Impacts of the fungal bio-control agent Fusarium oxysporum f.sp. strigae on plant beneficial microbial communities in the maize rhizosphere

Abstract

Striga hermonthica causes severe yield reduction in cereal crop production in Sub-Saharan Africa. Intergrated Striga management has been proposed as one of the best options to control striga. Along this line, the use of biocontrol agent (BCA) Fusarium oxysporum f.sp. strigae (Foxy-2) has been proven as an effective and environmental friendly management strategy. It is well established that a prerequisite for a successful BCA is sufficient risk assessment analysis. Towards this direction, Foxy-2 was assessed for its potential non-target impacts on the abundance, community structure of bacterial and archaeal nitrifying prokaryotes as well as enzymatic activities of proteolytic bacteria. Maize rhizosphere soils treated with or without Foxy-2, Striga and high quality organic residues (i.e., Tithonia diversifolia) as N source were evaluated by quantitative polymerase chain reaction (qPCR) and terminal restriction fragment length polymorphism (TRFLP). It was observed that Foxy-2 had a promoting effect on archaeal abundance under controlled conditions in sandy soils. Furthermore, crop growth stage, seasonality and soil type had a strong effect on abundance and community structure of nitrifying prokaryotes over Foxy-2 inoculation. In addition proteolytic enzymatic activities analysis showed that Foxy-2 did not affect their activities. Correlation analysis also showed that abundance and community structure on nitrifying communities positively correlated with extractable organic carbon, extractable organic nitrogen and soil pH, while proteolytic enzymatic activities correlated with extractable organic nitrogen and soil ammonium. It was concluded that Foxy-2 is compatible with nitrifying prokaryotes and proteolytic enzymatic activities.

Striga hermonthica ist ein wichtiger limitierender Faktor der Getreideproduktion und Ernährungssicherheit im subsaharischen Afrika. Die integrierte Kontrolle wird als eine der aussichtsreichsten Möglichkeiten zur Bekämpfung parasitischer Striga-Arten angesehen. Dabei hat sich die Kombination resistenter Getreidesorten und mikrobiologischer Nutzorganismen wie Fusarium oxysporum f. sp. strigae („Foxy-2“) als effiziente und umweltfreundliche Bekämpfungsstrategie bewährt. Obwohl die Anwendung von „Foxy-2“ als wichtige Komponente in der integrierten Striga-Kontrolle propagiert wird, wurde bisher keine Risikoanalyse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Nicht-Ziel-Mikroorganismen durchgeführt. Eine solche Risikoanalyse ist jedoch unabdingbar für Feldapplikationen im größeren Maßstab. Außerdem wurde ein stark variierender Wirkungsgrad von „Foxy-2“ auf Striga unter Labor-, Gewächshaus- und Feldbedingungen beobachtet, was auf unterschiedliche biotische und abiotische Standortfaktoren zurückzuführen ist. Deshalb zielte die vorliegende Arbeit darauf ab mögliche Nebenwirkungen von „Foxy-2“ auf Schlüsselmikroorganismen des Stickstoffkreislaufes (z.B. Nitrifikation und Proteolyse) in der Maisrhizosphäre zu bestimmen. Spezifische Ziele waren (1) mögliche Nebenwirkungen von „Foxy-2“ auf die Abundanz von Ammonium-oxidierenden Archaeen (AOA) und Bakterien (AOB) sowie auf Gesamtarchaeen und -bakterien zu untersuchen. Dazu wurde ein Rhizobox-Versuch mit zwei unterschiedlichen Böden (sandiger Ferric Alisol bzw. toniger Humic Nitisol) von nicht Striga-infizierten Standorten im zentralen Hochland von Kenia (Embu und Machanga) angelegt; (2) Effekte von Bodeneigenschaften, Pflanzenwachstum (frühes Blattentwicklungsstadium (EC 30), Blüte (EC 60) und Seneszenz (EC 90)) und Saisonalität (kurze und lange Regenzeit) auf die Dynamik der Abundanz und Struktur von Gesellschaften nitrifizierender Prokaryoten relativ zum Effekt der Inokulation mit „Foxy-2“ an zwei unterschiedlichen agrarökologischen Standorten (Busia und Homa Bay) in West-Kenia zu quantifizieren; (3) die methodische Entwicklung spezifischer Polymerasekettenreaktionen (qPCR) zur Quantifizierung proteolytischer Bakterien (z.B. neutrale Metalloproteasen kodierende npr Gene) in tropischen Böden; (4) Identifizierung von Nebenwirkungen von „Foxy-2“ auf die Abundanz proteolytischer Bakterien (qPCR) und deren Enzymaktivität (z.B. npr Gen spezifische Suc-ala-Ala-Phe-AMC) mittels der neu entwickelten Methoden. Der Versuchsansatz basierte auf einer Kombination von Rhizobox- und Feldversuchen, in denen Behandlungen mit und ohne „Foxy-2“ beschichtetes Maissaatgut sowie mit und ohne Striga-Saatgut getestet wurden. Unter der Annahme, dass „Foxy-2“ N-Konkurrenz induziert und die Entwicklung N-umsetzender Mikroorganismen hemmt, wurde eine zusätzliche Behandlung mit einer leicht verfügbaren organischen N-Quelle (Tithonia diversifolia Pflanzenmaterial) angesetzt. Rhizosphären-Boden der Maisversuche wurde anhand molekularer (qPCR und terminaler Restriktionsfragment-Längenpolymorphismus (TRFLP)), biochemischer (enzym- und bodenchemische Analysen) und statistischer Verfahren analysiert. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass die Anwendung von „Foxy-2“ mit nitrifizierenden und proteolytischen Prokaryoten vereinbar ist und keine nachteiligen Wirkungen auf die Abundanz und Struktur wichtiger Gene des N-Kreislaufs der untersuchten Bodenmikroorganismen hat. Um den vorübergehenden suppressiven Effekt von „Foxy-2“ auf die Abundanz proteolytischer Bakterien zu kompensieren, ist die Kombination von „Foxy-2“ Inokulation mit leicht abbaubarem Pflanzenmaterial empfehlenswert. Im Feldversuch beeinflussten Pflanzenentwicklungsstadium, Saisonalität und Bodentyp die Abundanz und Struktur der nitrifizierenden Prokaryoten stärker als „Foxy-2“. Dies unterstreicht die Notwendigkeit der Berücksichtigung standortspezifischer Faktoren in Risikoanalysen zum biologischen Pflanzenschutz. Es kann außerdem angenommen werden, dass vergleichbare Faktoren einen signifikanten Einfluss auf die Effektivität von „Foxy-2“ bei der Kontrolle von Striga haben, was in zukünftigen Studien berücksichtigt werden sollte. Eine gründliche Untersuchung von Interaktionen zwischen „Foxy-2“ und Standortfaktoren ist insbesondere notwendig, um die Wirksamkeit von Fusarium oxysporum f. sp. strigae durch weitere Forschung zu lokalen Isolaten, die möglicherweise besser an lokale Boden- und Klimabedingungen angepasst sind als das hier verwendete ghanaische Isolat, zu verbessern. Außerdem sollten zukünftige Studien eine große Bandbreite an Mikroorganismen, z.B. pflanzenwachstumsfördernde Bakterien, mit Kontrollpotential gegen Striga untersuchen. Eine Kompatibilität solcher Striga unterdrückender Bakterien in Kombination mit „Foxy-2“ oder anderen Isolaten könnte die Wirksamkeit mikrobieller Kontrollstrategien gegen Striga weiter verbessern.