Fritz Lord: Untersuchungen zum Einfluss spezieller Rhizosphärenbakterien auf Pflanzenwachstum und Fusarium spp.–Toleranz bei Spargel (Asparagus officinalis L.) |
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HUMBOLDT-UNIVERSITÄT ZU BERLIN
Untersuchungen zum Einfluss spezieller Rhizosphärenbakterien auf Pflanzenwachstum und Fusarium spp.–Toleranz bei Spargel (Asparagus officinalis L.)
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen GradesDoctor rerum agriculturarum(Dr. rer. agr.)
eingereicht an derLandwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultätder Humboldt-Universität zu Berlin
vonDipl.-Ing.-agr. Fritz
Lord
geboren am 14.05.1963 in Lieser
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Jürgen Mlynek
Dekan: Dekan der Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät:
Prof. Dr. Uwe Jens Nagel
Gutachter:
1. Prof. Dr. Friederike Kaufmann
2. Prof. Dr. Dr. h. c. Helmut Bochow
3. Prof. Dr. Bernd Geyer
Tag der Disputation: 02.12.2002
Für Jutta, Lulu und Fritzi
Abstract
Lord, Fritz: Effects of specific rhizobacteria on plant growth and
Fusarium
spp. tolerance of asparagus (
Asparagus officinalis
L.). Dissertation Humboldt University Berlin, Faculty of agricultural and horticultural science.
The effects of the rhizobacteria Bacillus subtilis, Strain FZB 24, FZB 37and FZB 42, Bacillus pumilus RK 13, Streptomyces graminofaciens N6 and the alga Ascophyllum nodosum (Goemar Fruton Spezial®) on plant growth, yield and Fusarium spp. tolerance of Asparagus officinalis (L.) were investigated. The trials were carried out under field conditions over several years by sawing and planting and as pot trials in the greenhouse and climate chamber with soil naturally infested with Fusarium spp. and with steamed substrates inoculated with particularly Fusarium species.
Asparagus replant soil was considerable higher infested with Fusarium spp. (56 %) than fresh soil without asparagus history (14 %). F. oxysporum was the most determined Fusarium species followed by F. redolens, F. acuminatum, F. culmorum, F. proliferatum, F. solani a.o.. That indicates the complex character of root and crown rot of asparagus. From asparagus plants cultivated in replant soil a significant higher rate of Fusarium isolations (80 %) could be worked out compared to the fresh soil treatment. The root growth in the contaminated soil was extremely reduced. In these conductive situation bacterial treatments with B. subtilis FZB 42 done as rhizom soaking (107cfu/ml) resulted in significantly increased root growth up to 32, 9 % related to the non treated control. B. subtilis FZB 37 was ineffective.
F. oxysporum, F. culmorum and F. proliferatum showed a high pathogenicity to asparagus seedlings, manifested in significantly reduced fresh and dry weights of shoots and roots, while F. acuminatum caused only slight symptoms. None of the tested microorganisms applicated as seed coating (108
cfu/ml) and substrate drenching before pathogen inoculation (107 cfu/ml) could prevent seedlings from being infected by F. oxysporum f. sp. asparagi. The negative effects of infection are significantly compensated by Bacillus subtilis FZB 42 and FZB 24. The results support the conclusion, that induced tolerance is a potential mechanism of bacterial mode of action.
Under field conditions rhizom bacterization of one year old asparagus plants (107 cfu/ml) before planting and additional soil drenching (108 cfu/ml/1,5l/m) during the following two years reduced shoot length, shoot diameter and yield, especially in combination with Goemar Fruton Spezial®. There was no remarkable influence on spear quality. Seed coating with B. subtilis FZB 24 (108 cfu/ml) and a soil drenching (108 cfu/ml/1l/m) in summer however resulted in higher shoots and significantly increased fresh weight and dry substance of roots. But also the other tested microorganisms showed a plant growth promoting trend. There was a significant positive correlation between root fresh weight and number of buds. By spraying the phylloclads four times during the main vegetation season the alga application only gave a slight improvement of plant growth in the field trials.
Keywords:
Bacillus subtilis
,
Bacillus pumilus
,
Streptomyces
,
Fusarium
,
Asparagus,
Plant Growth Promoting Rhizobacteria
Kurzfassung
Lord, Fritz: Untersuchungen zum Einfluss spezieller Rhizosphärenbakterien auf Pflanzenwachstum und
Fusarium
spp.-Toleranz bei Spargel (Asparagus officinalis
L.). Dissertation Humboldt Universität zu Berlin, Landwirtschaftlich-Gärtnerische Fakultät.
Der Einfluss der Rhizosphärenbakterien Bacillus subtilis FZB 24, FZB 37, FZB 42, Bacillus pumilus RK 13 und Streptomyces graminofaciens und des Algenpräparates Goemar Fruton Spezial® (Ascophyllum nodosum) auf Wachstum, Ertrag und Toleranz gegenüber Fusarium spp. bei Spargel wurde untersucht. Es wurden mehrjährige Parzellenfeldversuche und Modellversuche unter kontrollierten Bedingungen mit natürlich Fusarium spp. belasteten Böden und mit speziellen Fusarium Erregern inokulierten Substraten durchgeführt.
Die Analyse des verwendeten Nachbaubodens ergab eine wesentlich höhere Kontamination mit Fusarium spp. (56%) in Relation zum Fruchtfolgeboden (14%). F. oxysporum war die dominante Fusariumart. Desweiteren wurde eine ganze Reihe anderer Arten, wie z.B. F. acuminatum, F. culmorum, F. proliferatum und F. culmorum bestimmt, was die Komplexität der Wurzel- und Stängelfäuleerkrankung belegt. Analog zu diesem Ergebnis konnten im Vergleich zur Fruchtfolgevariante von den in dem Nachbauboden kultivierten Spargelpflanzen signifikant mehr Fusarium spp. (80%) isoliert werden. Das Wurzelwachstum war hier extrem reduziert. Unter diesen konduktiven Bedingungen gelang es durch Rhizombakterisierung (107 cfu/ml) mit B. subtilis FZB 42, eine signifikante Förderung des Wurzelwachstums relativ zur unbehandelten Kontrolle und zur B. subtilis FZB 37 Variante zu erzielen.
In Pathogenitätstests konnten F. culmorum, F. oxysporum und F. proliferatum als bedeutende Spargelpathogene mit signifikant reduzierter Trieb- und Wurzelmasse nachgewiesen werden, während F. acuminatum nur geringe Symptome verursachte. Eine bakterielle Saatgutbeizung (108 cfu/ml) und zusätzliche präinfektionelle Gießapplikation (107 cfu/ml) konnte eine Infektion mit F. oxysporum f.sp. asparagi nicht verhindern. Dennoch waren die negativen Effekte im Vergleich mit der nicht bakterisierten Kontrolle in den B. subtilis Varianten FZB 24 und vor allem bei FZB 42 deutlich kompensiert. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass eine Resistenz- bzw. Toleranzinduktion ein potentieller Wirkmechanismus der Bakterien ist.
In den Feldversuchen erbrachte eine Bakterisierung einjähriger Rhizome (107 cfu/ml) zur Pflanzung und ergänzende Gießbehandlungen (108 cfu/ml/1,5l/m) in den folgenden 2 Jahren eine tendenzielle Reduzierung der Trieblänge und des Triebdurchmessers, insbesondere in Kombination mit dem Algenpräparat. Einen eindeutigen Einfluss auf das Sortierungsergebnis konnte nicht nachgewiesen werden. Im Gegensatz hierzu resultierte eine Saatgutbakterisierung mit B. subtilis FZB 24 in einem generell geförderten Triebwachstum und einer signifikant gesteigerten Wurzelentwicklung. Auch die anderen Mikroorganismen erbrachten eine tendenzielle Wuchsförderung. Es konnte eine gesicherte Korrelation zwischen Wurzelmasse und Knospenanzahl ermittelt werden. Blattapplikationen mit Goemar Fruton Spezial® während der Hauptvegetationsphase hatten keinen Einfluss auf das Pflanzenwachstum.
Eigene Schlagworte:
Bacillus subtilis
,
Bacillus pumilus
,
Streptomyces
,
Fusarium
,
Spargel,
Rhizosphärenbakterien
Inhaltsverzeichnis
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Einleitung
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1.
Erkenntnisstand
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1.1. Pathogene der Gattung
Fusarium
- Haupterreger der Wurzel- und Stängelfäule des Spargels
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1.2. Antagonistische Mikroorganismen in der Rhizosphäre
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2.
Zielsetzung und Aufgabenstellung
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3.
Material und Methoden
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3.1. Modellversuche
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3.1.1. Untersuchungen zum Einfluss von Rhizosphärenbakterien auf das Pflanzenwachstum in unterschiedlich pathogenbelasteten Erden
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3.1.1.1. Beschreibung der Prüfglieder und Erdherkünfte
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3.1.1.2.
Pflanzmaterial und Mikroorganismenapplikation
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3.1.1.3.
Kulturführung 1997 und 1998
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3.1.2. Untersuchungen zur Pathogenität der verwendeten Fusarium-Isolate
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3.1.3. Prüfung präinfektioneller Bakterienbehandlungen auf die Pflanzen-entwicklung
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3.1.3.1. Einsatz von Bacillus subtilis FZB24 gegen spezielle pathogenrelevante Fusarium spp.
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3.1.3.2. Prüfung potentieller Fusarium-Antagonisten im Pathosystem Asparagus
officinalis-Fusarium oxysporum f. sp. asparagi
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3.1.3.2.1. Anzucht und Bakterisierung der Versuchspflanzen
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3.1.3.2.2. Inokulumgewinnung und Applikation
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3.2. Parzellenfeldversuche
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3.2.1. Standortbedingungen
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3.2.2.
Beschreibung der Prüfglieder
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3.2.3.
Jungpflanzenversuch
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3.2.3.1. Pflanzmaterial und Mikroorganismenapplikation
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3.2.3.2.
Kulturführung 1997 bis 1999
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3.2.4.
Aussaatversuche
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3.3.
Bonitur und Untersuchungsmethoden
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3.3.1. Pflanzenentwicklung
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3.3.2. Erntemenge und Stangenqualität
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3.3.3. Fusariumnachweis in den Pflanzenorganen und Bodenproben
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3.3.3.1. 3.3.3.1Differenzierung des Erregerspektrums
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3.3.4. Statistische Auswertung der Untersuchungsergebnisse
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4.
Ergebnisse
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4.1. Modellversuche
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4.1.1. Einfluss spezieller Rhizosphärenbakterien auf Pflanzenentwicklung und Fusariuminfektion in konduktiver (Nachbau) und nicht konduktiver Erdsituation (Fruchtfolge)
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4.1.2. Beurteilung der Pathogenität der verwendeten Fusariuminokula
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4.1.3. Einfluss von Bacillus subtilis FZB24 auf das Pflanzenwachstum bei Substratinokulation mit ausgesuchten Fusarium spp.
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4.1.4. Effektivität präinfektioneller Behandlungen mit speziellen Rhizosphärenbakterien im Pathosystem Asparagus officinalis-Fusarium oxysporum f. sp. asparagi
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4.1.4.1. Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum
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4.1.4.2. Einfluss auf das Infektionsverhalten von Fusarium oxysporum f. sp. asparagi
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4.2. Resultate der Parzellenfeldversuche
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4.2.1. Jungpflanzenversuch
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4.2.1.1. Beeinflussung der Pflanzenproduktivität
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4.2.1.2.
Spargelernte und Qualität
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4.2.1.3. Determinierung des Fusariumspektrums
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4.2.2. Aussaatversuche
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4.2.2.1. Einfluss spezieller Rhizosphärenbakterien auf die Pflanzenentwicklung
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4.2.2.2. Einfluss auf das Trieblängenwachstum
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4.2.2.3. Auswirkung auf das Wurzelwachstum
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5.
Diskussion und Schlussfolgerungen
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5.1. Einfluss spezieller Rhizosphärenbakterien auf die Pflanzenentwicklung unter praxisnahen Feldbedingungen
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5.2. Fusariumspektrum
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5.3. Effektivität einer Fusariumprophylaxe durch Einsatz antagonistischer Rhizosphärenbakterien
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6.
Zusammenfassung
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ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
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ANHANG
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LITERATURVERZEICHNIS
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Danksagung
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Eidesstattliche Erklärung
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Lebenslauf
Tabellen
Bilder
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Abb. 1: Charakteristisches Schadsymptom (Wurzelschläuche) von Fusarium oxysporum.
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Abb. 2: Monatsmittelwerte der Lufttemperatur und des Niederschlages im Versuchsjahr 1997 in Relation zum langjährigen Mittel (1961-1990).
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Abb. 3: Tagesmittelwerte der Bodentemperaturen und Tageswerte des Niederschlages in der Hauptentwicklungsphase des Spargels (Aussaat bzw. Pflanzung bis Ende September) 1997. Die gekennzeichneten Niederschlagssäulen stellen die Bewässerungsgaben in den Versuchsparzellen dar. * = Aussaatversuch, ° = Jungpflanzenversuch.
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Abb. 4: Monatsmittelwerte der Lufttemperatur und des Niederschlages im Versuchsjahr 1998 in Relation zum langjährigen Mittel.
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Abb. 5: Tagesmittelwerte der Bodentemperaturen und Tageswerte des Niederschlages in der Hauptentwicklungsphase des Spargels 1998. Die gekennzeichneten Niederschlagssäulen stellen die Bewässerungsgaben in den Versuchsparzellen dar.* = Aussaatversuch, ° = Jungpflanzenversuch.
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Abb. 6: Monatsmittelwerte der Lufttemperatur und des Niederschlages im Versuchsjahr 1999 in Relation zum langjährigen Mittel.
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Abb. 7: Tagesmittelwerte der Bodentemperaturen und Tageswerte des Niederschlages in der Hauptentwicklungsphase des Spargels 1999. Die gekennzeichneten Niederschlagssäulen stellen die einzelnen Bewässerungstermine in den Versuchsparzellen dar. * = Aussaatversuch, ° = Jungpflanzenversuch.
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Abb. 8: Schaffung von Wurzelkompartimenten durch eingelassene Kunststoffbänder (Pfeil).
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Abb. 9: Wurzelhabitus zum Zeitpunkt der Bakterien-Applikation.
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Abb. 10: Sortierungklassen.
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Abb. 11: Makrosporen von Fusarium culmorum
(x500).
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Abb. 12: Makrosporen von Fusarium acuminatum (x500).
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Abb. 13: Makrospore von Fusarium oxysporum (x500) mit hakenförmiger Apikalzelle (Pfeil).
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Abb. 14: Typisch keulenförmige Phialide (Pfeil) mit Mikrosporen von Fusarium oxysporum (x500).
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Abb. 15: Fusarium
-Kontamination Erdherkunft Zepernick (Fruchtfolge).
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Abb. 16: Fusarium
-Kontamination Erdherkunft Möringen (Nachbau).
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Abb. 17: Einfluss einer Rhizombehandlung einjähriger Spargelpflanzen mit speziellen Rhizosphärenbakterien auf die Wurzelfrischmasse [g] = WFM und Wurzeltrockensubstanz [%] = WTS nach Gefäßkultur in nachbaufreier Erde (Fruchtfolge, gering mit Fusarium belastet) 1997. Darstellung der Relativwerte zur unbehandelten Kontrolle. Mit * gekennzeichnete Säulen unterscheiden sich hierzu signifikant nach Tukey- bzw. Nemenyi-Test (p ≤ 0,05).
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Abb. 18: Einfluss einer Rhizombehandlung einjähriger Spargelpflanzen mit verschiedenen Bacillus subtilis-Stämmen auf die Wurzelfrischmasse [g] = WFM und Wurzeltrockensubstanz [%] = WTS nach Gefäßkultur in nachbaufreier Erde (Fruchtfolge, gering mit Fusarium belastet) 1998. Darstellung der Relativwerte zur unbehandelten Kontrolle. Mit * gekennzeichnete Säulen unterscheiden sich hierzu signifikant nach Tukey- bzw. Nemenyi-Test (p ≤ 0,05).
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Abb. 19: Einfluss einer Rhizombehandlung einjähriger Spargelpflanzen mit speziellen Rhizosphärenbakterien auf die Wurzelfrischmasse [g] = WFM und Wurzeltrockensubstanz [%] = WTS nach Gefäßkultur in der gering pathogenbelasteten Erdsituation ZM (Mischung Zepernicker Fruchtfolgerde mit Möringer Nachbauerde im Verhältnis 1:1). Darstellung der Relativwerte zur unbehandelten Kontrolle. Mit * gekennzeichnete Säulen unterscheiden sich hierzu signifikant nach Tukey- bzw. Nemenyi-Test (p ≤ 0,05).
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Abb. 20: Einfluss einer Rhizombakterisierung einjähriger Spargeljungpflanzen mit verschiedenen Bacillus
subtilis-Stämmen auf die Wurzelfrischmasse [g] und Wurzeltrockensubstanz [%] nach Gefäßkultur in konduktiver Erdsituation (Nachbau). Darstellung der Relativwerte zur unbehandelten Fruchtfolge-Kontrolle. Mit * gekennzeichnete Säulen sind hierzu signifikant nach Nemenyi-Test (p ≤ 0,05).
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Abb. 21: Effektivität verschiedener Bacillus subtilis-Stämme unter konduktiver Erdbedingung Nachbau, stark mit Fusarium belastet. Darstellung der Wurzelfrischmasse [g] und Wurzeltrockensubstanz [%] als Relativwerte zu der nicht bakterisierten Kontrolle. Mit * gekennzeichnete Säulen sind signifikant nach Nemenyi-Test (p ≤ 0,05).
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Abb. 22: Einfluss einer Rhizombehandlung einjähriger Spargeljungpflanzen mit speziellen Rhizosphärenbakterien auf die Gesamttrieblänge (TLGES) nach Gefäßkultur in Fruchtfolge-Erde (Z) und Mischerde Fruchtfolge/Nachbau (ZM) 1997. Darstellung der Relativwerte zur unbehandelten Kontrolle. Mit * gekennzeichnete Säulen unterscheiden sich signifikant nach Nemenyi-Test (p ≤ 0,05).
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Abb. 23: Einfluss einer Rhizombehandlung einjähriger Spargeljungpflanzen mit speziellen Rhizosphärenbakterien auf die Gesamttrieblänge (TLGES) nach Gefäßkultur in Fruchtfolgeerde (Z) und Nachbauerde (M) 1998. Darstellung der Relativwerte zur unbehandelten Kontrolle.
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Abb. 24: 12 Wochen alte Spargelsämlinge nach Kultur in Fusarium acuminatum kontaminiertem Substrat. Aufnahme 6 Wochen nach Inokulation in Relation zur Kontrolle (links).
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Abb. 25: 12 Wochen alte Spargelsämlinge nach Kultur in Fusarium culmorum kontaminiertem Substrat. Aufnahmen 6 Wochen nach Inokulation in Relation zur Kontrolle (links).
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Abb. 26: 12 Wochen alte Spargelsämlinge nach Kultur in Fusarium oxysporum kontaminiertem Substrat. Aufnahmen 6 Wochen nach Inokulation in Relation zur Kontrolle (links).
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Abb. 27: 12 Wochen alte Spargelsämlinge nach Kultur in Fusarium proliferatum
kontaminiertem Substrat. Aufnahmen 6 Wochen nach Inokulation in Relation zur Kontrolle (links).
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Abb. 28: Einfluss pathogenrelevanter Fusarium spp. auf die Triebfrischmasse [g] = TFM und die Wurzelfrischmasse [g] = WFM junger Spargelsämlinge nach Substratinokulation. Darstellung der Relativwerte zur unbehandelten Kontrolle (= 100%). Mit * gekennzeichnete Säulen unterscheiden sich signifikant hierzu nach Nemenyi-Test (p ≤ 0,05).
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Abb. 29: Einfluss einer Saatgutbeizung und additionalen Gießbehandlung mit Bacillus subtilis FZB24 auf die Entwicklung junger Spargelsämlinge nach Substratinokulation mit pathogenrelevanten Fusarium spp. Darstellung der Triebfrischmasse [g] = TFM, Triebtrockenmasse [g] = TTM, Wurzelfrischmasse [g] = WFM und Wurzeltrockenmasse [g] = WTM relativ zur Kontrolle = 100%. Mit * gekennzeichnete Säulen unterscheiden sich hierzu signifikant nach Nemenyi-Test (p ≤ 0,05).
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Abb. 30: Einfluss einer Saatgutbakterisierung und additionalen Gießbehandlung auf die Entwicklung junger Spargelsämlinge nach Kultur in Fusarium oxysporum f. sp. asparagi inokuliertem Substrat. Darstellung der Wurzelfrischmasse (WFM), Wurzeltrockenmasse (WTM), Triebfrischmasse (TFM) und der Triebtrockenmasse (TTM) relativ zur Gesundkontrolle (= 100%). Mit * gekennzeichnete Säulen unterscheiden sich signifikant hierzu nach Nemenyi-Test (p ≤ 0,05).
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Abb. 31: Einfluss einer Saatgutbakterisierung und additionalen Gießbehandlung auf die Entwicklung junger Spargelsämlinge nach Kultur in Fusarium oxysporum f. sp. asparagi inokuliertem Substrat. Darstellung der Wurzelfrischmasse (WFM), Wurzeltrockenmasse (WTM), Triebfrischmasse (TFM) und Triebtrockenmasse (TTM) relativ zur infizierten Kontrolle. Mit * gekennzeichnete Säulen unterscheiden sich signifikant hierzu nach Nemenyi-Test (p ≤ 0,05).
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Abb. 32: Einfluss spezieller Rhizosphärenbakterien auf die Gesamttrieblänge (TLGES) und den Gesamttriebdurchmesser (TDGES) junger Spargelpflanzen in der ertragslosen Phase 1997-1998. Applikationsmodus: Rhizomtauchung bei Pflanzung und additionale Gießbehandlungen jeweils im Juli. Darstellung der Relativwerte zur unbehandelten Kontrolle.
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Abb. 33: Einfluss spezieller Rhizosphärenbakterien auf die Gesamttrieblänge (TLGES) und den Gesamttriebdurchmesser (TDGES) junger Spargelpflanzen im ersten Stechjahr 1999. Applikationsmodus: Rhizomtauchung bei Pflanzung und additionale Gießbehandlungen jeweils im Juli. Darstellung der Relativwerte zur unbehandelten Kontrolle.
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Abb. 34: Einfluss spezieller Rhizosphärenbakterien auf das Ertragsverhalten im ersten Erntejahr 1999 bei Spargel. Applikationsmodus: Rhizomtauchung bei Pflanzung und additionale Gießbehandlungen jeweils im Juli. Darstellung des Gesamtertrags und Marktertrags relativ zur unbehandelten Kontrolle.
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Abb. 35: Einfluss spezieller Rhizosphärenbakterien auf die Stangenqualität im ersten Erntejahr 1999 bei Spargel. Applikationsmodus: Rhizomtauchung bei Pflanzung und additionale Gießbehandlungen jeweils im Juli. Darstellung des prozentualen Sortierungsanteils HKL Extra + HKL I am Marktertrag in Relation zur unbehandelten Kontrolle.
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Abb. 36: Von symptomatischen Spargelpflanzen (Stängelgrundproben) des Jungpflanzenversuches im Freiland isolierte Fusarium-Erreger; Probenahme am 08.10.1997, n = 100.
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Abb. 37: Einfluss spezieller Rhizosphärenbakterien auf die Gesamttrieblänge bei Spargelsämlingen nach Saatgutbeizung und zusätzlichen Gießbehandlungen im Juli (Versuchsmittel 1997-1998). Darstellung der Relativwerte zur unbehandelten Kontrolle.
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Abb. 38: Einfluss spezieller Rhizosphärenbakterien auf Wurzelfrischmasse [g] = WFM und Wurzeltrockensubstanz [%] = WTS bei Spargelsämlingen nach Saatgutbeizung und additionalen Gießbehandlungen (Versuchsmittel 1997-1998). Darstellung der Relativwerte zur unbehandelten Kontrolle. Mit * gekennzeichnete Säulen unterscheiden sich signifikant nach Tukey-Test (p ≤ 0,05).
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Abb. 39: Einfluss spezieller Rhizosphärenbakterien auf Wurzel- (WA) und Knospenanzahl (KA) pro Rhizom bei Spargelsämlingen nach Saatgutbeizung und additionalen Gießbehandlungen 1998. Darstellung der Relativwerte zur unbehandelten Kontrolle.
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Abb. 40: Beziehung zwischen Wurzelfrischmasse und Knospenanzahl. Grafik der Werte-Punktwolke mit der Regressionsgeraden.
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DiML DTD Version 3.0 | Zertifizierter Dokumentenserver der Humboldt-Universität zu Berlin | HTML-Version erstellt am: 03.03.2004 |