule (AgriMet-Granule) and a wettable powder (AgriMet-Dry Product) were tested for soil application during potato planting to reduce the respective wireworm population as part of an inoculative biocontrol strategy. Prior to the field trials, laboratory assays with the AgriMet-Granule showed that the required contact between infectious conidia and the larvae was likely to occur, since an attracting effect of the formulation on A. obscurus, A. sputator and A. lineatus was observed using a Y-Olfactometer. In addition to the olfactory preference to the AgriMet-Granule, the larvae accepted the carrier as food source, which emphasised the control potential of the granule formulation. The AgriMet-Dry Product did not contain any additional attractants and was expected to be effective by being evenly sprayed in the furrow of the potato ridge with the potato seed dressing. However, application of the AgriMet formulations during potato planting was limited by the compatibility of the formulated M. brunneum isolate with only one active ingredient of the fungicide seed dressings commonly used in potato cultivation. Another shortcoming of the formulation properties of the mycoinsecticides tested was the loss of fungal viability after storage and shipment, which was observed in quality control tests. Despite these technical obstacles, the effectiveness of the AgriMet-Granule and the AgriMet-Dry Product was tested in a multi-year field trial (2018-2020) and a significant reduction of wireworm tuber damage was observed. However, the effectiveness was relatively low and varied between years. Adequate effectiveness of the desired inoculative biocontrol strategy required fungal proliferation at the target site, but this was not observed by determining the colony-forming units of Metarhizium spp. after application of the AgriMet formulations in the potato ridge. An important factor affecting fungal proliferation was the low soil temperature (< 17 °C) during application in spring. The insufficient rhizosphere competence of M. brunneum at low soil temperatures poses great challenges to the intended use of the mycoinsecticides at potato planting in April or May. In addition to this ecological problem, an intrinsic factor influencing the effectiveness was identified when testing the appropriate application rates of the formulations in standardised greenhouse and laboratory bioassays. Besides the high application rates required to protect potato tubers, it was found that the used M. brunneum isolate exhibited differences in virulence against A. obscurus, A. sputator and A. lineatus, with A. obscurus being the most sensitive. Considering mixed wireworm populations on a given infested area, the application of mycoinsecticides based on a single M. brunneum isolate with differences in virulence against the most important wireworm species seems unsuitable. Therefore, the combined treatment of two Metarhizium spp. isolates, each with a specific virulence profile, were tested to enhance the effectiveness in field use by targeting multiple wireworm species to the same extent. Although additive effectiveness against A. obscurus and A. sputator was observed with almost equal survival probabilities after the combined treatment, differences in the proliferation performance of the tested isolates pose challenges for subsequent formulations. The identified technical, ecological and intrinsic factors demonstrate the complexity of using the entomopathogenic fungus M. brunneum against wireworms in potato cultivation and must be considered in the future development of marketable mycoinsecticides. The commercial success of mycoinsecticides depends on the creation of a lethal potential at the target site against the most important wireworm species, which is why the application should be embedded in the holistic agronomic system to create suitable conditions for the fungal mode of action and thus effective wireworm control.

Die landwirtschaftliche Produktion von Ackerbaukulturen ist eine der wichtigsten Aufgaben, um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren. Da die für den Ackerbau geeigneten Flächen begrenzt sind, spielt der Pflanzenschutz durch die Bekämpfung von Unkräutern, mikrobiellen Krankheitserregern, Viren und tierischen Schädlingen eine Schlüsselrolle bei der effizienten Nutzung der vorhandenen Felder. Unter den tierischen Schädlingen verursachen Insekten bei weitem die größten wirtschaftlichen Verluste, indem sie durch den Befall ober- oder unterirdischer Pflanzenteile den Ertrag oder die Ertragsqualität mindern. Ein Beispiel für bodenbewohnende Schadinsekten sind Drahtwürmer, die Larven von Schnellkäfern (Coleoptera: Elateridae), die weltweit als wichtige Schädlinge im Kartoffelanbau gelten. In Deutschland stellen Drahtwürmer der Gattung Agriotes, mit den am weitesten verbreiteten Arten A. obscurus, A. lineatus und A. sputator, eine ernsthafte Bedrohung für Landwirte dar, die Speisekartoffeln erzeugen. Da die Europäische Kommission wirksame Agrochemikalien für den Pflanzenschutz aufgrund ihrer schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt verboten hat, ist die Drahtwurmbekämpfung im Kartoffelanbau nur begrenzt möglich. Auf der Suche nach nachhaltigen Alternativen im Rahmen des integrierten Pflanzenschutzes ist die biologische Bekämpfung von Drahtwürmern mit entomopathogenen Pilzen in der aktuellen Forschung sehr populär. Obwohl die Pathogenität von Metarhizium brunneum-Isolaten gegen Drahtwürmer der Gattung Agriotes bestätigt und verschiedene Mykoinsektizid-Formulierungen entwickelt wurden, ist die Wirksamkeit im Feldeinsatz sehr unterschiedlich und die genauen Ursachen sind kaum bekannt. In der vorliegenden Dissertation wurde das Drahtwurmbekämpfungspotenzial von zwei neuen Formulierungen auf der Grundlage des entomopathogenen Pilzes M. brunneum eingehender untersucht. Ein Granulat (AgriMet-Granulat) und ein lösbares Pulver (AgriMet-Trockenprodukt) wurden für die Ausbringung in den Boden während der Kartoffelpflanzung getestet, um die jeweilige Drahtwurmpopulation als Teil einer inokulativen Biokontrollstrategie zu reduzieren. Vor der Feldtestung zeigten Laborversuche mit dem AgriMet-Granulat, dass der erforderliche Kontakt zwischen den infektiösen Konidien und den Larven wahrscheinlich zustande kommt, da mit Hilfe eines Y-Olfactometer eine anziehende Wirkung der Formulierung auf A. obscurus, A. sputator und A. lineatus beobachtet wurde. Neben der olfaktorischen Präferenz für das AgriMet-Granulat akzeptierten die Larven den Träger als Nahrungsquelle, was das Bekämpfungspotenzial der Granulat-Formulierung unterstrich. Das AgriMet-Trockenprodukt enthielt keine zusätzlichen Lockstoffe und sollte seine Wirkung über die gleichmäßige Verteilung in die Furche des Kartoffeldaches mit der Spritzung der Kartoffelbeize entfalten. Die Anwendung der AgriMet-Formulierungen während der Kartoffelpflanzung wurde jedoch durch die Kompatibilität des formulierten M. brunneum-Isolats mit nur einem Wirkstoff der im Kartoffelanbau üblichen Fungizid-Saatgutbeizmittel eingeschränkt. Ein weiteres Defizit in Bezug auf die Formulierungseigenschaften der getesteten Mykoinsektizide war ein Verlust der Lebensfähigkeit der Pilze nach der Lagerung oder dem Versand, der bei Qualitätskontrolltests festgestellt wurde. Trotz dieser technischen Hindernisse wurde die Wirksamkeit des AgriMet-Granulats und des AgriMet-Trockenprodukt in einem mehrjährigen Feldversuch (2018-2020) getestet, und es wurde eine signifikante Reduzierung der Drahtwurmknollenschäden beobachtet. Die Wirksamkeit war jedoch relativ gering und variierte zwischen den Versuchsjahren. Als Teil der angestrebten inokulativen Biokontrollstrategie war eine Pilzvermehrung am Zielort erforderlich, um das letale Potenzial für eine angemessene Wirksamkeit aufzubauen. Die Pilzvermehrung wurde durch die Bestimmung der koloniebildenden Einheiten von Metarhizium spp. nach der Anwendung der AgriMet-Formulierungen im Kartoffeldamm untersucht, jedoch nicht im ausreichendne Maß beobachte. Ein wichtiger Faktor, der die Pilzvermehrung und damit die Wirksamkeit beeinflusste, war die niedrige Bodentemperatur (< 17 °C) während der Ausbringung im Frühjahr. Die unzureichende Rhizosphären-Kompetenz von M. brunneum bei niedrigen Bodentemperaturen stellt eine große Herausforderung für den beabsichtigten Einsatz der Mykoinsektizide bei der Kartoffelpflanzung im April oder Mai dar. Zusätzlich zu diesem ökologischen Problem wurde bei der Prüfung der geeigneten Aufwandmengen der Formulierungen in standardisierten Gewächshaus- und Labor-Bioassays ein intrinsischer Faktor identifiziert, der die Wirksamkeit beeinflusst. Neben den hohen Aufwandmengen, die zum Schutz der Kartoffelknollen erforderlich sind, wurde festgestellt, dass das verwendete M. brunneum-Isolat Unterschiede in der Virulenz gegenüber A. obscurus, A. sputator und A. lineatus aufwies, wobei A. obscurus am empfindlichsten war. In Anbetracht gemischter Drahtwurmpopulationen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen scheint die Anwendung von Mykoinsektiziden auf der Grundlage eines einzigen M. brunneum-Isolats mit Unterschieden in der Virulenz gegen die wichtigsten Drahtwurmarten ungeeignet zu sein. Daher wurde die kombinierte Behandlung von zwei Metarhizium spp.-Isolaten, die jeweils ein spezifisches Virulenzprofil aufwiesen, getestet, um die Wirksamkeit im Feldeinsatz zu erhöhen, indem mehrere Drahtwurmarten in gleichem Maße abgetötet werden. Obwohl eine additive Wirksamkeit gegen A. obscurus und A. sputator mit nahezu gleichen Überlebenswahrscheinlichkeiten nach der kombinierten Behandlung beobachtet wurde, stellen Unterschiede in der Vermehrungsleistung der getesteten Isolate eine Herausforderung für die nachfolgende Formulierung dar. Die identifizierten technischen, ökologischen und intrinsischen Faktoren zeigen die Komplexität des Einsatzes des entomopathogenen Pilzes M. brunneum gegen Drahtwürmer im Kartoffelanbau und müssen bei der künftigen Entwicklung marktfähiger Mykoinsektizide berücksichtigt werden. Der kommerzielle Erfolg von Mykoinsektiziden hängt von der Schaffung eines letalen Potenzials am Zielort gegen die wichtigsten Drahtwurmarten ab, weshalb die Anwendung in das ganzheitliche agronomische System eingebettet sein sollte, um geeignete Bedingungen für die pilzliche Wirkungsweise und damit eine effektive Drahtwurmbekämpfung zu schaffen.

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