Impacts of the fungal bio-control agent Fusarium oxysporum f.sp. strigae on plant beneficial microbial communities in the maize rhizosphere

Striga hermonthica causes severe yield reduction in cereal crop production in Sub-Saharan Africa. Intergrated Striga management has been proposed as one of the best options to control striga. Along this line, the use of biocontrol agent (BCA) Fusarium oxysporum f.sp. strigae (Foxy-2) has been proven as an effective and environmental friendly management strategy. It is well established that a prerequisite for a successful BCA is sufficient risk assessment analysis. Towards this direction, Foxy-2 was assessed for its potential non-target impacts on the abundance, community structure of bacterial and archaeal nitrifying prokaryotes as well as enzymatic activities of proteolytic bacteria. Maize rhizosphere soils treated with or without Foxy-2, Striga and high quality organic residues (i.e., Tithonia diversifolia) as N source were evaluated by quantitative polymerase chain reaction (qPCR) and terminal restriction fragment length polymorphism (TRFLP). It was observed that Foxy-2 had a promoting effect on archaeal abundance under controlled conditions in sandy soils. Furthermore, crop growth stage, seasonality and soil type had a strong effect on abundance and community structure of nitrifying prokaryotes over Foxy-2 inoculation. In addition proteolytic enzymatic activities analysis showed that Foxy-2 did not affect their activities. Correlation analysis also showed that abundance and community structure on nitrifying communities positively correlated with extractable organic carbon, extractable organic nitrogen and soil pH, while proteolytic enzymatic activities correlated with extractable organic nitrogen and soil ammonium. It was concluded that Foxy-2 is compatible with nitrifying prokaryotes and proteolytic enzymatic activities.Striga hermonthica ist ein wichtiger limitierender Faktor der Getreideproduktion und Ernährungssicherheit im subsaharischen Afrika. Die integrierte Kontrolle wird als eine der aussichtsreichsten Möglichkeiten zur Bekämpfung parasitischer Striga-Arten angesehen. Dabei hat sich die Kombination resistenter Getreidesorten und mikrobiologischer Nutzorganismen wie Fusarium oxysporum f. sp. strigae (Foxy-2) als effiziente und umweltfreundliche Bekämpfungsstrategie bewährt. Obwohl die Anwendung von Foxy-2 als wichtige Komponente in der integrierten Striga-Kontrolle propagiert wird, wurde bisher keine Risikoanalyse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Nicht-Ziel-Mikroorganismen durchgeführt. Eine solche Risikoanalyse ist jedoch unabdingbar für Feldapplikationen im größeren Maßstab. Außerdem wurde ein stark variierender Wirkungsgrad von Foxy-2 auf Striga unter Labor-, Gewächshaus- und Feldbedingungen beobachtet, was auf unterschiedliche biotische und abiotische Standortfaktoren zurückzuführen ist. Deshalb zielte die vorliegende Arbeit darauf ab mögliche Nebenwirkungen von Foxy-2 auf Schlüsselmikroorganismen des Stickstoffkreislaufes (z.B. Nitrifikation und Proteolyse) in der Maisrhizosphäre zu bestimmen. Spezifische Ziele waren (1) mögliche Nebenwirkungen von Foxy-2 auf die Abundanz von Ammonium-oxidierenden Archaeen (AOA) und Bakterien (AOB) sowie auf Gesamtarchaeen und -bakterien zu untersuchen. Dazu wurde ein Rhizobox-Versuch mit zwei unterschiedlichen Böden (sandiger Ferric Alisol bzw. toniger Humic Nitisol) von nicht Striga-infizierten Standorten im zentralen Hochland von Kenia (Embu und Machanga) angelegt; (2) Effekte von Bodeneigenschaften, Pflanzenwachstum (frühes Blattentwicklungsstadium (EC 30), Blüte (EC 60) und Seneszenz (EC 90)) und Saisonalität (kurze und lange Regenzeit) auf die Dynamik der Abundanz und Struktur von Gesellschaften nitrifizierender Prokaryoten relativ zum Effekt der Inokulation mit Foxy-2 an zwei unterschiedlichen agrarökologischen Standorten (Busia und Homa Bay) in West-Kenia zu quantifizieren; (3) die methodische Entwicklung spezifischer Polymerasekettenreaktionen (qPCR) zur Quantifizierung proteolytischer Bakterien (z.B. neutrale Metalloproteasen kodierende npr Gene) in tropischen Böden; (4) Identifizierung von Nebenwirkungen von Foxy-2 auf die Abundanz proteolytischer Bakterien (qPCR) und deren Enzymaktivität (z.B. npr Gen spezifische Suc-ala-Ala-Phe-AMC) mittels der neu entwickelten Methoden. Der Versuchsansatz basierte auf einer Kombination von Rhizobox- und Feldversuchen, in denen Behandlungen mit und ohne Foxy-2 beschichtetes Maissaatgut sowie mit und ohne Striga-Saatgut getestet wurden. Unter der Annahme, dass Foxy-2 N-Konkurrenz induziert und die Entwicklung N-umsetzender Mikroorganismen hemmt, wurde eine zusätzliche Behandlung mit einer leicht verfügbaren organischen N-Quelle (Tithonia diversifolia Pflanzenmaterial) angesetzt. Rhizosphären-Boden der Maisversuche wurde anhand molekularer (qPCR und terminaler Restriktionsfragment-Längenpolymorphismus (TRFLP)), biochemischer (enzym- und bodenchemische Analysen) und statistischer Verfahren analysiert. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass die Anwendung von Foxy-2 mit nitrifizierenden und proteolytischen Prokaryoten vereinbar ist und keine nachteiligen Wirkungen auf die Abundanz und Struktur wichtiger Gene des N-Kreislaufs der untersuchten Bodenmikroorganismen hat. Um den vorübergehenden suppressiven Effekt von Foxy-2 auf die Abundanz proteolytischer Bakterien zu kompensieren, ist die Kombination von Foxy-2 Inokulation mit leicht abbaubarem Pflanzenmaterial empfehlenswert. Im Feldversuch beeinflussten Pflanzenentwicklungsstadium, Saisonalität und Bodentyp die Abundanz und Struktur der nitrifizierenden Prokaryoten stärker als Foxy-2. Dies unterstreicht die Notwendigkeit der Berücksichtigung standortspezifischer Faktoren in Risikoanalysen zum biologischen Pflanzenschutz. Es kann außerdem angenommen werden, dass vergleichbare Faktoren einen signifikanten Einfluss auf die Effektivität von Foxy-2 bei der Kontrolle von Striga haben, was in zukünftigen Studien berücksichtigt werden sollte. Eine gründliche Untersuchung von Interaktionen zwischen Foxy-2 und Standortfaktoren ist insbesondere notwendig, um die Wirksamkeit von Fusarium oxysporum f. sp. strigae durch weitere Forschung zu lokalen Isolaten, die möglicherweise besser an lokale Boden- und Klimabedingungen angepasst sind als das hier verwendete ghanaische Isolat, zu verbessern. Außerdem sollten zukünftige Studien eine große Bandbreite an Mikroorganismen, z.B. pflanzenwachstumsfördernde Bakterien, mit Kontrollpotential gegen Striga untersuchen. Eine Kompatibilität solcher Striga unterdrückender Bakterien in Kombination mit Foxy-2 oder anderen Isolaten könnte die Wirksamkeit mikrobieller Kontrollstrategien gegen Striga weiter verbessern

Effects of organic and inorganic fertilization on soil bacterial and fungal microbial diversity in the Kabete long-term trial, Kenya

The effects of crop manure and inorganic fertilizers on composition of microbial communities of central high land soils of Kenya are poorly known. For this reason, we have carried out a thirty-two-year-old long-term trial in Kabete, Kenya. These soils were treated with organic (maize stover (MS) at 10 t ha(-1), farmyard manure (FYM) at 10 t ha(-1)) and inorganic fertilizers 120 kg N, 52.8 kg P (N(2)P(2)), N(2)P(2) + MS, N(2)P(2) + FYM, a control, and a fallow for over 30 years. We examined 16S rRNA gene and 28S rRNA gene fingerprints of bacterial and fungal diversity by PCR amplification and denaturing gradient gel electrophoresis separation, respectively. The PCR bacterial community structure and diversity were negatively affected by N(2)P(2) and were more closely related to the bacterial structure in the soils without any addition (control) than that of soils with a combination of inorganic and organic or inorganic fertilizers alone. The effect on fungal diversity by N(2)P(2) was different than the effect on bacterial diversity since the fungal diversity was similar to that of the N(2)P(2) + FYM and N(2)P(2) + MS-treated. However, soils treated with organic inputs clustered away from soils amended with inorganic inputs. Organic inputs had a positive effect on both bacterial and fungal diversity with or without chemical fertilizers. Results from this study suggested that total diversity of bacterial and fungal communities was closely related to agro-ecosystem management practices and may partially explain the yield differences observed between the different treatments