Identification, Virulence and Ecological Characterisation of Indigenous Entomopathogenic Nematodes as Biological Control Agents Against Fall Armyworm (<em>Spodoptera frugiperda</em>) in Nigeria

Abstract

Smallholder agriculture in Nigeria faces persistent insect pest pressure and a widespread dependence on chemical insecticides in several crop sectors, alongside limited awareness of sustainable alternatives. This researched evaluated the potential of indigenous entomopathogenic nematodes as biological control agents within an integrated pest management approach (IPM), using the Fall armyworm (FAW) <em>Spodoptera frugiperda</em> as a target organism for benchmarking. The work combines three strands of enquiry that are required for practical deployment. These are the socioeconomic conditions for adoption, the biological identification and virulence of local isolates, and the ecological characterisation that determines field fitness. <br/> A structured survey of 740 farmers across ten Nigerian states examined awareness, perceptions, and willingness to adopt. Awareness of entomopathogenic nematodes was 12.8%, while 70.9% expressed interest in training. Perceived effectiveness and safety were neutral to moderate, and education showed a modest positive association with willingness to adopt. Cost, availability, and application complexity were the most frequent barriers. Field facing training through videos and on-farm demonstration was preferred. <br/> From 202 soil samples collected in Ibadan and Zaria, six nematode isolates were recovered and identified by morphology and molecular markers as <em>Heterorhabditis bacteriophora</em> (Ib-CRIN68), <em>Steinernema carpocapsae</em> (Ib-IART45, Ib-ITUC102), <em>Steinernema feltiae</em> (Za-SAM), <em>Steinernema nepalense</em> (Ib-HORT), and <em>Oscheius myriophilus</em> (Ib-FRIN32). Recovery rates were 3.9 % in Ibadan and 1.4 % in Zaria. Virulence against <em>S. frugiperda</em> was stage and dose dependent. <em>Steinernema carpocapsae</em> isolates produced more than 90% mortality in second instars at 200 infective juveniles per insect within 72 hours. Lethal concentration values for early instars were 40 to 75 infective juveniles, and greater than 150 for pupae. Time to 50% mortality in second instars was 24 to 36 hours for <em>S. carpocapsae</em>. <br/> Ecological assays showed peak infectivity and reproduction at 25 to 30°C, with progeny yields above 100,000 infective juveniles per cadaver at 25°C. <em>Steinernema carpocapsae</em> displayed an ambusher strategy, while <em>H. bacteriophora</em> penetrated deeper soil layers with a cruiser profile. Desiccation survival extended to water activity 0.83 to 0.89 for the best isolates, with MW50 between 0.88 and 0.95. Under anoxia, 72-hour survival exceeded 60% for <em>S. carpocapsae</em> and <em>H. bacteriophora</em>. Oxidative stress tolerance was highest in <em>S. carpocapsae</em>. These results indicate robust ecological fitness for the two leading species. <br/> The research demonstrates that indigenous <em>S. carpocapsae</em> and <em>H. bacteriophora</em> are strong candidates for biological control of <em>S. frugiperda</em> in Nigerian systems. The combination of farmer willingness to learn, confirmed pathogenicity, and favourable ecological traits outlines a practical pathway for integration into pest management. Future work should prioritise semi field and field validation, development of stable and affordable formulations, and delivery models that align with farmer preferences and local production capacity.

<strong>Identifizierung, Virulenz und ökologische Charakterisierung einheimischer entomopathogener Nematoden zur biologischen Bekämpfung des Herbstheerwurms (<em>Spodoptera frugiperda</em>) in Nigeria</strong><br/> Die kleinbäuerliche Landwirtschaft in Nigeria steht unter anhaltendem Druck durch Insekten und weist in mehreren Anbausektoren eine weit verbreitete Abhängigkeit von synthetischen Insektiziden auf, bei gleichzeitig geringer Kenntnis über nachhaltige Alternativen. Diese Arbeit bewertete das Potenzial einheimischer entomopathogener Nematoden (EPN) als biologische Bekämpfungsorganismen im Rahmen eines integrierten Pflanzenschutzes. Als Zielorganismus zur Leistungsbewertung diente der Herbstheerwurm <em>Spodoptera frugiperda</em>. Die Studie vereint drei Untersuchungsstränge, die für eine praktische Umsetzung erforderlich sind. Diese betreffen die sozioökonomischen Bedingungen für die Einführung, die biologische Identifizierung und Virulenz lokaler Isolate sowie die ökologische Charakterisierung als Grundlage der Feldtauglichkeit von EPN in Nigeria. <br/> Eine strukturierte Befragung von 740 Landwirtinnen und Landwirten in zehn nigerianischen Bundesstaaten erfasste Wissen, Wahrnehmungen und die Bereitschaft zur Einführung von EPN. Kenntnisse über EPN hatten 12,8% der Befragten, während 70,9% ein Interesse an Schulungen zur Nutzung von EPN äußerten. Die wahrgenommene Wirksamkeit und Sicherheit wurde neutral bis mäßig bewertet, und ein höherer Bildungsgrad stand in einem schwach positiven Zusammenhang mit der Einführungsbereitschaft von EPN. Kosten, Verfügbarkeit und Anwendungsaufwand waren die häufigsten Hemmnisse. Bevorzugt wurden praxisnahe Schulungen durch Videos und Vorführungen auf dem Feld. <br/> Aus 202 Bodenproben aus Ibadan und Zaria wurden sechs EPN Isolate gewonnen und anhand morphologischer Merkmale sowie molekularer Marker identifiziert: <em>Heterorhabditis bacteriophora</em> (Ib-CRIN68), <em>Steinernema carpocapsae</em> (Ib-IART45, Ib-ITUC102), <em>Steinernema feltiae</em> (Za-SAM), <em>Steinernema nepalense</em> (Ib-HORT) und <em>Oscheius myriophilus</em> (Ib-FRIN32). Die Wiederfindungsraten betrugen 3,9% in Ibadan und 1,4% in Zaria. Die Virulenz gegenüber <em>S. frugiperda</em> war stadien- und dosisabhängig. <em>Steinernema carpocapsae</em> verursachte bei Zweitlarven mit 200 infektiösen Juvenilen je Insekt innerhalb von 72 Stunden mehr als 90% Mortalität. Lethalkonzentrationswerte für frühe Larven lagen bei 40 bis 75 infektiösen Juvenilen und bei Puppen über 150. Die Zeit bis zur 50%igen Mortalität in Zweitlarven betrug für <em>S. carpocapsae</em> 24 bis 36 Stunden. <br/> Ökologische Versuche mit den EPN zeigten maximale Infektivität und Fortpflanzung bei 25 bis 30 °C, mit einer Nachkommenschaft von über 100.000 infektiösen Juvenilen je Kadaver bei 25 °C. <em>Sterinernema carpocapsae</em> zeigte eine Ansitzstrategie, während <em>H. bacteriophora</em> mit aktivem Suchverhalten in größere Bodentiefen eindrang. Das Überleben unter Austrocknung reichte bei den besten EPN Isolaten bis zu einer Wasseraktivität von 0,83 bis 0,89, mit MW50 zwischen 0,88 und 0,95. Unter Anoxie überstieg die 72-Stunden-Überlebensrate bei <em>S. carpocapsae</em> und <em>H. bacteriophora</em> 60%. Die höchste Toleranz gegenüber oxidativem Stress wurde bei <em>S. carpocapsae</em> festgestellt. Diese Ergebnisse belegen eine ausgeprägte ökologische Eignung der beiden führenden EPN Arten.<br/> Diese Untersuchungen zeigen, dass einheimische <em>S. carpocapsae</em> und <em>H. bacteriophora</em> Isolate vielversprechende Kandidaten für die biologische Bekämpfung von <em>S. frugiperda</em> in nigerianischen Anbausystemen sind. Die Kombination aus Lernbereitschaft der Landwirte, bestätigte Pathogenität und günstigen ökologischen Eigenschaften der getesteten EPN Isolate weist einen praktikablen Weg für die Integration dieser Ergebnisses in den Pflanzenschutz auf. Zukünftige Arbeiten sollten Validierungen unter halbfreiland und freiland Bedingungen, die Entwicklung stabiler und kostengünstiger Formulierungen sowie Bereitstellungsmodelle priorisieren, die sich an den Präferenzen der Landwirte und an der lokalen Produktionskapazität orientieren sollten.