Streptomyces scabies and S. turgidiscabies as pathogens causing potato common scab, and potential methods for their control

Tieteellinen tiivistelmä Common scab is one of the most important soil-borne diseases of potato (Solanum tuberosum L.) in many potato production areas. It is caused by a number of Streptomyces species, in Finland the causal agents are Streptomyces scabies (Thaxter) Lambert & Loria and S. turgidiscabies Takeuchi. The scab-causing Streptomyces spp. are well-adapted, successful plant pathogens that survive in soil also as saprophytes. Control of these pathogens has proved to be difficult. Most of the methods used to manage potato common scab are aimed at controlling S. scabies, the most common of the scab-causing pathogens. The studies in this thesis investigated S. scabies and S. turgidiscabies as causal organisms of common scab and explored new approaches for control of common scab that would be effective against both species. S. scabies and S. turgidiscabies are known to co-occur in the same fields and in the same tuber lesions in Finland. The present study showed that both these pathogens cause similar symptoms on potato tubers, and the types of symptoms varied depending on cultivar rather than the pathogen species. Pathogenic strains of S. turgidiscabies were antagonistic to S. scabies in vitro indicating that these two species may be competing for the same ecological niche. In addition, strains of S. turgidiscabies were highly virulent in potato and they tolerated lower pH than those of S. scabies. Taken together these results suggest that S. turgidiscabies has become a major problem in potato production in Finland. The bacterial phytotoxins, thaxtomins, are produced by the scab-causing Streptomyces spp. and are essential for the induction of scab symptoms. In this study, thaxtomins were produced in vitro and four thaxtomin compounds isolated and characterized. All four thaxtomins induced similar symptoms of reduced root and shoot growth, root swelling or necrosis on micro-propagated potato seedlings. The main phytotoxin, thaxtomin A, was used as a selective agent in a bioassay in vitro to screen F1 potato progeny from a single cross. Tolerance to thaxtomin A in vitro and scab resistance in the field were correlated indicating that the in vitro bioassay could be used in the early stages of a resistance breeding program to discard scab-susceptible genotypes and elevate the overall levels of common scab resistance in potato breeding populations. The potential for biological control of S. scabies and S. turgidiscabies using a non-pathogenic Streptomyces strain (346) isolated from a scab lesion and S. griseoviridis strain (K61) from a commercially available biocontrol product was studied. Both strains showed antagonistic activity against S. scabies and S. turgidiscabies in vitro and suppressed the development of common scab disease caused by S. turgidiscabies in the glasshouse. Furthermore, strain 346 reduced the incidence of S. turgidiscabies in scab lesions on potato tubers in the field. These results demonstrated for the first time the potential for biological control of S. turgidiscabies in the glasshouse and under field conditions and may be applied to enhance control of common scab in the future.

Perunarupi on maailmanlaajuisesti yksi merkittävimmistä perunan (Solanum tuberosum) ulkoista laatua pilaavista kasvitaudeista. Sitä aiheuttavat useat eri Streptomyces-suvun sädebakteerit, jotka säilyvät maassa ja leviävät maan välityksellä. Perunarupi on vaikeasti torjuttava tauti eikä tehokkaita ja luotettavia torjuntamenetelmiä ole. Suomessa perunarupea aiheuttaa kaksi sädebakteerilajia: tavallinen rupibakteeri (Streptomyces scabies) ja pohjanrupibakteeri (S. turgidiscabies). Tämän työn tarkoituksena oli verrata tavallisen rupibakteerin ja pohjanrupibakteerin aiheuttamia oireita sekä selvittää näiden kahden bakteerin vuorovaikutuksia. Lisäksi pyrittiin löytämään sellaisia uusia keinoja ruventorjuntaan, jotka olisivat tehokkaita molempien rupibakteerien torjunnassa. Molemmat rupibakteerit aiheuttivat samanlaisia oireita perunalla. Oireet olivat kullekin perunalajikkeelle tyypillisiä ja riippumattomia rupibakteerilajista. Rupibakteerilaji ei vaikuttanut myöskään lajikkeiden ruvenkestävyyseroihin, minkä vuoksi näille kahdelle rupibakteerille ei tarvita erillisiä kestävyyskokeita, vaan kestävyys yhtä rupibakteerilajia vastaan osoittaa kestävyyttä myös toista vastaan. Pohjanrupibakteeri esti tavallisen rupibakteerin kasvua laboratoriokokeissa, mikä viittaa siihen, että nämä rupibakteerilajit ovat kilpailijoita keskenään. Pohjanrupibakteeri lisäsi tautiriskiä ja oireiden ankaruutta sekä kasvoi alhaisessa pH:ssa. Kaiken kaikkiaan pohjanrupibakteeri osoittautui tavallista rupibakteeria sopeutuvammaksi ja kilpailukykyisemmäksi ruvenaiheuttajaksi ja sitä tavattiin yleisesti kaikilla tutkimuspelloilla. Perunarupea aiheuttavat Streptomyces-lajit tuottavat fytotoksiineja, takstomiineja, jotka ovat edellytys rupioireiden synnylle. Tässä työssä selvitettiin mahdollisuuksia hyödyntää takstomiineja ruvenkestävyysjalostuksessa. Laboratorio-oloissa tuotettiin takstomiinin neljää eri komponenttia, joista takstomiini-A:ta oli runsaimmin. Kaikki komponentit aiheuttivat perunalla samanlaisia oireita. Perunagenotyyppien takstomiini-A:n sietokyky solukkoviljelyssä ja näiden genotyyppien ruvenkestävyys rupibakteerien saastuttamilla pelloilla olivat yhteneviä. Tämä viittaa siihen, että takstomiini-A:n sietokykyyn perustuvaa laboratoriotestiä voitaisiin käyttää ruvenkestävyysjalostuksen alkuvaiheessa esimerkiksi alttiimpien genotyyppien poisvalitsemiseen risteytysaineistosta. Perunapelloilla voi kehittyä luonnostaan rupibakteereille antagonistinen mikrobilajisto. Aiemmissa tutkimuksissa näiksi antagonisteiksi ovat usein osoittautuneet sädebakteerien ei-patogeeniset eli tautia aiheuttamattomat lajit tai kannat. Tässä työssä tutkittiin mahdollisuutta hyödyntää ei-patogeenisia sädebakteerikantoja ruventorjunnassa. Rupilaikusta eristetty sädebakteerikanta (346) sekä kaupallisen biotorjunta-aineen sädebakteerikanta (K61) kasvoivat laajalla pH-alueella, hidastivat rupibakteerien kasvua laboratorio-oloissa sekä estivät pohjanrupibakteerin aiheuttamien rupioireiden kehittymistä kasvihuoneessa. Lisäksi kenttäkokeissa kanta 346 vähensi rupibakteerien, etenkin pohjanrupibakteerin elävyyttä rupilaikuissa. Näissä kokeissa saatiin ensimmäistä kertaa viitteitä biologisen torjunnan tehosta pohjanrupibakteeria vastaan ja tuloksia voidaan hyödyntää biologisen ruventorjuntamenetelmän kehittämisessä.