Rhizoctonia solani as a potato pathogen : Variation of isolates in Finland and host response

Rhizoctonia solani is a soil inhabiting basidiomycetous fungus able to induce a wide range of symptoms in many plant species. This genetically complex species is divided to 13 anastomosis groups (AG), of which AG-3 is specialized to infect potato. However, also a few other AGs are able to infect or live in close contact with potato. On potato, R. solani infection causes two main types of diseases including stem canker observed as a dark brown lesions on developing stems and stolons, and black scurf that develops on new tubers close to the time of harvest. These disease symptoms are collectively called a ‘Rhizoctonia disease complex’. Between the growing seasons R. solani survives in soil and plant debri as sclerotia or as the sclerotia called black scurf on potato tubers which when used as seed offer the main route for dispersal of the fungus to new areas. The reasons for the dominance of AG-3 on potato seem to be attributable to its highly specialization to potato and its ability to infect and form sclerotia efficiently at low temperatures. In this study, a large nationwide survey of R. solani isolates was made in potato crops in Finland. Almost all characterized isolates belonged to AG-3. Additionally, three other AGs (AG-2-1, AG-4 and AG-5) were found associated with symptoms on potato plants but they were weaker pathogens on potato than AG-3 as less prone to form black scurf. According to phylogenetic analysis of the internal transcribed sequences (ITS) of the ribosomal RNA genes the Finnish AG-3 isolates are closely related to each other even though a wide variation of physiological features was observed between them. Detailed analysis of the ITS regions revealed single nucleotide polymorphism in 14 nucleotide positions of ITS-1 and ITS-2. Additionally, compensatory base changes on ITS-2 were detected which suggests that potato-infecting R. solani AG-3 could be considered as a separate species instead of an AG of R. solani. For the first time, molecular defence responses were studied and detected during the early phases of interaction between R. solani AG-3 and potato. Extensive systemic signalling for defence exploiting several known defence pathways was activated as soon as R. solani came into close contact with the base of a sprout. The defence response was strong enough to protect vulnerable sprout tips from new attacks by the pathogen. These results at least partly explain why potato emergence is eventually successful even under heavy infection pressure by R. solani.

Rhizoctonia solani on geneettisesti monimuotoinen Basidiomycete-heimoon kuuluva kantasieni, joka aiheuttaa monenlaisia tautioireita lukuisilla eri kasvilajeilla. Lajiin kuuluvat sienet voidaan jakaa 13 anastomoosiryhmään (AG). Vaikka perunalla tavataan säännöllisesti useampiakin AG:n edustajia, anastomoosiryhmää 3 (AG-3) pidetään ensisijaisesti perunaa infektoivana R. solani:n muotona. Tämä säännöllisesti perunakasvustoissa tavattava taudinaiheuttaja ilmenee kahtena erilaisena tautioireena: versonkärkiä ja maavarsia vioittavana versolaikkuna ja myöhemmin kasvukaudella mukuloiden pintaan muodostuvana seitirupena. Sieni säilyy etenkin maahan jäävinä rihmastopahkoina kasvijätteessä ja seittirupena mukuloiden pinnalla. Seittirupisten siemenperunoiden mukana sieni leviää uusille perunanviljelyalueille. Yksi tekijä AG-3:n yleisyydessä näyttää olevan sen kyky tartuttaa perunaa jo alhaisissa lämpötiloissa sekä muodostaa tehokkaasti rihmastopahkoja mukuloiden pinnalle. Tässä koko Suomen kattavassa tutkimuksessa eristettiin perunoista yli 500 R. solani -kantaa. Tulokset osoittivat, että ilmasto-oloissamme AG-3 on ylivoimaisesti yleisin perunalla tavattava R. solani:n muoto. Tämän lisäksi tavattiin muutamia anastomoosiryhmien AG2-1, AG-4 ja AG-5 kantoja. Niiden taudinaiheutuskyky perunassa oli rajallinen. Kantojen fylogeneettinen tutkimus osoitti suomalaisten AG-3-kantojen olevan läheistä sukua toisilleen huolimatta suurista fysiologisten ominaisuuksien eroista. Tarkemmissa tutkimuksissa ribosomaalisten geenialueiden väleissä olevilla ITS-alueilla havaittiin aiemmin hyvin vähälle huomiolle jäänyttä monimuotoisuutta. ITS-2-alueella havaitut mutaatiot viittaavat AG-3 ryhmän mahdolliseen eriytymiseen muista R. solani –lajiin luokitelluista kannoista. Ennen taimelle tuloa peruna on erityisen herkkä R. solani:n aiheuttamalle versolaikulle. Mikrosiruanalyysiä käyttäen havaittiin, että R. solani –sienen rihmojen tartuttaessa idun tyveä iduissa virittyi nopeasti kestävyysvaste, joka voitiin mitata idun kärkiosasta jo 48 tuntia tartunnan alkamisesta. Useita tunnettuja puolustusvastereittejä hyödyntävä kestävyys tehostui seuraavien päivien aikana ja oli voimakkuudeltaan riittävä suojaamaan versojen kärkiä uudelta tartunnalta. Versonkärkien puolustusvasteen nopea herääminen selittänee perunan itujen kyvyn taimettua huolimatta korkeastakin R. solani:n aiheuttamasta tartuntapaineesta.