Genetic variation of and environmental effects on inducibility of resistance in tomatoes (Solanum lycopersicum L.) to Phytophthora infestans (Mont) de Bary

Many plant strengtheners are promoted for their supposed effects on nutrient uptake and/or resistance induction (IR). In addition, many organic fertilizers are supposed to enhance plant health and several studies have shown that tomatoes grown organically are more resistant to late blight, caused by Phytophthora infestans to tomatoes grown conventionally. Much is known about the mechanisms underlying IR. In contrast, there is no systematic knowledge about genetic variation for IR. Therefore, the following questions were addressed in the presented dissertation: (i) Is there genetic variation among tomato genotypes for inducibility of resistance to P. infestans? (ii) How do different PS compare with the chemical inducer BABA in their ability to IR? (iii) Does IR interact with the inducer used and different organic fertilizers? A varietal screening showed that contrary to the commonly held belief IR in tomatoes is genotype and isolate specific. These results indicate that it should be possible to select for inducibility of resistance in tomato breeding. However, isolate specificity also suggests that there could be pathogen adaptation. The three tested PS as well as two of the three tested organic fertilisers all induced resistance in the tomatoes. Depending on PS or BABA variety and isolate effects varied. In contrast, there were no variety and isolate specific effects of the fertilisers and no interactions with the PS and fertilisers. This suggests that the different PS should work independent of the soil substrate used. In contrast the results were markedly different when isolate mixtures were used for challenge inoculations. Plants were generally less susceptible to isolate mixtures than to single isolates. In addition, the effectiveness of the PS was greater and more similar to BABA when isolate mixtures were used. The fact that the different PS and BABA differed in their ability to induce resistance in different host genotype -pathogen isolate combinations puts the usefulness of IR as a breeding goal in question. This would result in varieties depending on specific inducers. The results with the isolate mixtures are highly relevant. On the one hand they increase the effectiveness of the resistance inducers. On the other hand, measures that increase the pathogen diversity such as the use of diversified host populations will also increase the overall resistance of the hosts. For organic tomato production the results indicate that it is possible to enhance the tomato growing system with respect to plant health management by using optimal fertilisers, plant strengtheners and any measures that increase system diversity.

Spezifität der quantitativen Resistenz von Blättern und Früchten der Tomate (Lycopersicon ssp. L.) gegenüber Phytophthora infestans (Mont.) de Bary.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen Beitrag zur Resistenzforschung bei Tomaten gegenüber P. infestans zu leisten, um erste Grundlagen für eine mögliche Züchtungsstrategie auf Basis unterschiedlicher quantitativer Resistenzen zu erarbeiten. Hierzu wurde untersucht, inwieweit unterschiedliche qualitative und quantitative Resistenzen bei Tomatenblättern und -früchten vorliegen, und ob hierfür verantwortliche Mechanismen identifiziert werden können. Zudem wurde untersucht, ob isolatspezifische quantitative Resistenzen identifiziert werden können. Zu diesem Zweck wurde mit einer erweiterten Clusteranalyse, basierend auf einer modifizierten Sanghvi-T2 Distanz, ein statistisches Verfahren entwickelt, welches die Identifikation von quantitativen, isolatspezifischen Resistenzen unter der Berücksichtigung der Variabilität ermöglicht. Des weiteren wurde geprüft, inwieweit zwischen den Resistenzausprägungen auf dem Blatt und den Resistenzausprägungen auf der Frucht ein Zusammenhang besteht und inwieweit die im Labor beobachteten Resistenzen unter Freilandbedingungen eine Rolle spielen. Im Labortest wurde die qualitative und quantitative Blattresistenz von 109 Akzessionen aus elf Lycopersicon und Solanum Arten gegenüber zwölf unterschiedlich aggressiven und teilweise auch unterschiedlich virulenten P. infestans Isolaten untersucht (Kap. 3). Die Früchte von 38 Tomatensorten wurden auf ihre Resistenz gegenüber drei P. infestans Isolaten geprüft. Zusätzlich wurde der Einfluss der Fruchtnachreife auf die Resistenzeigenschaften der Tomatenfrüchte gegenüber P. infestans analysiert (Kap. 4). Insgesamt 40 Sorten wurden auch unter Feldbedingungen auf Blatt- und Fruchtbefall untersucht (Kap. 5). Die frühen Stadien der Infektion von Tomatenblättern mit P. infestans Sporangien wurden mikroskopisch bei acht Tomatensorten mit unterschiedlichen quantitativen Reaktionsprofilen und drei Isolaten untersucht (Kap. 6). Hierzu wurden die Entwicklungsstadien von P. infestans Sporangien nach 24h, 48h und 60h nach der Inokulation auf und im Blatt mit der Calcofluor und der KOH - Anilin Blau Färbung sichtbar gemacht. Das Auftreten und die Lokalisation von H2O2 im Blatt nach 48h und 60h nach der Inokulation in Reaktion auf die Infektion wurde mithilfe einer DAB (3,3′ - Diaminobenzidine) Färbung untersucht. Es wurden einige, z.T. auch wahrscheinlich neue, qualitative Blattresistenzen gegenüber P. infestans gefunden, jedoch war keine der 109 Akzessionen vollständig resistent gegenüber allen Isolaten. Für die quantitative Resistenz von Blättern lagen in vielen Fällen isolatspezifische Unterschiede vor. Die Sorte x Isolat Interaktionen konnten mit Hilfe der erweiterten Clusteranalyse erfolgreich analysiert werden und die Akzessionen in Gruppen mit unterschiedlichen quantitativen Resistenzprofilen bzgl. der Interaktion mit den Isolaten und des Resistenzniveaus eingeteilt werden. Für die Fruchtresistenz konnten keine qualitativen Resistenzen gegenüber den drei getesteten Isolaten gefunden werden. Im Gegensatz dazu unterschieden sich die Tomatensorten in ihrer quantitativen Resistenz und Sorten und Isolate interagierten signifikant. Auch für die Fruchtresistenz konnten Gruppen mit unterschiedlichen quantitativen Reaktionsprofilen gebildet werden. Insgesamt nimmt die Anfälligkeit von Tomatenfrüchten mit zunehmender Reife kontinuierlich und signifikant ab. Unter Laborbedingungen korrelierten nur die Sporulationskapazität der Früchte und der prozentuale Blattbefall. Im Feldversuch über zwei Jahre und mit bis zu 40 Tomatensorten war der Zusammenhang hoch signifikant, jedoch asymptotisch, d.h. bereits bei sehr geringem Blattbefall war der Fruchtbefall sehr hoch. Bei den Tomatenherkünften, die sowohl im Labor als auch im Feld auf ihre Anfälligkeit getestet wurden, erschienen die Blattanfälligkeiten ähnlich, während kein klarer Zusammenhang zwischen der Fruchtanfälligkeit im Feld und im Labor bestand. Die Entwicklung von P. infestans auf der Blattoberfläche war unabhängig von der Sorte. Sowohl beim Eindringen und der Etablierung von P. infestans ins Blatt als auch bei der damit verbunden H2O2 Aktivität im Wirt wurden deutliche isolat- und sortenspezifische Effekte gefunden, die aber nur zum Teil mit den quantitativen Unterschieden der Blattresistenz korrespondierten. Sorten, die bei hoher Resistenz unterschiedliche Reaktionsprofile aufweisen, sind grundsätzlich interessante Kreuzungspartner, um die quantitative Resistenz gegenüber P. infestans zu verbessern. Hier sind vor allem Sorten, die sich auch in ihrer H2O2 Aktivität unterscheiden von Interesse.

Organic potatoes for processing

Drei Feldversuche auf zwei Standorten (DFH: 51°4, 9°4’, BEL: 52°2’, 8°08’) wurden in den Jahren 2002 bis 2004 durchgeführt, um den Einfluss der Vorfrucht, des Vorkeimens, der N- und K-Düngung und der Sorte auf Nährstoffverfügbarkeit, Gesamt- und sortierte Knollenerträge sowie die Qualität von Kartoffeln und deren Eignung für die industrielle Verarbeitung zu Pommes frites und Chips zu untersuchen. Bestimmt wurden die N- und K-Verfügbarkeit im Boden, die N- und K-Aufnahme von Kraut und Knollen, gesamte Frisch- und Trockenmasseerträge, sortierte Frischmasseerträge für die Verarbeitung, sowie die Gehalte der Knollen an Trockensubstanz und reduzierenden Zuckern. In einer sensorischen Prüfung wurden Qualitätsparameter von Pommes frites (Aussehen/Farbe, Textur und Geschmack/Geruch) bewertet, die gewichtet in einen Qualitätsindex eingingen. Die Qualität der Chips wurde maschinell durch den L-Wert (Helligkeit) des Produktes quantifiziert. Der Gehalt des Bodens an mineralisiertem Nitrat-Stickstoff hing von der Vorfrucht und dem Jahr ab. Nach Erbsen wurden zum Auflaufen der Kartoffeln in den Versuchsjahren 2003 und 2004 (187 und 132 kg NO3-N ha-1) die höchsten NO3-N-Werte in 0-60 cm Boden gemessen verglichen mit Kleegras (169 bzw. 108 kg NO3-N ha-1 oder Getreide (112 kg bzw. 97 kg NO3-N ha-1), obgleich die Differenz nicht in allen Fällen signifikant war. Entsprechend wurden nach Erbsen die höchsten Knollen-Frischmasseerträge (414 und 308 dt ha-1) geerntet. Dasselbe galt für die Trockenmasserträge, was belegt, dass der Trockensubstanzgehalt der Knollen bei verbesserter N-Versorgung nicht im selben Maße sinkt, wie der Frischmasseertrag steigt. Das Vorkeimen der Pflanzknollen führte zu einer rascheren phänologischen Entwicklung im Jugendstadium der Pflanze, beschleunigter Trockenmassebildung des Krautes und einer früheren Einlagerung von Assimilaten vom Kraut in die Knollen. Obwohl die positive Wirkung des Vorkeimens auf den Gesamtertrag bis Ende Juli (+ 26 in 2003 bzw. 34 dt ha-1 in 2004) im Jahr ohne Krautfäuleepidemie von den nicht vorgekeimten Varianten bis zur Endernte im September kompensiert wurde, konnte in diesem Jahr durch Vorkeimen dennoch ein erhöhter Ertragsanteil (+ 12%) der besonders nachgefragten Übergrößen (>50 mm für Pommes frites) erzielt werden. Die durchschnittliche Knollenmasse reagierte positiv auf Vorkeimen (+ 5,4 g), Sortenwahl (Sorte Agria) und ein erhöhtes N-Angebot (Leguminosenvorfrucht). Generell wurde deutlich, dass die Knollengesamterträge unter den Bedingungen des Ökologischen Landbaus (geringe bis mittlere Nährstoffversorgung, verkürzte Vegetationsdauer) sehr stark vom Anbaujahr abhängen. Die Ergebnisse belegen jedoch, dass organisch-mineralische N-K-Düngung den sortierten Ertrag an Knollen für die Verarbeitung signifikant erhöht: Höchste Gesamt- und sortierte Knollenfrischmasseerträge wurden nach kombinierter N (Horngrieß) und mineralischer K- (Kaliumsulfat) Gabe erzielt (348 dt ha-1 im Durchschnitt von 2002-2004). Im Gegensatz dazu kann eine Wirkung von Stallmist auf den Ertrag im Jahr der Ausbringung nicht unbedingt erwartet werden. Steigende Erträge nach Stallmistdüngung wurden lediglich in einem von drei Versuchsjahren (+58 dt ha-1) festgestellt und ließen sich eher auf eine K- als eine N-Wirkung zurückführen. Die Ergebnisse belegen, dass die Sortenwahl eine entscheidende Rolle spielt, wenn die Kartoffeln für die industrielle Verarbeitung zu den oben genannten Produkten angebaut werden. Insgesamt kann festgestellt werden, dass Kartoffelknollen aus ökologischen Anbauverfahren ausreichend hohe Trockensubstanzgehalte aufweisen, um für die Verarbeitung zu Pommes frites (>19%) geeignet zu sein und ohne dass dadurch die Konsistenz des Endproduktes gefährdet würde. Der Trockensubstanzgehalt der Referenzsorte für Chips, „Marlen“, unterschritt das in der Literatur geforderte Minimum für Chips von 23% lediglich, wenn die kombinierte Horngrieß-Kaliumsulfatdüngung zur Anwendung kam. Die Trockensubstanzgehalte der Knollen konnten durch Vorkeimen signifikant gesteigert werden und der Effekt war besonders groß (+1.2% absolut) in dem Jahr mit frühem Auftreten der Krautfäule (Phytophthora infestans), d.h. verkürzter Vegetationszeit. Die Knollen-Trockensubstanzgehalte waren in zwei von drei Experimenten nach Lagerung höher (+0.4 und 0.5% absolut) als noch zur Ernte. Sorten der sehr frühen und frühen Reifegruppe wiesen den größten relativen Anstieg der Gehalte an reduzierenden Zuckern (Glukose und Fruktose) während der Lagerung auf. Den mittelfrühen Sorten „Agria“ und „Marena“ hingegen kann aufgrund des von ihnen erreichten höchsten Qualitätsstandards (Pommes frites) zur Ernte eine sehr gute Eignung für die Bedingungen des Ökologischen Landbaus unterstellt werden. Die durchgehend beste Chipseignung wies die mittelfrühe Referenzsorte „Marlen“ auf. Insgesamt konnte nachgewiesen werden, dass durch gezielte Sortenwahl der Trockensubstanzgehalt und die Konzentration reduzierender Zucker, sowie die Qualität der Endprodukte (Pommes frites und Chips) gezielt beeinflusst werden kann. Im Gegensatz dazu haben acker- und pflanzenbauliche Maßnahmen wie Düngung, Wahl der Vorfrucht und Vorkeimen der Pflanzknollen einen eher geringen Einfluss. Dementsprechend sollte der Landwirt versuchen, durch die Wahl der Sorte den hohen Anforderungen der Industrie an die Rohware gerecht zu werden.

Management approaches in organic potato and tomato production

The presented thesis considered three different system approach topics to ensure yield and plant health in organically grown potatoes and tomatoes. The first topic describes interactions between late blight (Phytophthora infestans) incidence and soil nitrogen supply on yield in organic potato farming focussing in detail on the yield loss relationship of late blight based on results of several field trials. The interactive effects of soil N-supply, climatic conditions and late blight on the yield were studied in the presence and absence of copper fungicides from 2002-2004 for the potato cultivar Nicola. Under conditions of central Germany the use of copper significantly reduced late blight in almost all cases (15-30 %). However, the reductions in disease through copper application did not result in statistically significant yield increases (+0 – +10 %). Subsequently, only 30 % of the variation in yield could be attributed to disease reductions. A multiple regression model (R²Max), however, including disease reduction, growth duration and temperature sum from planting until 60 % disease severity was reached and soil mineral N contents 10 days after emergence could explain 75 % of the observed variations in yield. The second topic describes the effect of some selected organic fertilisers and biostimulant products on nitrogen-mineralization and efficiency, yield and diseases in organic potato and tomato trials. The organic fertilisers Biofeed Basis (BFB, plant derived, AgroBioProducts, Wageningen, Netherlands) and BioIlsa 12,5 Export (physically hydrolysed leather shavings, hair and skin of animals; ILSA, Arizignano, Italy) and two biostimulant products BioFeed Quality (BFQ, multi-compound seaweed extract, AgroBioProducts) and AUSMA (aqueous pine and spruce needle extract, A/S BIOLAT, Latvia), were tested. Both fertilisers supplied considerable amounts of nitrogen during the main uptake phases of the crops and reached yields as high or higher as compared to the control with horn meal fertilisation. The N-efficiency of the tested fertilisers in potatoes ranged from 90 to 159 kg yield*kg-1 N – input. Most effective with tomatoes were the combined treatments of fertiliser BFB and the biostimulants AUSMA and BFQ. Both biostimulants significantly increased the share of healthy fruit and/or the number of fruits. BFQ significantly increased potato yields (+6 %) in one out of two years and reduced R. solani-infestation in the potatoes. This suggests that the biostimulants had effects on plant metabolism and resistance properties. However, no effects of biostimulants on potato late blight could be observed in the fields. The third topic focused on the effect of suppressive composts and seed tuber health on the saprophytic pathogen Rhizoctonia solani in organic potato systems. In the present study 5t ha-1 DM of a yard and bio-waste (60/40) compost produced in a 5 month composting process and a 15 month old 100 % yard waste compost were used to assess the effects on potato infection with R. solani when applying composts within the limits allowed. Across the differences in initial seed tuber infestation and 12 cultivars 5t DM ha-1 of high quality composts, applied in the seed tuber area, reduced the infestation of harvested potatoes with black scurf, tuber malformations and dry core tubers by 20 to 84 %, 20 to 49 % and 38 to 54 %, respectively, while marketable yields were increased by 5 to 25 % due to lower rates of wastes after sorting (marketable yield is gross yield minus malformed tubers, tubers with dry core, tubers with black scurf > 15% infested skin). The rate of initial black scurf infection of the seed tubers also affected tuber number, health and quality significantly. Compared to healthy seed tubers initial black scurf sclerotia infestation of 2-5 and >10 % of tuber surface led in untreated plots to a decrease in marketable yields by 14-19 and 44-66 %, a increase of black scurf severity by 8-40 and 34-86 % and also increased the amount of malformed and dry core tubers by 32-57 and 109-214 %.

Survey of Agricultural Practices and Alternatives to Pesticide Use to Conserve Water Resources in the Mojanda Watershed, Ecuador

Agriculture in the Mojanda Watershed is facing rainfall reductions caused by climate change. Reductions of water availability in the Watershed are also due to constant extension of the agricultural activities into the páramo ecosystem above 3000m a.s.l., with this ecosystem having immanently important functions in the local water balance. The application of pesticides threatens the quality of water and with less precipitation contaminations will further concentrate in the outflow. To analyze problems associated with agricultural practices in the area a questionnaire about agricultural practices (28) was conducted and fields (20) were surveyed for pests and diseases with a focus on potatoes (Solanum tuberosum L.), tree tomatoes (Solanum betaceum Cav.) and peas (Pisum sativum L.). Potatoes were infected to a low degree with Phytophthora infestans and according to the farmers the Andean potato weevil (Premnotrypes spec.) caused biggest losses. To combat the weevil the soils are disinfected with toxic Carbofuran (WHO Class 1B). Tree tomatoes showed symptoms of various fungal diseases. Most important was Fusarium solani causing the branches to rot and Anthracnosis (Colletotrichum gloeosporioides) causing the fruits to rot. Fungicide applications were correspondingly high. Peas were only minorly affected by Ascochyta blight (Mycosphaerella pinodes) and a root rot. Overall 19 active ingredients were applied of which fungicide Mancozeb (WHO class table 5) and insecticide Carbofuran (WHO Class 1B) were applied the most. Approved IPM methods are advised to reduce pesticide use. For tree tomatoes regular cutting of branches infected with F. solani and regular collection and disposal of infected fruits with Anthracnosis are advised. For potatoes plastic barriers around the fields prevent the Andean potato weevil from laying eggs thus reducing infestation with the larvae in the tubers. Local bioinsecticide “Biol” seems effective and without harm to the environment, although not used by many farmers. Organic fertilization promises to restore decreasing soil fertility, water holding capacity and reduce erosion. The here presented alternatives and strategies to reduce pesticide use pose an opportunity to preserve the water resources of the region.

Farmers’ knowledge and perceptions of potato pests and their management in Uganda

As we initiate entomological research on potato (Solanum tuberosum L.) in Uganda, there is need to understand farmers’ knowledge of existing insect pest problems and their management practices. Such information is important for designing a suitable intervention and successful integrated pest management (IPM) strategy. A farm household survey using a structured questionnaire was conducted among 204 potato farmers in six districts of Uganda (i.e., Kabale, Kisoro, Mbale, Kapchorwa, Mubende, and Kyegegwa) during August and September 2013. Diseases, insect pests, price fluctuations, and low market prices were the four highest ranked constraints in potato production, in order of decreasing importance. Cutworms (Agrotis spp.), aphids (Myzus persicae (Sulzer)), and potato tuber moth (Phthorimaea operculella (Zeller)) were the three most severe insect pests. Ants (Dorylis orantalis Westwood), whiteflies (Bemisia tabaci (Gennadius)), and leafminer flies (Liriomyza huidobrensis (Blanchard)) were pests of moderate importance. Major yield losses are predominantly due to late blight (Phytophthora infestans (Mont.) de Bary) and reached 100% without chemical control in the districts of Kabale, Kisoro, Mbale, and Kapchorwa. On average, farmers had little to moderate knowledge about pest characteristics. The predominant control methods were use of fungicides (72% of respondents) and insecticides (62% of respondents). On average, only 5% of the 204 farmers knew about insect pests and their natural enemies. This lack of knowledge calls for training of both farmers and extension workers in insect pest identification, their biology, and control. Empowering farmers with knowledge about insect pests is essential for the reduction of pesticide misuse and uptake of more environmentally friendly approaches like IPM. Field surveys would need follow-up in order to assess the actual field infestation rates and intensities of each insect pest and compare the results with the responses received from farmers.