Untersuchungen zur Wirtseignung toleranter Zuckerrübensorten für den Rübenzystennematoden <i>Heterodera schachtii</i>

Abstract

Der Rübenzystennematode <em>Heterodera schachtii</em> ist der bedeutendste Schädling der Zuckerrübe. Anfällige Zuckerrübensorten zeigen eine hohe Wirtseignung für diesen Wurzelparasiten, sodass sich dieser besonders stark vermehren kann. Infolgedessen kann ein <em><em>H. schachtii</em> </em>–Befall an anfälligen Sorten zu Ertragseinbußen von bis zu 25% führen. Im Gegensatz zu anfälligen Sorten ist die Wirtseignung für <em><em>H. schachtii</em> </em> in den seit dem Jahr 2000 existierenden resistenten Sorten stark eingeschränkt. An einer resistenten Sorte sterben die meisten Juvenilen vor dem Erreichen des Adultstadiums ab. Wenn überhaupt, entwickeln sich an diesen Sorten eher Männchen als Weibchen. Resistente Zuckerrübensorten haben ein generell geringes Ertragspotential und sind im Anbau bisher ohne Bedeutung. Anders, die seit 2003 existierenden toleranten Zuckerrübensorten: Diese reagieren auf den Nematodenbefall tolerant, so dass auch auf Befallsstandorten hohe Erträge erzielt werden können. Die Wirtseignung toleranter Sorten für <em><em>H. schachtii</em> </em> ist bisher weitgehend unbekannt und soll in dieser Arbeit untersucht werden.<br /> In offiziellen Sortenversuchen wurden Bodenproben entnommen, um den Ausgangs- und Endbefall (Pi und Pf) von <em>H. schachtii</em> mittels der sogenannten Schlupftestmethode zu analysieren. So konnte die Reproduktionsrate (Pf/Pi) von <em>H. schachti</em>i an fünf toleranten Sorten (<em>Adrianna, BTS 440, Kleist, Lisanna, Vascoi</em> ) mit der einer anfälligen (<em>Berettai</em> ) und der einer resistenten Sorte (<em>Nemata</em> ) verglichen werden. Basierend auf den dreijährigen Ergebnissen der Pf/Pi im Feld wurde eine Klassifizierung der Wirtseignung von Zuckerrübensorten vorgeschlagen. Dabei wurden resistent wirkende Sorten in hoch und moderat resistent (HR bzw. MR) und anfällig wirkende Sorten in hoch und moderat anfällig (HS bzw. MS) unterteilt. Die Wirtseignung toleranter Sorten konnte überwiegend als MR charakterisiert werden und war um 40% gegenüber der anfälligen Sorte verringert. Um ein nachhaltiges Management des Parasiten zu gewährleisten, wäre eine Bewertung der Wirtseignung zukünftiger Sorten nötig.<br /> Erste Hinweise für die geringe Wirtseignung von toleranten Sorten lieferte die <em>in vitro</em> - Untersuchung der Nematodenentwicklung - vom Zeitpunkt der Infektion bis zur Zystenbildung. Anders als an der resistenten Sorte (<em>Nemata</em> , HR) war es <em>H. schachtii</em> an der toleranten Sorte (<em>Lisanna</em>, MR) möglich, Synzytien zu etablieren und sich zu vermehren. Im Gegensatz zur anfälligen Sorte (<em>Berettai</em> , HS) entwickelten sich an der toleranten Sorte weniger Weibchen, was auf eine geringe Wirtseignung hinweist. Die Weibchen an der toleranten Sorte waren kleiner, aber induzierten größere Synzytien als an der anfälligen Sorte. Anscheinend muss <em>H. schachtii</em> an der toleranten Sorte ein größeres Synzytium ausbilden, um sich mit Nährstoffen für die Entwicklung zum Weibchen zu versorgen. Deshalb wird vermutet, dass ein noch unbekannter Resistenzfaktor in toleranten Sorten die Funktion des Synzytiums negativ beeinflusst. Während sich 62% der Weibchen an der anfälligen Sorte zu Zysten entwickelten, sind es an der toleranten Sorte nur 55%. An der toleranten Sorte wurden 65% weniger Zysten als an der anfälligen Sorte beobachtet. Zudem enthielten die Zysten an der toleranten Sorte weniger Eier. <br /> In einem weiteren Ansatz wurde untersucht, ob die Ausprägung des Wurzelsystems der Sorten Hinweise auf die Wirtseignung und Toleranz gibt. Verschiedene Wurzelwachstumsparameter der anfälligen (<em>Berettai</em> , HS), der resistenten (<em>Nemata</em> , HR) und der drei toleranter Zuckerrübensorten (<em>Adrianna</em> und <em>Lisanna</em>, MR; Kleist, MS) mit und ohne <em>H. schachtii</em> -Befall wurden in mit Erde gefüllten Rhizotrongefäßen verglichen. Die Haupt-, Seiten- und Gesamtwurzellänge, die Wurzelsystemtiefe und die Anzahl Seitenwurzeln 1. Ordnung der untersuchten Sorten waren unter Befall gegenüber Nichtbefall reduziert. Sie eignen sich somit als Indikatoren, einen Befall durch den Wurzelparasiten früh zu erkennen. Es konnte gezeigt werden, dass das Wurzelsystem der Genotypen unterschiedlich auf den Befall mit <em>H. schachtii</em> reagiert. Die durch den Befall verursachte Reduktion der Parameter war bei den toleranten Sorten stets geringer, als bei der anfälligen Sorte. Demnach konnte gezeigt werden, dass tolerante gegenüber anfälligen Sorten ein resilienteres Wurzelsystem unter Befall aufzeigen. Während dies bereits für tolerante und anfällige Sorten anderer Kulturen berichtet wurde, zeigt diese Arbeit erstmals, dass tolerante und nicht tolerante Zuckerrübensorten durch die Parameter der Hauptwurzellänge und Wurzelsystemtiefe unterschieden werden können. Diese Parameter wurden in toleranten Sorten weniger stark durch den Befall reduziert, als in den nicht toleranten Sorten. Ein Screening der Hauptwurzellänge oder Wurzelsystemtiefe könnte genutzt werden, um die Toleranz und die Wirtseignung in Zuckerrübensorten bereits zu einem jungen Pflanzenstadium schnell und einfach abzuschätzen.

<strong>Studies of host status of tolerant sugar beet varieties to the beet cyst nematode <i>Heterodera schachtii</i></strong><br /> The beet cyst nematode <em>Heterodera schachtii</em> (BCN) is the most important pest of sugar beet. Susceptible sugar beet varieties are good hosts, which leads to strong development and reproduction of that root parasite. The infection of susceptible sugar beet varieties by BCN can compromise yield up to 25%. Existing resistant varieties are poor hosts for BCN as development and reproduction of the parasite is hindered. In these varieties, most juveniles that invade the plants will die before reaching the adult stage. Even if they develop, most of them become males. Resistant sugar beet varieties have a low yield potential, which makes them less attractive to use for cultivation. Fortunately, tolerant sugar beet varieties are available since 2003. Although high yields can be achieved by using tolerant varieties under BCN attack, the host status of these varieties is largely unknown. In this thesis, it will be determined, whether tolerant varieties are susceptible or resistant to BCN.<br /> Soil samples were collected in the official cultivar field trials to determine the initial and final infestations (pi and pf) of BCN via the so called hatching test. In this way, the reproductive value (pf/pi) of BCN of five tolerant varieties (<em>Adrianna, BTS 440, Kleist, Lisanna, Vascoi</em> ) was compared to a susceptible (<em>Berettai</em>) and a resistant (<em>Nemata</em>) variety. Based on the three-year results of pf/ pi, a classification of host status of sugar beet varieties was proposed. Resistant varieties were designated as highly or moderately resistant (HR or MR), and susceptible varieties were designated as highly and moderately susceptible (HS or MS). The host status of tolerant varieties was predominantly characterized as MR and was reduced by 40% compared to the susceptible variety. In order to ensure a sustainable pest management, a characterization of host status of future sugar beet varieties is recommended.<br /> The development and reproduction of BCN on different sugar beet varieties<em>in vitro</em> gave first indications for the poor host status of tolerant varieties. However unlike the resistant variety (<em>Nemata</em> , HR), nematodes were able to establish and reproduce on the tolerant variety (<em>Lisanna</em>, MR). Nevertheless, less females developed in the tolerant variety compared to susceptible variety (<em>Berettai</em> , HS). Further, females in the tolerant variety were smaller, but induced larger syncytia than in the susceptible variety. Based on these observations, we suggest that BCN needs to form a larger syncytium in the tolerant variety to catch essential nutrients for female development. We also assumed that an unknown resistance factor influences the functionality of a syncytia in tolerant varieties. Nematode females will only form cysts after successful fertilization by the mobile males. In the susceptible variety, 62% of females developed into cysts, but only 55% in the tolerant variety. In the tolerant variety, the number of cysts was reduced by about 65% compared to the susceptible variety. In addition, the cysts developed on the tolerant variety contained less eggs. The lower BCN development parameters were investigated for the first time in a tolerant variety and explain the lower host status (and pf/pi) compared to the susceptible variety. <br /> Further indications for host status and tolerance of varieties are suspected in the root system. For a fundamental study, different root growth parameters of the susceptible (<em>Berettai</em> , HS), the resistant (<em>Nemata</em>, HR) and the three tolerant sugar beet varieties (<em>Adrianna</em> and <em>Lisanna</em>, MR; Kleist, MS) were compared in soil-filled rhizotrons with and without BCN infection. The tap, lateral and total root length, root system depth and number of first-order lateral roots of all varieties tested were reduced under infestation compared to non-infected plants. These parameters can be used as early indicators of an attack by the root parasite. In conclusion, it could be shown that the root system of the varieties reacts differently to the infection with BCN. The reduction of all parameters caused by the infestation was always lower for the tolerant varieties than for the susceptible variety. It could be shown that tolerant show a more resilient root system under BCN attack compared to susceptible varieties. While similar reports have already been made for tolerant varieties of other crops, this thesis shows for the first time that tolerant and intolerant sugar beet varieties can be distinguished by the parameters of tap root length and root system depth. These parameters were less severely reduced by the BCN infection in tolerant varieties than in the intolerant varieties. Screening of the tap root length or root system depth could be used to quickly and easily identify host status and tolerance in sugar beet varieties already at a young plant stage.