Einfluss der Fruchtfolgen auf das Vorkommen von Wurzel- und Halmbasiskrankheiten an Winterweizen und auf das Mikrobiom im Boden und in der Rhizosphäre
by Messan Biova N´ditsi
Date of Examination:2021-11-24
Date of issue:2023-07-24
Advisor:Prof. Dr. Andreas von Tiedemann
Referee:Prof. Dr. Kornelia Smalla
Referee:Prof. Dr. Mark Varrelmann
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9499
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Abstract
English
In the third phase of this project, from 2013 to 2016, the present work has examined the influence of various crop rotations on the occurrence of different stem basis and root patho-gens of winter wheat. For this purpose, a two-factor split-plot designed trial was established in 2007 in Rostock and Göttingen a year later with four crop rotation systems (FF1: Maize monoculture, FF2: Oilseed rape - winter wheat, FF3: Oilseed rape - green rye/maize - win-ter wheat, and FF4: Oilseed rape - winter wheat - green rye/maize - winter wheat). The vis-ual assessment of eyespot (Oculimacula yallundae/acuformis), sharp eyespot (Rhizoctonia cerealis), Fusarium foot rot (Fusarium spp.), and take-all disease (Gaeumannomyces gram-inis) was performed in the growth stage 75-77. The microbial community compositions of the bulk soil and rhizosphere of wheat were ana-lyzed using denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE). The crop rotation effect on the edaphic microbial community diversity was examined using pyrosequencing. Moreover, the correlation between soil microbial diversity and disease occurrence in the energy crop rota-tion systems was described. Despite the higher disease pressure in Rostock, a statistically significant location difference was only founded in 2014. Regardless of the year, location, and the assessed disease, FF2 was characterized by the highest disease incidence, followed by FF4 (FF2> FF4> FF3). At both locations, neither the comparison between the crop rotations nor the sowing dates showed a statistically significant difference, unless in the year 2015. A statistically signifi-cant annual effect on the occurrence of Fusarium spp. was also only found in 2015. In 2014 and 2015, the location effect and the crop rotation effect had a statistically significant im-pact on the appearance of Fusarium spp. Regardless of the location and the year, higher disease incidences were recorded in crop rotations with an early sowing. According to Gaeumanomyces graminis, a statistically significant annual influence was only found in comparing 2013 and 2014 in Göttingen and 2013 and 2015 in Rostock. No statistically sig-nificant location influence was observed over the years. Similarly, the comparison between the crop rotations or the sowing dates in 2013 and 2014, regardless of location, did not re-veal any statistically significant difference. The exception was in 2015 at the Göttingen site, where the difference between FF2 and FF3 or FF4 was statistically significant. The low infestation levels of the pathogen Rhizoctonia cerealis underlined the subordinate role of the pathogen for the studied crop rotations. The differences between the microbial communities depending on the cropping systems in different soil layers were qualitatively assessed by DGGE. The investigation during the vegetation period 2013 showed that the microbial community of the topsoil (0-15 cm) and the subsoil (15-30 cm) were significantly different within each crop rotation. However, the fungal community in topsoil and the subsoil of maize monoculture (FF1) are similar. This result emphasized the particular influence of the previous crop - crop residues as a starting substrate for microbial metabolism - on the microbial community. Significant differences were found in all comparisons between the cropping system with oilseed rape as the crop preceding winter wheat (FF2) and cropping systems (FF1, FF3) with maize as the preced-ing crop wheat. This tendency was observed in the topsoil and the subsoil. In FF4, both oilseed rape and maize were previous crops of winter wheat. As a result, the comparison of FF4 with the other crop sequences revealed fewer differences. The bacterial communities in the topsoil and the subsoil of the examined crop sequences showed no relevant differ-ences except FF1 vs. FF3 and FF2 vs. FF3. Regardless of the year, the microbial communities in the soil layer 0-30 cm did not show any significant differences between the cropping systems. No significant differences were found between the rhizosphere microbial communities of the cropping systems. This result shows the minor influence of the cropping systems on the rhizosphere microbial communi-ties. Comparing the rhizosphere and the bulk soil of the respective crop system revealed a significant difference for fungi. However, bacterial communities remained unchanged. The taxonomic investigation of the fungal community by amplicon sequencing revealed a total of 2.930 OTUs assigned to 12 different phyla. For bacteria, 29 phyla and 4156 OTUs were identified. Ascomycota, Zygomycota, and Basidiomycota were the main fungal phyla. Similarly, Actinobacteria, Proteobacteria, and Acidobacteria were the prominent bacterial representatives. The highest Chao1 and Shannon diversity indexes and the highest species richness of the microbial community were found in FF1 and FF2. FF3 turned out to be the crop rotation with the lowest species number and the lowest diversity indexes. In conclusion, this work shows the possibility of reducing the outbreak of different stem ba-sis and root pathogens of winter wheat using maize as the previous crop. We found out that the crop rotation systems significantly affect the microbial communities in the topsoil and subsoil but only a minor impact on the rhizosphere microbiome. This work also showed that the differences in the disease severities of stem basis and root pathogens of winter wheat in the different cropping rotation systems might not be rooted in modifying the rhizosphere microbiome but in the different inoculum amounts.
Keywords: crop system; soil microbial diversity; bulk soil; bacteria, eukaryota; disease incidence
German
In der dritten Phase dieses FNR-Projektes von 2013 bis 2016 erfolgten die Untersuchun-gen mit dem Fokus auf den phytosanitären Einfluß der Fruchtfolgen auf das Auftreten von Wurzel und Halmbasiskrankheiten an Weizen und auf die Diversität der edaphischen mik-robiellen Gemeinschaften. Standortunabhängig wurde kein statistisch signifikanter Jahreseffekt auf das Auftreten von Halmbruch beobachtet. Trotz des höheren Befallsdruckes in Rostock wies der Standortver-gleich nur im Jahr 2014 einen statistisch absicherbarer Standortunterschied auf. Auf Frucht-folgenebene war die FF2 unabhängig von dem Jahr, dem Standort und der untersuchten Krankheit durch die höchsten Befallsstärken gekennzeichnet, gefolgt von FF4 (FF2 > FF4 > FF3). Für den Halmbruch-Befall brachte der Vergleich zwischen den Fruchtfolgen bezie-hungsweise den Aussaatterminen standortunabhängig nur im Jahr 2015 einen statistisch signifikanten Unterschied. Ein statistisch signifikanter Jahreseffekt auf das Auftreten von Halmbasisfusarium wurde auch nur im Jahr 2015 festgestellt. In den Jahren 2014 und 2015 erwies sich der Standorteffekt beziehungsweise der Fruchtfolgeneffekt auf das Auftreten von Fusarium als statistisch signifikant. Ungeachtet des Standortes und des Versuchsjah-res wurden hohe Befallsstärken bei Fruchtfolgen mit Frühaussaat bonitiert. Trotz Befalls-schwankungen des Erregers Gaeumanomyces graminis war über die drei Versuchsjahre nur bei dem Vergleich zwischen 2013 und 2014 in Göttingen beziehungsweise 2013 und 2015 in Rostock ein statistisch signifikanter Jahreseinfluß festzustellen. Es gab über die drei Versuchsjahre keinen statistisch signifikanten Standorteinfluß. Ähnlich brachte der Vergleich zwischen den Fruchtfolgen beziehungsweise den Aussaatterminen in den Jahren 2013 und 2014 standortunabhängig keinen statistisch signifikanten Unterschied hervor. Ausnahme bildete das Jahr 2015 am Standort Göttingen, wo der Befallsunterschied zwi-schen FF2 und FF3 beziehungsweise FF4 statistisch absicherbar war. Die geringfügigen Befallsstärken des Erregers Rhizoctonia cerealis unterstrichen die untergeordnete Rolle des Erregers für die untersuchten Fruchtfolgen. Die Unterschiede zwischen den mikrobiellen Gemeinschaften in Abhängigkeit der Frucht-folgen in unterschiedlichen Bodenschichten wurden mit der denaturierenden Gradienten Gelelektrophorese qualitativ bewertet. Die Untersuchungen während der Vegetationsperio-de 2013 zeigten, dass innerhalb jeder Fruchtfolge die mikrobiellen Gemeinschaften des Oberbodens (0-15 cm) und des Unterbodens (15-30 cm) statistisch signifikante Unterschie-de aufwiesen. Eine Ausnahme stellte die pilzliche Gemeinschaft der Maismonokultur dar. Es wurden statistisch signifikante Unterschiede bei allen Vergleichen zwischen Fruchtfolge (FF2) mit Raps als Vorfrucht des Winterweizens und Fruchtfolgen (FF1, FF3) mit Mais als Vorfrucht gefunden. Diese Tendenz wurde sowohl im Ober- als auch in Unterboden beo-bachtet. Dadurch spiegelte der Vergleich der FF4 mit den anderen Fruchtfolgen die oben beschriebene Tendenz nur bedingt wider. Die bakteriellen Gemeinschaften im Ober- bzw. im Unterboden der untersuchten Fruchtfolgen wiesen bis auf die Vergleiche FF1 und FF3 bzw. FF2 und FF3 keinen statistisch gesicherten Unterschied auf. Unabhängig vom Ver-suchsjahr und der Vegetationsperiode ergaben sich bei der Untersuchung der Boden-schicht 0-30 cm keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den Mikrobiomen der Fruchtfolgen. Ähnlich wurde auch kein statistisch signifikanter Unterschied zwischen den Rhizomikrobiomen der untersuchten Fruchtfolgen gefunden. Beim Vergleich zwischen dem Rhizomikrobiom und dem im Boden freilebenden Mikrobiom der jeweiligen Fruchtfolgen lässt sich ein statistisch relevanter Unterschied zwischen den pilzlichen Gemeinschaften der Fruchtfolgen feststellen, obwohl die dazugehörigen, bakteriellen Gemeinschaften un-verändert blieben. Bei der phylogenetischen Untersuchung der pilzlichen Gemeinschaften wurden fruchtfolgenübergreifend insgesamt 2930 OTUs und 12 Phyla zu den untersuchten Sequenzen zugeordnet. Analog wurden 29 bakterielle Phyla und 4156 OTUs identifiziert. Ascomycota, Zygomycota und Basidiomycota waren die Hauptvertreter der pilzlichen Phy-la. Analog waren Actinobacteria, Proteobacteria, Acidobacteria die bakteriellen Hauptver-treter. Es wurde kein statistisch signifikanter Unterschied zwischen den pilzlichen bezie-hungsweise bakteriellen Gemeinschaften der untersuchten Fruchtfolgen gefunden. Die höchsten Chao1- und Shannon Diversitätsindices sowie auch der höchste Artenreichtum wurden in den FF1 und FF2 gefunden. FF4 wies bezogen auf die Diversitätsparameter eine Zwischenstellung auf. Die FF3 erwies sich als die Fruchtfolge mit der geringsten Artenzahl und den niedrigsten Diversitätsindices. Diese Arbeit bestätigt die bereits früher gefundene positive Vorfruchtwirkung von Mais hin-sichtlich des Auftretens von Halmbasis- und Wurzelkrankheiten an Winterweizen. Aus den Ergebnissen kann insgesamt gefolgert werden, dass die Unterschiede in den Befallsstär-ken bei Halmbasis- und Wurzelkrankheiten an Winterweizen in den verschiedenen Frucht-folgen nicht auf eine Modifizierung des Mikrobioms, sondern eher auf die unterschiedlichen Inokulummengen zurückzuführen ist, die in den verschiedenen Anbausystemen gebildet werden und auf dem Feld zurückbleiben. Aus phytopathologischer Sicht wurde eine negati-ve Korrelation zwischen den Befallsstärken der vier untersuchten Krankheiten und der mik-robiellen Diversität der Fruchtfolgen FF2, FF3 und FF4. In der FF3 wurde die geringste Ar-tenzahl, der kleinste Diversitätsindex und die niedrigste Befallsstärke bei allen vier unter-suchten Krankheiten an Winterweizen gefunden. Die FF4 nahm eine Zwischenstellung zwi-schen FF3 und FF2 ein und die FF2 zeichnete sich durch den höchsten Artenreichtum, den größten Diversitätsindex und die höchste Befallsstärke aus.
Schlagwörter: Fruchtfolgen; Wurzel- und Halmbasiskrankheiten an Winterweizen; Das Mikrobiom im Boden und in der Rhizosphäre