Epidemiological studies on wheat blast (Magnaporthe oryzae pathotype Triticum, MoT) with special reference to potential biocontrol

by Musrat Zahan Surovy
Doctoral thesis
Date of Examination:2023-08-17
Date of issue:2024-07-18
Advisor:Prof. Dr. Andreas von Tiedemann
Referee:Prof. Dr. Michael Rostás
Referee:Prof. Dr. Mark Varrelmann
Sponsor:German academic exchange service (DAAD)
Sponsor:Division of Plant Pathology and Crop Protection, Georg-August-University of Goettingen, Germany
Sponsor:University Library (SUB) of the Georg-August-University of Goettingen, Germany
Sponsor:Bangabandhu Sheikh Mujibur Rahman Agricultural University, Gazipur, Bangladesh
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10583

 

 

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Abstract

English

Wheat blast (WB) is an economically important disease caused by Magnaporthe oryzae pathotype Triticum (MoT) pathogen. It may cause up to 100% yield loss, concerning global food security. The epidemiology of WB, seed transmission mechanisms of MoT, and its biocontrol are poorly understood. In order to study the epidemiology of WB, two contrasting wheat cultivars (susceptible Sumai 3 and resistant Milan) were used for greenhouse experiments. The localization of MoT in seeds was performed using confocal laser scanning microscopy (CLSM), and the quantification of MoT biomass was done by quantitative PCR (qPCR). The seed infection rate in susceptible Sumai 3 was significantly higher than resistant Milan. Higher seed infection led to a decrease in seed germination of Sumai 3, however, not in Milan. Infected seeds from Sumai 3 produced more MoT conidia that were further transferred to the seedling leaves and stem at early growth or cell differentiation stages. So, the infected seedling leaves and stem may further act as a potential source of MoT conidia which may later spread horizontally to healthy ears or plants. After growth stage 21, no blast symptoms were observed in Sumai 3. Interestingly, no blast symptoms were recorded for Milan grown from MoT-infected seeds from seedlings to ear maturity stages. Therefore, it was concluded that MoT does not transmit systemically from seed to seed in either susceptible Sumai 3 or resistant Milan cultivars. In addition, to understand the basal resistant mechanism of wheat cultivars- phenolic and lignin compounds were quantified through a colorimetric method, and the pattern of rachis lignification was analyzed via light microscopy. Infection of MoT at any ear maturity stage in susceptible Sumai 3 may cause disease severity in wheat. Higher MoT was accumulated in the husk, followed by rachis and grain in both Sumai 3 and Milan. Higher phenolic and lignin compounds were recorded in Milan ear tissues (husks and rachis) along with the early accumulation of S-lignin and cell wall thickening in the rachis, which indicates the resistance mechanism in Milan to combat MoT. Accumulation of phenolic and lignin compounds in MoT-infected ear is a quantitative basal resistance mechanism of wheat that helps combat MoT. Utilization of this knowledge may help to develop MoT resistant wheat cultivars by using natural resistant sources. After that, Bacillus subtilis and B. velezensis were used as biocontrol agents to manage WB, and a moderately resistant wheat cultivar (BR-18) was used as plant material. In vitro and in vivo assays revealed that Bacillus volatiles significantly suppressed the growth of MoT and stopped or reduced the sporulation of MoT. Through GC-MS the potential Bacillus volatile compounds were identified. Phenylethyl alcohol, hexanoic acid, and 2-methyl butanoic acid were identified as potential Bacillus volatiles that could significantly suppress MoT growth and sporulation. So, the reduction of MoT sporulation by Bacillus volatiles may significantly play a role in reducing the further spread of WB by MoT spores. Lastly, a greenhouse experiment was conducted to know the optimum inoculation frequencies and timing of Bacillus spp. to control MoT. Single application of Bacillus spp. in wheat ears was found ineffective in reducing ear blast severity. Multiple applications of Bacillus spp. and application of Bacillus spp. at one hour after MoT inoculation was found effective in reducing ear blast severity. Therefore, it is recommended to promptly and repeatedly apply Bacillus spp. following the identification of MoT in ears to reduce the blast severity as well as for the successful management of WB.
Keywords: Wheat blast; Epidemiology; Seed transmission; Quantitative disease resistance; Bacterial volatile organic compound; Bacillus spp.; Biocontrol

German

Brosone Krankheit des Weizens (BK) ist eine wirtschaftlich bedeutende Krankheit, die durch den Pathotyp Triticum (MoT)-Erreger des Pilzes Magnaporthe oryzae verursacht wird. Sie kann zu einem Ernteausfall von bis zu 100 % führen und betrifft die weltweite Ernährungssicherheit. Die Epidemiologie von BK, die Mechanismen der Samenübertragung von MoT und seine biologische Bekämpfung sind noch nicht ausreichend erforscht. Um die Epidemiologie von BK zu untersuchen,wurden in Gewächshausexperimenten zwei unterschiedliche Weizensorten (anfällige Sorte Sumai 3 und resistente Sorte Milan) verwendet. Die Lokalisierung von MoT in den Samen wurde mit Hilfe der konfokalen Laserscanning-Mikroskopie (CLSM) durchgeführt, und die Quantifizierung der MoT-Biomasse erfolgte mittels quantitativer PCR (qPCR). Die Infektionsrate der Samen war bei der anfälligen Sorte Sumai 3 signifikant höher als bei der resistenten Sorte Milan. Eine höhere Sameninfektion führte zu einer Verringerung der Keimung bei Sumai 3, jedoch nicht bei Milan. Infizierte Samen von Sumai 3 produzierten vermehrt MoT-Konidien, die später auf die Blätter und den Stängel der Keimblätter in frühen Wachstums- oder Zelldifferenzierungsstadien übertragen wurden. Die infizierten Keimblätter und der Stängel können somit als potenzielle Quelle für MoT-Konidien dienen, die sich spatter horizontal auf gesunde Ähren oder Pflanzen ausbreiten können. Nach Wachstumsstadium 21 wurden keine Blast-Symptome mehr bei Sumai 3 beobachtet. Interessanterweise traten bei Milan, der aus MoT-infizierten Samen herangezogen wurde, von der Keimpflanze bis zur Reife der Ähren keine Blast-Symptome auf. Daher wurde gefolgert, dass sich MoT nicht systemisch von Samen zu Samen in der anfälligen Sorte Sumai 3 oder der resistenten Sorte Milan überträgt. Zusätzlich wurden zur Untersuchung des basalen Resistenzmechanismus von Weizensorten phenolische und ligninhaltige Verbindungen mittels einer kolorimetrischen Methode quantifiziert, und das Muster der Lignifizierung der Rachis wurde mittels Lichtmikroskopie analysiert. Eine Infektion mit MoT zu einem beliebigen Reifungsstadium der Ähre bei der anfälligen Sorte Sumai 3 kann zu einer schweren Erkrankung des Weizens führen. Eine höhere Anhäufung von MoT wurde in der Hülle festgestellt, gefolgt von der Rachis und dem Korn sowohl bei Sumai 3 als auch bei Milan. In Milan wurden höhere Gehalte an phenolischen und ligninhaltigen Verbindungen in den Ährengeweben (Spelzen und Rachis) sowie eine frühzeitige Anhäufung von S-Lignin und eine Verdickung der Zellwand in der Rachis beobachtet, was auf den Resistenzmechanismus von Milan gegenüber MoT hinweist. Die Anhäufung von phenolischen und ligninhaltigen Verbindungen in MoT-infizierten Ähren ist ein quantitativer basaler Resistenzmechanismus des Weizens, der bei der Bekämpfung von MoT hilft. Die Nutzung dieses Wissens kann dazu beitragen, MoT- resistente Weizensorten unter Verwendung natürlicher widerstandsfähiger Quellen zu entwickeln. Anschließend wurden Bacillus subtilis und B. velezensis als Biocontrol Agentien zur Bekämpfung von BK eingesetzt, wobei eine mäßig resistente Weizensorte (BR-18) als Pflanzenmaterial verwendet wurde. In vitro- und in vivo-Tests zeigten, dass flüchtige Substanzen von Bacillus das Wachstum von MoT signifikant unterdrücken und die MoT-Sporulation stoppen/reduzieren können. Durch GC-MS wurden flüchtige Verbindungen von Bacillus identifiziert. Phenylethylalkohol, Hexansäure und 2- Methylbutansäure wurden als potenzielle Bacillus-Volatile identifiziert, die das Wachstum und die Sporulation von MoT signifikant unterdrücken können. Die Reduzierung der MoT-Sporulation durch flüchtige Substanzen von Bacillus könnte somit eine wesentliche Rolle bei der Verringerung der weiteren Verbreitung von BK durch MoT-Sporen spielen. Schließlich wurde ein Gewächshausexperiment durchgeführt, um die optimale Inokulationshäufigkeit und den optimalen Zeitpunkt der Bacillus spp.-Anwendung zur Kontrolle von MoT zu ermitteln. Es stellte sich heraus, dass eine einzelne Anwendung von Bacillus spp. in Weizenähren nicht wirksam war, um die Schwere des Ährenbefalls zu verringern. Mehrfache Anwendungen von Bacillus spp. und die Anwendung von Bacillus spp. eine Stunde nach der Inokulation mit MoT erwiesen sich als wirksam bei der Verringerung der Ährenbefallsschwere. Daher wird empfohlen, Bacillus spp. umgehend und wiederholt anzuwenden, sobald MoT in den Ähren identifiziert wird, um die Blast-Schwere zu reduzieren und eine erfolgreiche Bekämpfung von BK zu ermöglichen.
 
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