African nightshade and African spinach: A neglected and underutilized resource with significant potential to manage plant-parasitic nematodes

Abstract

African indigenous vegetables (AIV) are essential for dietary diversification and ensuring nutritional requirements for people in sub-Sahara Africa. AIV have been largely marginalized by agriculture research, yet they are hardy and tolerant to varying environmental conditions. Plant-parasitic nematodes particularly root-knot nematodes (RKN: <em>Meloidogyne</em> spp.) and cyst nematodes (CN: <em>Globodera</em> and <em>Heterodera</em> spp.) cause severe yield reduction on most cultivated crops and are of high economic importance. Despite the significance of nematode surveys and diagnosis, the occurrence and correct identity of RKN and potato cyst nematodes (PCN) on AIV such as African nightshade (Solanum spp.) and African spinach (<em>Amaranthus</em> spp.) remains largely unknown. In Chapter 2 and 3, a survey was conducted in Kenya and a DNA barcode based assay was used to identify RKN and PCN species. Our survey revealed that <em>S. villosum</em> exhibited high root galling whereas on <em>S. scabrum, A. cruentus, </em>and<em> A. dubius</em> root galling was rare or very low. Moreover, soil collected from the rhizosphere of <em>S. villosum </em>and<em> S. scabrum</em> contained few cysts of PCN and no developing PCN females were observed on the roots of growing plants. The resulting RKN and PCN mitochondrial DNA haplotypes are globally distributed, indicating that areas of high native nematode species richness (RKN species) are not resistant to colonization by alien nematode species (PCN species). In this context we detected RKN - PCN co-infection in potato and RKN - RKN co-infection in tomato and <em>Parthenium hysterophorus</em> (an invasive weed in Africa). In Chapter 3, the dynamics of RKN and PCN on <em>A. dubius, A. cruentus, S. scabrum,</em> and <em>S. villosum</em> over 2 years was studied in a field experiment at KALRO, Kenya. The effects of AIV crop species on RKN and PCN soil infestation were evaluated using susceptible <em>S. lycopersicum </em>or<em> S. tuberosum</em>. After the successive cultivation of<em> A. dubius </em>and<em> S. scabrum</em> our results show that RKN soil infestation decreased by 85%, whereas <em>S. scabrum </em>and <em>S. villosum</em> decreased PCN by more than 80%. When cropping susceptible crops, after three seasons of successive cultivation of these AIV, galling index and number of developing PCN females measured on susceptible crops decreased by more than 75%. Wilting incidences and RKN-PCN co-infection incidences also decreased significantly. In Chapter 4, the resistance mechanism of African nightshade and African spinach to RKN and PCN species was studied. We showed that successful parasitism was impaired by localized root tissue necrosis and disintegration during the early stages of nematode infection in resistant African nightshade and African spinach. Notably, <em>A. dubius</em> (broad leaf) showed full resistance to <em>M. enterolobii</em>, a highly pathogenic nematode known for overcoming plant resistance in most cultivated crops. For PCN, both <em>S. scabrum</em> and <em>S. villosum</em> stimulated PCN hatching but not their reproduction with a similar mechanism of resistance as proposed before. These findings reveal that nematode resistant AIV evolved cellular self-destruction of root tissue as a mechanism for defense against RKN and PCN. In that way, a cell suicide process orchestrates the containment, starving, and expulsion of parasitic nematodes. Inevitably, the information generated in this study is important in breeding programmes, designing crop rotation schemes, and cropping systems in order to avoid yield losses caused by high RKN and PCN soil infestation. This will help to support the implementation of a productive and effective integrated pest management strategy that is needed to meet the nutritional requirements of people in sub-Saharan Africa.

In Afrika heimische Blattgemüse (AIV) sind essentielle Komponenten einer reichhaltigen und ausreichenden Ernährung der Einwohner sub-Sahara Afrikas. Obwohl AIV ausdauernd und tolerant gegen wechselnde Umweltbedingungen sind, wurden sie von der agrarwissenschaftlichen Forschung bisher weitgehend ignoriert. Pflanzenparasitäre Nematoden, insbesondere Wurzelgallennematoden (RKN: <em>Meloidogyne</em> spec.) und Zystennematoden (CN: <em>Globodera</em> and <em>Heterodera</em> spp.) verursachen schwerwiegende Schäden an einer Vielzahl von Nutzpflanzen und sind von hoher ökonomischer Bedeutung.Trotz der wichtigen Rolle, die Untersuchungen zum Vorkommen von Nematoden und diagnostischen Ansätze spielen, ist bisher wenig über das Vorkommen und die korrekte Identität von RKN und CN an AIV wie z.B. dem Afrikanischen Nachtschatten (Solanum spec.) und Afrikanischem Spinat (<em>Amaranthus</em> spec.) bekannt. In Kapitel 2 und 3 der vorliegenden Arbeit wird eine Studie beschrieben, in der Zysten- und Wurzelgallennematoden in Kenia in einem Barcode-System identifiziert wurden. Die Studie ergab, dass <em>S. villosum</em> stark von Wurzelgallennematoden (RKN) befallen wurde, während <em>S. scabrum </em>und<em> A. dubius</em> nur wenig infiziert war. Boden aus der Rhizosphäre von <em>S. villosum </em> und <em> S. scabrum</em> enthielt nur wenige Zysten von Kartoffelzystennematoden (PCN) und es wurde keine Neuentwicklung von Zysten an Wurzeln dieser Pflanzen beobachtet. Die analysierten RKN und PCN Haplotypen mitochondrialer DNA sind weltweit verbreitet, was darauf schließen lässt, dass Gebiete, in denen viele Arten von RKN heimisch sind, dennoch von nicht-heimischen PCN invadiert werden können. In diesem Zusammenhang wurde auch beobachtet, dass RKN-PCN Koinfektionen an Kartoffel und RKN-RKN Koinfektionen an Tomate und <em>Parthenium hysterophorus</em>, einem invasiven Neophyten in Afrika auftraten. In Kapitel 3 der Arbeit wurde in einem Feldversuch am KALRO, Kenia, die Populationsdynamik von RKN und PCN an <em>A. dubius, A. cruentus, S. scabrum</em>, and <em>S. villosum</em> über 2 Jahre hinweg untersucht. Der Effekt des Anbaus von AIV auf die Bodenverseuchung durch RKN und PCN wurde durch den Anbau und die Befallsanalyse anfälliger Tomate und Kartoffeln analysiert. Nach wiederholtem Anbau von <em>A. dubius </em>and <em>S. scabrum</em> reduzierte sich die Bodenverseuchung durch RKN um 85%, die Werte von PCN fielen durch Anbau von <em>S. scabrum</em> and <em>S. villosum</em> um mehr als 80%. Die Entwicklung von PCN Weibchen an anfälligen Pflanzen reduzierte sich durch den dreimal wiederholten Anbau von resistenten AIV um 75%. Auch der Welkeindex und RKN-PCN Koinfektionen gingen deutlich zurück. In Kapitel 4 wurde der Resistenzmechanismus von Afrikanischem Nachtschatten und Afrikanischem Spinat gegenüber RKN und PCN Spezies untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die parasitäre Entwicklung der Nematoden durch lokale Nekrosen und Gewebeauflösung während der frühen Phasen des Infektionsverlaufs in den resistenten Pflanzen blockiert wurde. Interessanterweise zeigte <em>A. dubius</em> (breitblättrig) vollkommene Resistenz gegenüber <em>M. enterolobii</em>, einem hoch pathogenen Nematoden, gegen den die allermeisten Nutzpflanzenarten keine Resistenz aufweisen. <em>S. scabrum</em> and <em>S. villosum</em> stimulierten den Schlupf von PCN Larven, boten ihnen jedoch aufgrund des beschriebenen Resistenzmechanismus keine Grundlage für eine Weiterentwicklung. Die Untersuchungen ergaben, dass nematodenresistente AIV über einen zellulären Mechanismus verfügen, der bei Resistenzreaktionen gegen RKN und PCN zur Selbstzerstörung von Wurzelgewebe führt. Dieser Mechanismus führt zur Abwehr und zum Verhungern der Nematodenlarven. Zweifellos sind diese Informationen wichtig für Zuchtprogramme und die Entwicklung von Fruchtfolgen und Anbausystemen, um künftig die Ertragsverluste durch RKN und PCN zu reduzieren. Auf diesem Wege kann einerseits die Implementierung von produktiven und effektiven Systemen für integrierte Bekämpfung, die notwendig sind, um den Nahrungsbedarf für die Menschen in sub-Sahara Afrika decken zu können.