Studies on the biological and molecular variation among seven isolates of Pratylenchus penetrans from different geographical locations in Europe

Abstract

The root lesion nematode Pratylenchus penetrans is known to damage major crops of economic importance. For the development of environmentally friendly control practices, a good understanding of the biological and genetic diversity of this species is required. This study aimed to characterize the diversity among seven isolates of P. penetrans collected from different geographical regions based on morphometric and genetic characteristics, their level of reproduction and their pathogenicity on selected hosts. To establish pure cultures of P. penetrans different methods were compared and optimized. Best method in terms of establishment and maintenance of P. penetrans isolates was monoxenic culturing on carrot discs. The identities of P. penetrans isolates were confirmed by morphological and molecular analysis. To characterize the host status of cover crops, reproduction fitness and pathogenicity of the seven P. penetrans isolates, a standard test system was developed. The host status of the tested cover crops ranged from non-hosts (ribwort plantain) through maintenance hosts (daikon radish, rocket and black oat cultivars Panche and Silke) to excellent hosts (lentil and common vetch). The reproductive fitness of the seven P. penetrans isolates was tested in vitro on carrot discs and in vivo on lentil and common vetch. Pathogenicity of those P. penetrans isolates was studied on alfalfa, carrot, fodder radish and French marigold. Differences in reproductive fitness and pathogenicity were observed among P. penetrans isolates. In general, reproductive fitness correlated positively with plant damage, i.e. the higher the reproduction, the higher the damage. Morphometrics of P. penetrans isolates were within the range of the original descriptions, but showed differences in some features to populations reported from other countries, such as body length, a, b and c ratio, maximum body width, tail length and length of the post-vulval uterine sac. According to RAPD analysis, the seven P. penetrans isolates showed a high level of intraspecific genetic variability. Furthermore, genetic similarities between some P. penetrans isolates were reflected in similarities in reproductive fitness, pathogenicity and morphometrics. For example, isolates MN and UK were genetically and morphological similar and showed similar reproductive fitness and pathogenicity. In contrast, isolates BL and MN showing the largest genetic and morphological differences also showed the largest differences in reproductive fitness and pathogenicity. Der Wurzelnematode Pratylenchus penetrans ist ein bekannter Schädling vieler bedeutender Kulturpflanzen. Für die Entwicklung umweltfreundlicher Bekämpfungsmethoden ist ein gutes Verständnis der biologischen und genetischen Diversität dieses Wurzelnematoden erforderlich. In der durchgeführten Forschungsarbeit bestand daher das Ziel, die Diversität von sieben Pratylenchus penetrans-Isolaten, die aus unterschiedlichen geografischen Regionen stammen, bezüglich morphometrischer und genetischer Merkmale zu charakterisieren. Darüber hinaus sollten die Vermehrungsrate und Pathogenität dieser Isolate an ausgewählten Wirtspflanzen geprüft werden. Zur Durchführung der Tests wurden zunächst verschiedene Kultivierungs-Methoden verglichen und optimiert. Als beste Methode zur Vermehrung von P. penetrans hat sich die monoxenische Kultivierung auf Karottenscheiben erwiesen. Zur Identifizierung der Isolate wurden morphologische und molekulare Analysen durchgeführt. Die Bestimmung der Wirtspflanzeneignung der Pflanzen (Catch crops) sowie der Reproduktions-Fitness und Pathogenität der Nematoden-Isolate erfolgte mit einem dafür entwickelten Standard-Test. Die gewonnenen Ergebnisse haben gezeigt, dass in dem untersuchten Pflanzen-Sortiment sowohl Nicht-Wirtspflanzen (z. B. Plantago lanceolata), wie auch Pflanzen mit sehr guter Wirtseignung (z. B. Lens culinaris, Vicia sativa) vorhanden waren. Einige Pflanzen zeigten eine neutrale Reaktion, die P. penetrans weder vermehren, noch reduzieren (z. B. Raphanus sativus var. longipinnatus, Eruca sativa, Avena strigosa cv. Panche und Silke ). Die reproduktive Fitness der Nematoden-Isolate, die in vitro auf Karotten-Scheiben und in vivo bei Linsen und Saat-Wicke untersucht wurden, war recht unterschiedlich und korrelierte positiv mit der Pflanzenschädigung. Eine hohe reproduktive Fitness hatte eine stärkere Schädigung der Pflanze zur Folge. Die Ausprägung der morphometrischen Merkmale der P. penetrans-Isolate lag innerhalb der in der Literatur beschriebenen Variationsbreite. Es wurden jedoch auch morphologische Abweichungen bezüglich Körperlänge, max. Körperbreite, Schwanzlänge und post-vulvaler Uterussack im Vergleich zu Populationen aus anderen Regionen beobachtet.Die durchgeführten RAPD-Analysen brachten ein hohes Maß an intraspezifischer genetischer Variabilität zum Ausdruck. Darüber hinaus wurden genetische Ähnlichkeiten zwischen einigen Isolaten gefunden, die eine vergleichbare reproduktive Fitness, Pathogenität und Morphometrie besaßen. So waren die Isolate aus Münster und Großbritannien genetisch und morphologisch ähnlich und wiesen eine vergleichbare reproduktive Fitness und Pathogenität auf. Im Gegensatz dazu waren die Isolate aus Belgien und Münster genetisch und morphologisch sehr unterschiedlich und wiesen große Unterschiede in der reproduktiven Fitness und Pathogenität auf.