presented by Dipl. Ing. Agr. ETHZ born 18 September 1961 Accepted by

88 Pages·2008·3.35 MB·English

ETH Library
The effect of cultural control
methods on tomato bacterial
wilt caused by Pseudomonas
solanacearum (E.F. Smith) in
Southeast Asia
Doctoral Thesis
Author(s):
Michel, Vincent Valentin
Publication date:
1997
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-001783531
Rights / license:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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ThesisETHZNo. 11926
The effect of cultural control methods on tomato bacterial wilt caused by
Pseudomonas solanacearum (E. F. Smith) in Southeast Asia
Adissertationsubmittedtothe
SWISSFEDERALINSTITUTEOFTECHNOLOGYZURICH
forthedegreeof
DOCTORESTTECHNICALSCIENCE
presentedby
VincentValentinMICHEL
Dipl.Ing.Agr.ETHZ
born 18September1961
fromCourtedoux(JU)
Acceptedby
Prof.Dr.G.Defago,Examiner
Prof.Dr.M. S.Wolfe,Co-examiner
Prof.Dr. G. L.Hartman, Co-examiner
Dr.U.Schmidhalter,Co-examiner
Zurich1997
Table ofcontents
Listofabbreviations
Summary 1
Zusammenfassung 3
Introduction 6
Chapter1:RelationshipbetweenthepopulationofPseudomonassolanacearum
intheSoilandtheProgressofBacterialWiltonTomato 15
Chapter2:InteractionsofSoilPopulationsofPseudomonassolanacearum,
BacterialWilt,andYieldofTomatoesinDifferentCroppingPatterns 21
Chapter3:EffectsofIntercroppingandaSoilAmendmentonTomatoBacterial
WiltandSoilPopulationsofPseudomonassolanacearum 38
Chapter4:EffectofasoilamendmentonsurvivalofPseudomonas
solanacearumindifferentsoils 60
Conclusions 81
Acknowledgments
Curriculumvitae
List of abbreviations
ANOVA analysisofvariance
AUDPC areaunderdiseaseprogresscurve
AVRDC AsianVegetableResearchandDevelopmentCenter
BRCI BukidnonResearchCo., Inc.
BZ Bodenzusatz
CFU colony-formingunits
DAI dayafterinoculation
EC electricconductivity
IRRI InternationalRiceResearchInstitute
LSD leastsignificantdifference
MMSU MarianoMarcosStateUniversity
PSS4 Pseudomonassolanacearumstrain4
O.D. opticaldensity
RCBD randomizedcompleteblockdesign
rpm roundsperminute
SA soilamendment
TTC triphenyltetrazoliumchloride
TSS TaiwanSeedImprovementandPropagationStation
wk week(s)
1
Summary
BacterialwiltcausedbyPseudomonassolanacearum[E.F.Smith]Smithisamajor
diseaseoftomatointhetropicsandsubtropicsofSoutheastAsiawhereresistantcultivars
oftendonotperformwellpresumablybecauseofadecreaseofresistancecausedbyhigh
soiltemperature.Thesoilbomenatureandwidehostrangeofthepathogencomplicatethe
useofbiological,chemical,and/orculturalcontrolpractices.Culturalcontrolmethodsare
amongthemostpromisingonesand,ashostresistanceisofteninadequate,needmore
consideration.Thepurposeofthisstudywasto:(i)assesstheeffectofcroprotations,
intercropping,andsoilamendment(SA)applicationonthesurvivalofP.solanacearumin
soilandonbacterialwiltprogressoftomato,and(ii)investigatethesuppressive
mechanismsofaSAonP.solanacearumsoilpopulations.
ThecloserelationshipbetweeninitialP.solanacearumsoilpopulationandtomato
bacterialwiltprogressshowninafieldexperimentinTaiwanemphasizedtheimportance
ofreducingthepathogenpopulationbeforeplantingtomato.Furthermore,itconfirmed
theimportanceofmonitoringtheP.solanacearum soilpopulationstomeasurethe
efficiencyofculturalpracticestocontroltomatobacterialwilt.
Croprotationsconsistingofcowpea,eggplant,rice,andfallowsoilfollowedby
tomatoweretestedthreetimesinfieldexperimentsinTaiwan.P.solanacearum
populationsdeclinedaftercowpea,rice,andfallowsoilbutnotaftereggplantwhich
maintainedthepathogenpopulationinthesoilandincreasedtomatobacterialwilt
significantlyhighercomparedtocowpeaandriceforthreeexperimentsandinfallowsoil
fortwoexperiments.YieldsofprecedingcropswerenotaffectedbyP.solanacearum,
buttomatoyieldsweresignificantlylowerfollowingeggplantthanfollowingrice.
GreenhouseexperimentsshowedthatP.solanacearumpopulationsdecreasedmorein
soilcroppedtoricethaninfallowsoilonlywhenfirstonewaspermanentlyflooded.
IntercroppingtomatowithsoybeanorWelshoniondidnotreduceP.solanacearum
soilpopulationsnortomatobacterialwilt.Tomatointercroppedwithcowpeadidnot
decreasetheP.solanacearumsoilpopulations,butitdidsignificantlyreducetomato
bacterialwiltcomparedtotomatoasasolecropwhenplantedbetweentomatoplants
withinarow.Thisreductiondidnotoccurwhencowpeawasnotplantedwithinbutonly
adjacenttothetomatorow.Itislikelythatthephysicalbarrierestablishedbycowpea
rootsbetweentwotomatorootsystemsdelayedtheroot-to-rootspreadofP.
solanacearumwithinthetomatorow.
TwoconsecutiveyearsoffieldexperimentsusingSA,comprisedofurea(200kg
N/ha)andCaO(5000kg/ha),addedtothesoil2to3wkbeforeplantingtomatoes
2
resultedinsite-specificdifferencesinbacterialwiltcontrol.AttheAsianVegetable
ResearchandDevelopmentCenter(AVRDC)inTaiwan,wherethemainpartofthe
researchwasconducted,theSAsignificantlyreducedtheP.solanacearumpopulationand
tomatobacterialwiltwhereasattwoothersitesinTaiwanthediseaseprogresswasnot
significantlyreduced.Inagreenhouseexperiment,SAnotonlyreducedthepathogen
populationbutalsoharmedtomatoandcowpeaplants.Sucha,presumablyphytotoxic,
effectoncowpeaplantswasalsoobservedinSAamendedfieldplots.Consequently,the
SAmayleadinsomecasestothegenerationofsubstanceswhicharetoxictoplantsand
whichmightcausethereductionofP.solanacearuminsoil.
ThesuppressivemechanismsoftheSAonP.solanacearumpopulationswere
investigatedinaseriesoflaboratoryexperimentswithfoursoilsattheInternationalRice
ResearchInstitute(IRRI)inthePhilippines.Dependingonthesoils,theSAeithercaused
aninitial,afinal,ornodecreaseoftheP.solanacearumpopulationwithin3wkafter
application.TheinitialdecreaseoccurredinasoilwithacontinuousbasicpHandcaused
asignificantlylowerpathogenpopulationdirectlyand1wkafteramendingsoil.The
decreasewasprobablyduetothehighpHatthereactionsiteduringureahydrolysis.The
finaldecreasewithasignificandylowerP.solanacearumpopulationafter3wk,occurred
intwosoilswherenitritewasaccumulatedafter1wk.Inthesesoils,nofinaldecrease
occurredwhenformationofnitritewasinhibitedbyaddinganitrificationinhibitor.Ina
soilwithlowpHandnonitriteaccumulation,nodecreaseoftheP.solanacearum
populationoccurred.ThetoxiceffectsofpHandnitritewereconfirmedbygrowth
experimentsofP.solanacearuminbroth.AmmoniumstronglyreducedthegrowthofP.
solanacearum,butwasnottoxic.Thegrowthreductioncausedbyammoniumoccurredat
highpHasnitritewastoxicatlowpH.Nitrateasathirdnitrogenformrelatedtourea
mineralizationhadnoeffectonP.solanacearumgrowth.
Inconclusion,croprotationswithnon-hostplantsandSAapplicationappeartobe
suitablecontrolproceduresforthetropicallowland;however,theirapplicationcannotbe
generalized.Fortheuseofcroprotations,economicalandenvironmentalconstraintshave
tobeconsidered.FortheSAapplication,thesite-specificitylimitsitsuse.Combination
ofSAapplicationfollowedbyanon-hostcroppriortoplantingaresistanttomatocultivar
maybeagoodapproachtoanintegratedcontroloftomatobacterialwiltinthetropics.
Theuseofresistanthostplantcultivarsincroprotationshastobeconsideredwithcareas
theycanmaintaintheP.solanacearumsoilpopulation.BecauseoftheUtileeffectandthe
laborintensity,intercroppingwithnon-hostplantsisnotconsideredtobeanappropriate
controlmethodoftomatobacterialwiltinSoutheastAsia.
3
Zusammenfassung
DiedurchPseudomonassolanacearum[E.F.Smith] SmithverursachteBakterienwelke
isteinederwichtigstenTomatenkrankheitenindenTropenundSubtropenSudostasien,
woresistenteTomatensortenungenugendeLeistungenerbringen,dabeihohen
BodentemperaturenderenResistenzabnimmt.DerEinsatzvonbiologischen,chemischen
und/oderkulturtechnischenBekampfungsmassnahmenwirddurchdiebodenbiirtige
NaturunddenweitenWirtskreisdiesesphytopathogenenBakteriumserschwert.
KulturmassnahmengehorenzudenaussichtsreicherenBekampfungsmethodenund
verdienen,dadieWirtsresistenzoftungeniigendist,vermehrtBeachtung.DerZweck
dieserStudiewar(i)dieWirkungvonFruchtfolgen,Gemischtanbau("intercropping")
undAusbringeneinesBodenzusatzes(BZ)aufdasUberlebenvonP.solanacearumim
BodenundaufdenBakterienwelkeverlaufvonTomatenzuerfassen,und(ii)den
unterdruckendenMechanismuseinesBZaufdieBodenpopulationenvonP.
solanacearumzuuntersuchen.
DieineinemFeldversuchaufgezeigteengeBeziehungzwischenderAnfangsboden-
populationvonP.solanacearumunddemVerlaufderTomatenbakterienwelkebetontedie
BedeutungeinerVerringerungderPathogenpopulationvordemAnbauderTomaten.Im
weiterenbestatigtesiedieBedeutungderMessungvonP.solanacearum
BodenpopulationenzurWirksamkeitsbeurteilungvonKulturmassnahmenzur
Tomatenbakterienwelkebekampfung.
Fruchtfolgen,welchedreimalinFeldversucheninTaiwanuntersuchtwurden,
umschlossenKuherbse,Eierfrucht(Aubergine),ReisundbrachenBodengefolgtvon
Tomate.P.solanacearumPopulationennahmennachKuherbse,Reisundbrachem
Bodenab,nichtjedochnachEierfrucht,welchediePathogenpopulationimBodenerhielt
unddieTomatenbakterienwelkeimVergleichzuKuherbseundReisindreiVersuchen
undzubrachemBodeninzweiVersuchensignifikanterhohte.DieErtragederVorfriichte
wurdendurchP.solanacearumnichtbeeinflusst,hingegenwarendieTomatenertrage
nachEierfruchtsignifikanttieferalsnachReis.Treibhausversuchezeigten,dassdieP.
solanacearumPopulationinmitReisbepflanztemBodennurdannstarkerabnahmenals
imbrachenBodenwennerstererdauerndbewassertwurde.
DerGemischtanbauvonTomatemitSojabohneoderStengelzwiebelverringerteweder
dieP.solanacearum BodenpopulationennochdieBakterienwelke.Gemischtanbauvon
KuherbsenmitTomatenfuhrtezukeinerAbnahmederP.solanacearum
Bodenpopulationen;dieTomatobakterienwelkehingegenwurdeimVergleichzueiner
Tomatenreinkultursignifikantverringert,wennKuherbsenzwischenTomateninnerhalb
4
derReihegepflanztwurden.DieseVerringerungfandnichtstattwennKuherbsennicht
innerhalbsondernnurnebenderTomatenreihegepflanztwurden.Demzufolgeistes
wahrscheinlich,dassdiedurchdieKuherbsenwurzelnzwischenzweiTomatenwurzeln
gebildeteBarrieredieAusbreitungvonP.solanacearumvonWurzelzuWurzelinnerhalb
derTomatenreiheverzogerte.
DasAusbringenseinesBZ,ausHarnstoff(200kgN/ha)undCaO(5000kg/ha)
zusammengesetzt,zweibisdreiWochenvordemPfianzenderTomaten,variiertein
AbhangigkeitdesStandortesinseinerWirkungaufdieTomatenbakterienwelke. Am
AsianVegetableResearchandDevelopmentCenter(AVRDC),woderHauptteilder
ForschungstatigkeitinTaiwandurchgefuhrtwurde,verringertederBZdieP.
solanacearumPopulationunddieBakterienwelkederTomatesignifikant;imGegensatz
dazuwurdeanzweiweiterenStandorteninTaiwanderKrankheitsverlaufnicht
signifikantverringert. IneinemTreibhausversuchzeigtesich,dassderBZnichtnurdie
Pathogenpopulationreduzierte,sondernauchTomatenundKuherbsenbeschadigte.Eine
solche-vermutlichphytotoxische-WirkungaufKuherbsenwurdeinmitdemBZ
versehenenFeldparzellenbeobachtet.InfolgedessenfiihrtederBZingewissenFallenzur
BildungvonSubstanzen,welchegiftigfurPfianzensindundwelchemoglicherweisedie
P.solanacearumPopulationsabnahmenimBodenverursachte.
DerUnterdriickungsmechanismusdesBZaufdieP.solanacearumPopulationen
wurdeineinerReihevonLaborversuchenmitvierBodenamInternationalRiceResearch
Institute(IRRI)indenPhilippinenuntersucht.InnerhalbvondreiWochennachdem
AusbringenverursachtederBZ,jenachBoden,eineAnfangs-, Schluss-odergarkeine
AbnahmederP.solanacearumPopulationen.DieanfanglicheAbnahmekamineinem
BodenmitdurchgehendbasischempHvorundverursachteeinesignifikantenkleineren
Pathogenpopulationdirektund 1WochenachdemAusbringendesBZ.DieAbnahme
wurdewahrscheinlichdurchdashohepHderHarnstoffhydrolyseanderReaktionsstelle
verursacht.DieSchlussabnahme,miteinersignifikantkleinerenP.solanacearum
PopulationnachdreiWochen,kaminBodenvor,indenenNitrit1WochenachBZ-
ZugabeimBodenangehauftwurde.IndiesenBodenkameinesolcheAbnahmenichtvor
wenndieBildungvonNitritdurchdieZugabeeinesNitrifikationshemmersverhindert
wurde.IneinemBodenmittiefempHundohneNitritanhaufungkamkeineAbnahmeder
P.solanacearumPopulationvor.DiegiftigeWirkungdespHunddesNitritswurden
durchWachstumsversuchevonP.solanacearuminflussigemNahrmediumbestatigt.
AmmoniumreduziertedasWachstumvonP.solanacearumstark,warabernichtgiftig.
DiedurchAmmoniumverursachteWachstumsreduktionergabsichbeihohempH
wohingegenNitritbeitiefempHgiftigwar.NitratalsdritteStickstofformder
HamstoffmineralisierunghattekeineWirkungaufdasWachstumvonP.solanacearum.
5
Abschliessendkanngesagtwerden,dasssichFruchtfolgenmitNichtwirtspflanzen
unddasAusbringeneinesBZalsfurdieTropenbrauchbareBekampfungsmassnahmen
erwiesen,jedochkannihrEinsatznichtallgemeinempfohlenwerden.Wirtschafts-und
UmweltfaktorenbeschrankendieAnwendungvonFruchtfolgen.Diestandortsabhangige
EigenschaftdesBZschranktseinenEinsatzein.DieKombinationdesAusbringenseines
BZvordemAnbaueinerNichtwirtspflanzegefolgtvomAnbaueinerresistenten
TomatensortekonnteeinguterAnsatzfureineintegrierteBekampfungder
TomatenbakterienwelkeindenTropensein.DerGebrauchvonresistenten
WirtspflanzensorteninderFruchtfolgemussmitVorsichtgeschehen,dasolchedieP.
solanacearumPopulationenimBodenerhaltenkonnen.WegendergeringenWirkung
unddemgrossenArbeitsaufwandwirdderGemischtanbaumitNichtwirtspflanzenals
einefurSiidostasienungeeigneteBekampfungsmethodeerachtet.
6
Introduction
Bacterial wilt caused by Pseudomonassolanacearum
Amongthemostimportantdiseasesofeconomicplantsisbacterialwiltcausedby
Pseudomonassolanacearum[E.F.Smith]describedforthefirsttime 100yearsago
(Smith, 1896).Sincethen,over2000papershavebeenpublishedonthisbacterium.Itis
anon-fluorescentpseudomonadwithapolartuftofflagella(Bradbury, 1986).The
importanceofP.solanacearumasaphytopathogenispartiallyduetoitsextremelybroad
hostrangewhichincludesmorethan50plantfamilies(Hayward, 1994a).Thelargest
numberofsusceptiblespeciesiscontainedwithintheSolanaceaefamilyincluding
eggplant,pepper,potato,tobacco,andtomato.Othereconomicallyimportanthostplants
arebanana,plantain,ginger,andgroundnut.Theextendedhostspectrumreflectsthe
widegeographicaldistributionofbacterialwiltwhichhasbeenreportedonevery
continentandmostislandsfromthewarmtemperatetotropicalregionsoftheworld
(Kelman, 1953).
ThefirstclassificationofP.solanacearumstrainsintoracesisbasedonthehostrange
(Buddenhagenetah, 1962).Thesecondclassificationintobiovarsisbasedonthe
utilizationofcertainsugarsandsugaralcohols(Hayward, 1964).Bothclassifications
primarilyareappliedinthecontextofepidemiologyratherthentaxonomy.Forthelatter,
moleculargeneticmethodsarecurrentlyused(CookandSequeira, 1994;Gillingsand
Fahy, 1994)andnomenclaturalchangesareongoing(Hayward, 1994b).Onlyrecently,
thegenericnamewaschangedfromPseudomonastoBurkholderiaandthentoRalstonia,
withtheresultthatforthecomingyearsallthreegenericnameswillbecurrentlyused
(ACIAR, 1996).Becausemostoftheliteraturecitedrefertoit,Pseudomonas
solanacearumwillbeusedthroughoutthisthesistoavoidconfusion.
Tocontrolbacterialwilt,itisimportanttoknowwhatraceisoccurringbecauseofthe
hostrangedifferences.Strainsofrace 1 (solanaceousrace)affectsolanaceousandawide
rangeofotherplantfamilies. Strainsofrace2arerestrictedtoMusaspp.(bananaand
plantain)andHeliconiaspp.,whereasstrainsofrace3(potatorace),whichhavealsoa
relativelynarrowhostrange,arepathogenictopotatoandsomeSolanumspp.
(BuddenhagenandKelman, 1964). Underhighlyconduciveconditionsi.e.,high
inoculumpotentialandhightemperature,strainsbelongingtorace3canalsoaffect
tomato(French, 1994).
ThepathogenesisofP.solanacearumismainlyduetothegradualmechanicalblocking
ofvesselsbythebacteriumitselfanditssurroundingslimeofextracellularpolysaccharide
(EPS)(BuddenhagenandKelman, 1964).AvirulentstrainslackEPS.Recentstudies