Супресивен ефект на почвата към ризоктонийно кореново гниене, индуциран чрез имитирана монокултура на пшеница
Иво Янашков, Ценко Въчев, Галина Петкова
Abstract: От литературата е известно, че продължително (5-6 години) монокултурно отглеждане на чувствителен гостоприемник може да доведе до затихване на болестта и индуциране на биологично детерминирана супресивност на почвата при различни патологични системи – растение-патоген. Постигната цел на настоящото изследване е индуциране на супресивен ефект в почвата по отношение на ризоктонийно кореново гниене (Rhizoctonia solani AG 4) чрез имитиране на монокултура от обикновена пшеница (Triticum aestivum L.). По 24 висококачествени семена от пшеница (сорт Екзотик) бяха посявани във пластмасови вегетационни съдове, всеки с по 1.1 L Алувиално-Ливадна (песъкливо- глинеста) почва. Получените растения бяха отглеждани по варианти за 0-4 последователни, съкратени култивационни цикъла, всеки с продължителност от три месеца. За отчитане на нивото на супресивност на почвата от всеки вариант беше използван биологичен тест, при който експерименталните единици представляваха правоъгълни, пластмасови съдове (26 х 6 х 8 cm), с подложка и отвори за ръчно подаване на поливната вода откъм основата на съда, 7 cm височина на колоната от изследваната почва и двуредов посев от пшеница, сорт Екзотик (2 реда х 12 растения, 2 х 3 cm отстояние между растенията). Проследявано беше разпространението на болестта от фокален (точков) източник на инокулум на патогена – 20 инокулумни зърна от чиста култура, развита върху автоклавиран (30 min на 121 °С) ечемик, инкорпорирани в почвата в началото на двата реда след поникване на растенията. Непосредствено след приключване на биологичния тест за супресивност, числеността на основни групи почвени микроорганизми в ризосферната почва от всеки вариант беше определяна по метода на десетичните разреждания и култивиране върху агаризирани хранителни среди. Отделно бактерии от род Pseudomonas бяха изолирани от ризосферната почва върху среда на King. Антагонистичната активност на по 10 изолата Pseudomonas spp. от всеки вариант беше изпитвана спрямо R. solani AG 4 in vitro по метода на двойните култури. Имитираната при контролирани условия монокултура от пшеница доведе до значително (P<0.05) ограничаване на разпространението на ризоктонийното кореново гниене от източника на инфекция. При това статистически значими разлики (P<0.05) бяха установени и между отделните варианти с предварително култивиране на пшеница: с увеличаване на броя на култивационните цикли от един до четири, значително намаляваше разпространението на болестта – съответно с 19.5%, 31.0%, 40.5% и 54.8% спрямо контролата. Същевременно не беше отчетено съществено изменение в популационната плътност на проследяваните групи микроорганизми в ризосферата на опитните растения, в т.ч. амонифициращи и спорообразуващи бактерии, микроскопични гъби, актиномицети и бактерии, използващи минерален азот. С нарастване на почвената супресивност от първия до петия вегетационен цикъл на културата по варианти бе налице значително нарастване на средната антагонистична активност на изолираните бактерии от род Pseudomonas спрямо R. solani AG 4. Аргументирана бе тезата, че трошливото вретено на зрелия клас при дивите форми е обуславяло продължителна естествена монокултура, в която са виреели и еволюирали хлебната пшеница и нейните предшественици през предисторическата епоха. Приемаме това за предпоставка, която заедно с липсата на гени за устойчивост към некротрофни патогени, е довела до възникване на еволюционно закрепен защитен механизъм, базиран на мутуалистични взаимоотношения между растението и естествено обитаващи ризосферата бактерии, проявяващи висока антагонистична (антибиотична) активност спрямо почвообитаващи фитопатогени. Проявление на този механизъм е нарастващият супресивен отговор на почвата и затихването на болестта по време и след продължителна монокултура. Получените резултати са дискутирани в светлината на микробиалната еко-еволюционна динамика в ризосферата на растенията. Прогресивно нарастващата антагонистична активност към патогена сред представители на Pseudomonas spp. е разгледано като пример за „бърза микробиална еволюция”, осъществявана чрез вероятен хоризонтален трансфер на гени в рамките на един или повече последователни култивационни цикли на културата.
Keywords: антагонистична активност; агротехнически метод за борба; монокултура; бърза микробиална еволюция; ризоктонийно кореново гниене; пшеница
Citation: Yanashkov, I., Vatchev, Tz., & Petkova, G. (2024). Disease suppressive effect in soil against Rhizoctonia root rot induced by mimicking wheat monoculture. Bulgarian Journal of Crop Science, 61(1), 93-107 (Bg).
| References: (click to open/close) | Abbott, W. S. (1925). A method of computing the ef¬fectiveness of an insecticide. Journal of Economic Entomology, 18: 265-267.
Almasudy, A. M., You, M. P. & Barbetti, M. J. (2015). Influence of fungicidal seed treatments and soil type on severity of root disease caused by Rhizoctonia so¬lani AG-8 on wheat. Crop Protection, 75: 40-45.
Al-Sharmani, H. R., Al-Kalabi, H. H. & AL-Abedy, A. N. (2019). Efficacy of rice husks compost and Trichoderma harzianum on Rhizoctonia solani and its effect on seeds germination and seedling health. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 388(1): 1-12.
Baker, K. F. & Cook, R. J. (1974). Biological control of plant pathogens. W.H. Freeman and Company, 433 p.
Barnett, S. J., Ross, A. B. & Franco, C. M. M. (2019). Field assessment of microbial inoculants to control Rhizoctonia root rot on wheat. Biological Control, 132: 152-160.
Chet, I. (1987). I nnovative a pproaches t o p lant d isease control. John Wiley and Sons, Inc., New York, 372 p.
Clarkson, J. D. S. & Cook, R. J. (1983). Effect of sharp eyespot (Rhizoctonia cerealis) on yield loss in winter wheat. Plant Pathology, 32: 421-428.
Colbach, N. & Huet, P. (1995). Modelling the frequency and severity of root and foot diseases in winter wheat mono¬cultures. European Journal of Agronomy, 4: 217-227.
Cotterill, P. J. (1991). Evaluation of in-furrow fungicide treatments to control Rhizoctonia root rot of wheat. Crop Protection, 10(6)4: 73-478.
Cook, R. J. (2007). Take-all decline: model system in the science of bio-logical control and clue to the success of intensive cropping. In: Vincent, C., Goet¬tel, M.S. & Lazarovits, G. (Eds.) Biological control: a global perspective. Wallingford: CAB International, pp. 399–414.
Cook, R. J. (2014). Plant Health Management: Pathogen Suppressive Soils. Encyclopedia of Agriculture and Food Systems, 441–455. doi:10.1016/b978-0-444- 52512-3.00182-0
Cook, R., Thomashow, L. S., Weller, D. M., Fujimoto, D., Mazzola, M., Bangera, G. & Kim, D. (1995). Molecular mechanisms of defense by rhizobacteria against root disease. National Academy of Sciences, 92: 4197-4201.
Cook, R. J. & Weller, D. M. (2004). I n d efence of crop monoculture. In: New directions for a diverse planet. International Crop Science Congress Pro¬ceedings, Brisbane, Australia, Crop Science Society. https://www.ars.usda.gov/research/publications/ publication/?seqNo115=175825
Cordovez, V., Dini-Andreote, F., Carrión, V.J. & Raai¬jmakers, J. M. (2019). Ecology and evolution of plant microbiomes. Annual Review of Microbiology, 73: 69-88.
Demirci, E. (1998). Rhizoctonia species and anastomosis groups isolated from barley and wheat in Erzurum, Turkey. Plant Pathology, 47: 10-15.
Ebrahimi-Zarandi, M., Riseh, R., & Tarkka, M. (2022). Actinobacteria as effective biocontrol agents plant pathogens, an overview on their role in eliciding plant defense. Microorganisms, 10(9): 1739, https:doi. org.10.3390/microorganisms10091739.
Egamberdieva, D., Kamilova, F., Validov, S., Gafurova, L., Kucharova, Z. & Lugtenberg, B. (2008). High incidence of plant growth-stimulating bacteria associ¬ated with the rhizosphere of wheat grown on salinated soil in Uzbekistan. Environmental Microbiology, 10: 1-9.
Fields, B., & Friman, V.P. (2022). Microbial eco-evo¬lutionary dynamics in the plant rhizosphere. Current Opinion in Microbiology, 68: 102153. doi: 10.1016/j. mib.2022.102153
Fischer, S. E., Fischer, S. I., Magris, S. & Mori, G. B. (2007). Isolation and characterization of bacteria from the rhizosphere of wheat. World Journal of Microbiol¬ogy and Biotechnology, 23, pp. 895–903.
Fuller, D. Q. & Allaby, R. (2009). Seed Dispersal and Crop Domestications: Shattering, Germination and Seasonality in Evolution under Cultivation”. Annual Plant Reviews, 38: 238-295.
Gardiner, W. P. (1997). Statistics for the biosciences: data analysis using minitab software. Prentice Hall. Lon¬don, New York, Toronto, Sydney, Tokyo, Singapore, Madrid, Mexico City, Munich, Paris, р. 416.
Gerlagh, M. (1968). Introduction of Ophiobolus graminis into new polders and its decline. Netherlands Journal of Plant Pathology, 74: 1-97.
Grudeva, V., Moncheva, P., Nedeva, S., Gocheva, B., Antonova-Nedeva, S. & Naumova, S. (2007). Hand¬book of microbiology. University edition SU “St. Kli¬ment Ohridski”, p. 355 (Bg).
Hameeda, B., Rupela, O. P. & Reddy, G. (2006). Antag¬onistic activity of bacteria inhabiting composts against soil-borne plant pathogenic fungi. Indian Journal of Microbiology, 46 (4): 389-396.
Hairston, N. G., Ellner, S. P., Geber, M. A., Yoshida, T. & Fox, J. A. (2005). Rapid evolution and the convergence of ecological and evolutionary time. Ecology Letters, 8: 1114-1127.
Hall, R. (1996). Theory and practice of innovation i n managing soil borne plant pathogens. In: Hall, R. (еd.) Principles and practice of managing soil borne plant pathogens (pp. 311-320), ASP Press, The American Phytopathological Society, St. Paul, Minnesota, 330 p.
Hamada, M. S., Yin, Y., & Ma, Z. (2011). Sensitivity to iprodione, difenoconazole and fludioxonil of Rhizoc¬tonia cerealis isolates collected from wheat in China. Crop Protection, 30(8): 1028-1033.
Handiseni, M., Brown, J., Zemetra, R., & Mazzola, M. (2013). Effect of Brassicaceae seed meals with different glucosinolate profiles on Rhizoctonia root rot in wheat. Crop Protection, 48: 1-5.
Henis, Y., Ghaffar, A., & Baker, R. (1978). Integrated control of Rhizoctonia solani damping-off of radish: Effect of suc-cessive plantings, PCNB, and Trichoderma harzianum on pathogen and disease. Phytopathology, 68: 900-907.
Henis, Y., Ghaffar, A., & Baker, R. (1979). Factors af¬fecting suppressiveness to Rhizoctonia solani i n s oil. Phytopathology, 69(11): 1164-1169.
Homma, Y., Sitton, J. W., Cook, R. J., & Old, K. M. (1979). Perforation and destruction of pigmented hy¬phae of Gaeumannomyces graminis b y v ampyrellid amoebae from Pacific Northwest wheat field soils, Phytopathology, 69: 1118-1122.
Hornby, D. (1998). Take-All of Cereals: A Regional Per¬spective. CAB International, Wallingford, UK, 384 p.
Jensen, A. (1975). Danish experiences with cereals in monoculture. EPPO-Bulletin, 5: 181-191.
Keen, P. L. & Montforts, M. H. M. M (2012). Antimi¬crobial Resistance in the Environment. John Wiley and Sons, 602 p.
Keel, C., Schnider, U., Maurhofer, M., Voisard, C., Laville, J., Burger, U., Wirthner, P., Haas, D., & Défago, G. (1992). Suppression of root diseases by Pseudomonas fluorescens C HA0 - i mportance of the bacterial seconday metabolite 2.4-diacetylphloroglu¬cinol. Molecular Plant-microbe Interactions, 5: 4-13.
Kwak, Y. S., & Weller, D. M. (2013). Take-all of wheat and natural disease suppression: a review. Plant Pa¬thology Journal, 29: 125–135.
Liu, S., & Baker, R. (1980). Mechanism of biological control in soil suppressive to Rhizoctonia solani. Phy¬topathology, 70: 404-412.
Lucas, P., Smiley, W., & Collins, H.P. (1993). Decline of Rhizoctonia root rot on wheat in soils infested with Rhizoctonia solani AG-8. Phytopathology, 83: 260-263.
MacNish, G.C. (1988). C hanges i n t ake-all (Gaeuman¬nomyces graminis var. tritici), Rhizoctonia root rot (Rhizoctonia solani) and soil pH in continuous wheat with annual applications of nitrogenous fertiliser in Western Australia. Australian Journal Experimental Agriculture, 28: 333-41.
Matin, M., & Faruq, A. (2013). Prevalence of pathogenic fungi in soils of wheat field. Journal of Experimental Biosciences, 4(1): 63-68.
Mazzola, M. (2010). Management of resident soil micro¬bial community structure and function to suppress soilborne disease development. pp. 200-218, In: M.P. Reynolds (ed.), Climate Change and Crop Production. CABI, Wallingford, UK, 292 p.
Mendes, R., Garbeva P., & Raaijmakers J. M. (2013). The rhizosphere microbiome: significance of plant beneficial, plant pathogenic, and human pathogenic microorganisms. FEMS Microbiology Reviews, 37: 634–663.
Maheshwari, D. K. (2011). Bacteria in Agrobiology: Crop Ecosystems. Springer Science and Business Media, 434 p.
MacNish, G., & Neate, S. (1996). Rhizoctonia bare patch of cereals. Plant Disease, 80: 965-971.
Müller, T., Ruppel, S., Behrendt, U., Lentzsch, P., & Müller, M. E. H. (2018). Antagonistic Potential of Fluorescent Pseudomonads colonizing wheat heads against mycotoxin producing Alternaria and Fusaria. Frontiers in Microbiology, 9: 2124.
Parmeter, J. R. (1970). Rhizoctonia solani, Biology and Pathology. American Phytopathological Society. Symposium of Rhizoctonia solani held at the Miami meeting of the Society, 255 p.
Pane, C., Spaccini, R., Piccolo, A., Scala, F., & Bonanomi, G. (2011). Compost amendments enhance peat suppressiveness to Pythium ultimum, Rhizoctonia solani and Sclerotinia minor. Biological Control, 56: 115-124.
Pérez-Montaño, F., Alías-Villegas, C., Bellogín, R. A., delCerro, P., Espuny, M. R., Jiménez-Guerrero, I., López-Baena, F. J., Ollero, F. J. & Cubo, T. (2014). Plant growth promotion in cereal and leguminous agricultural important plants: From microorganism ca¬pacities to crop production. Microbiological Research, 169: 325-336.
Raaijmakers, J. M., & Weller, D. M. (1998). Natural plant protection by 2,4-diaceylphloroglucinol-producing Pseudomonas spp. in take-all decline soils. Molecular Plant-Microbe Interactions, 11: 144-152.
Raaijmakers, J. M. & Weller, D. M. (2001). Exploiting genotypic diversity of 2,4- diaceylphloroglucinol-producing Pseudomonas s pp: Characterization of s u¬perior root-colonizing Pseudomonas fluorescens strain Q8r1-96. Applied and Environmental Microbiology, 67: 2545-2554.
Raaijmakers, J. M., Weller, D. M. & Thomashow, L. S. (1997). Frequency of antibiotic-producing Pseu¬domonas spp. in natural environments. Applied and Environmental Microbiology, 63: 881–887.
Raaijmakers, J. M., Bonsall, R .E. & Weller, D. M. (1999). Effect of population density of Pseudomonas cinol in the rhizosphere of wheat. Phytopathology, 89: 470–475.
Rawat, S., Izhari, A., & Khan, A. (2011). Bacterial Diver¬sity in Wheat Rhizosphere and their Characterization. Advances in Applied Science Research, 2(2): 351-356.
Roget, D. K. (1995). Decline in root rot (Rhizoctonia solani AG-8) in wheat in a tillage and rotation experi¬ment at Avon, South Australia. Australian Journal of Experimental Agriculture, 35(7), 1009. doi:10.1071/ ea9951009.
Sanguin, H., Sarniguet, A., Gazengel, K., Moënne- Loccoz, Y., & Grundmann, G. L. (2009). R hizo¬sphere bacterial communities associated with disease suppressiveness stages of take-all decline in wheat monoculture. New Phytologist, 184: 694-707.
Shipton, P. J. (1977). Monoculture and soil-borne plant patho¬gens. Annual Review of Phytopathology, 15: 387-407.
Smiley, W. R., Collins, P. H., & Rasmussen, P. E. (1996). Diseases of wheat in long-term agronomic experiments at Pendleton, Oregon. Plant Disease, 80: 813-820.
Sneh, B., Jabaji-Hare, S., Neate, S. M. & Dijst, G. (1996). Rhizoctonia Species: Taxonomy, Molecular Bi¬ology, Ecology. Pathology and Disease Control, 578 p.
Thomashow, L. S. & Weller, D. M. (1988). R ole o f a phenazine antibiotic from Pseudomonas fluorescens in biological control of Gaeumannomyces graminis var. tritici. Journal of Bacteriology, 170: 3499−3508.
Thomashow, L. S., & Weller, D. M. (1990a). Application of fluorescent pseudomonads to control root diseases of wheat and some mechanisms of disease suppression. In: Hornby, D., (ed.), Biological control of soil-borne plant pathogens, pp. 109-122. CAB International, Wall¬ingford, 779 p.
Thomashow, L. S., & Weller, D. M. (1990b). R ole of antibiotics and siderophores in biocontrol of take-all disease of wheat. Plant and Soil, 129: 93–99.
Thomashow, L. S., Weller, D. M., Bonsall, R. F. & Pierson III, L. S. (1990). Production of the antibiotic phenazine-1-carboxylic acid by fluorescent Pseudomo¬nas species in the rhizosphere of wheat. Applied and Environmental Microbiology, 56: 908–912.
Vatchev, T., & Dijst, G. (2010). Induced soil suppressive¬ness against Rhizoctonia solani using mycelial amend¬ments. Journal of Balkan Ecology, 13: 391-403.
Vatchev, T., & Yanashkov, I. (2023). Incorporation of wheat straw to render soil suppressive to Rhizoctonia root rot. Proceedings of the scientific forum with international participation “Ecology and agrotechnolo¬gies – fundamental science and practical realization”, 4: 66-79.
Vatchev, T., Yanashkov, I., & Maneva, S. (2017). Use of composted sheep manure to increase soil suppressive¬ness towards Rhizoctonia root rot of wheat. Bulgarian Journal of Soil Science, Agrochemistry and Ecology, 51: 40-52.
Velazhahan, R., Samiyappan, R., & Vidhyasekaran, P. (1999). Relationship between antagonistic activities of Pseudomonas fluorescens isolates against Rhizoctonia solani and their production of lytic enzymes. Journal of Plant Diseases and Protection, 106(3): 244–250.
Weise, M. V. (1987). Compendium of wheat diseases, 2nd ed. St Paul, MN, USA, APS Press, American Phyto¬pathological Society, 112 p.
Weller, D. M. (1983). C olonization o f w heat r oots b y a fluorescent pseudomonad suppressive to take-all. Phy¬topathology, 73: 1548–1553.
Weller, D. M. (2007). Pseudomonas biocontrol agents of soilborne pathogen: looking back over 30 years. Phyto¬pathology, 97, pp. 250–256.
Weller, D. M., Raaijmakers, J. M., McSpadden Gar¬dener, B. B. & Thomashow, L. S. (2002). Microbial populations responsible for specific soil suppressive¬ness to plant pathogens. Annual Review of Phytopa¬thology, 40, pp. 309-348.
Weller, D. M., Raaijmakers, J. M., McSpadden Gar¬dener, B. B., & Thomashow, L.S. (2002). Microbial populations responsible for specific soil suppressive¬ness to plant pathogens. Annual Review of Phytopa¬thology, 40, pp. 309–348.
Wiseman, B. M., Neate, S. M., Keller, K. O., & Smith, S. E. (1996). Suppression of Rhizoctonia solani anastomosis group 8 in Australia and its biological nature. Soil Biology and Biochemistry, 28(6): 727–732. doi:10.1016/0038-0717(95)00178-6.
Yanlong, X., Xiaoyu, L., Cong, C., Gailin, G., Yongping, X., Jian, C., Fuqin, H., Hongli, C., & Lili, W. (2020). Use of resistant Rhizoctonia cerealis strains to control wheat sharp eyespot using organically developed pig manure fertilizer. Science of The Total Environment, 726. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138568.
Yanashkov, I., Gilardi, G., & Vatchev, T. (2016). Soil¬borne fungal diseases of small grain cereal crops. Bulgarian Journal of Crop Science, 53: 3-21.
Yanashkov, I., Avramov, Z., & Vatchev, T. (2017). Soilborne fungal pathogens of small grain cereal crops in Bulgaria: species composition and distribution. Bul¬garian Journal of Crop Science, 54: 10-23.
Zeun, R., Scalliet, G., & Oostendorp, M. (2013). Bio¬logical activity of sedaxane – a novel broad-spectrum fungicide for seed treatment. Pest Managment Science, 69(4): 527-34.
|
|
| Date published: 2024-02-27
Download full text 
