Faculté des sciences

Factors that determine the effectiveness of entomopathogenic nematodes in combination with other beneficial soil organisms to control root herbivores

Chiriboga Morales, Xavier ; Turlings, Ted (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2017.

Belowground ecosystems are inhabited not only by organisms that represent a threat to plants (e.g. root herbivores and pathogens), but also by organisms that provide protection to these antagonists (e.g. entomopathogenic nematodes, mychorrizal fungi and root associated bacteria). Herbivore-induced root volatiles, such as the sesquiterpene E-(β)-caryophyllene, are an indirect defense in... More

Add to personal list
    Résumé
    Les écosystèmes souterrains sont habités non seulement par des organismes qui représentent une menace pour les plantes (e.g. herbivores se nourrissant de racines et pathogènes), mais aussi par des organismes qui procurent une protection contre ces antagonistes (e.g. nématodes entomopathogènes, champignons mycorhiziens et bactéries associées aux racines). Les volatiles des racines émis par des herbivores, tels que le sesquiterpene E-(β)-caryophyllene, constituent des défenses indirectes chez les plantes de maïs, qui attirent les nématodes entomopathogènes vers l’habitat de leurs hôtes. Les nématodes entomopathogènes (EPN) infectent et tuent facilement les herbivores mangeurs de racines, tel que le ravageur du maïs D. virgifera virgifera, procurant ainsi une protection à la plante émettrice. Certaines bactéries associées aux racines du genre Pseudomonas bénéficient aussi à la plante en améliorant sa croissance, en supprimant des pathogènes et en induisant une résistance systémique (ISR). Quelques souches de Pseudomonas possèdent aussi une activité insecticide. Les champignons mycorhyziens arbusculaires (AMF) sont des symbiotes bénéfiques qui colonisent les racines de la majorité des plantes terrestres, facilitent l’absorption d’eau et de nutriments de leur plante hôte et contribuent à l’amélioration de la tolérance de leur plante hôte face aux stresses biotiques et abiotiques.
    Cette thèse explore comment les facteurs abiotiques (e.g. texture et humidité du sol) et biotiques (e.g. bactéries associées aux racines) affectent l’émission et la fonction de un volatile de racines induis par des herbivores E-(β)-caryophyllene, un attracteur d’EPN, chez les plantes de maïs. De plus, nous avons examiné comment l’application simple et combinée d’EPN, Pseudomonas bacteria, ainsi que les AMF, peuvent augmenter les performances de culture de blé dans des conditions réalistes de terrain, et suivis leur persistance après augmentation.
    En utilisant des analyses de chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse, nous avons trouvé que la E-(β)-caryophyllene se diffuse mieux lorsque l’humidité est élevée dans les sols agricoles (20%), ce qui est l’opposé du sable pur, où la diffusion est meilleure dans des conditions plus sèches. Nous avons aussi mis en évidence que ce signal produit par les racines recrute les EPN Heterorhabditis megidis de manière plus efficace dans un sol limon-argileux comparé aux autres types de sol (Chapitre 1). De plus, nous avons découvert que la colonisation des racines par les bactéries Pseudomonas protegens CHA0 augmentent l’émission de E-(β)-caryophyllene de racines de maïs infestées par D. balteata. Cela fut confirmé grâces aux analyses de qPRC de l’expression des gènes responsables de la synthèse de terpene Zm-tps23 dans les racines de maïs. Les larves de D. balteata avaient tendance à prendre plus de poids et à causer plus de dégâts quand elles se nourrissaient durant trois jours sur des racines colonisées par P. protegens CHA0, alors que la tendance opposée a été observée pour les larves se nourrissant de racines colonisées par P. chlororaphis PCL, résultant en un niveau plus bas de dégâts infligés aux racines (Chapitre 3).
    Lors d’expériences de terrains avec du blé, nous avons trouvé que, après application, les EPN, les bactéries Pseudomonas, et les AMF persistent dans le sol jusqu’à la fin de la saison de culture, malgré un déclin considérable des populations au cours du temps. Des applications simples de P. protegens CHA0 et P. chlororaphis PCL, ainsi qu’en combinaison avec les EPN H. bacteriophora ont augmenté la survie des jeunes plantes lorsqu’elles étaient infestés avec des larves de frit flies et mouches de Hesse. De plus, les combinaisons avec P. protegens CHA0, P. chlororaphis PCL et H. bacteriophora ont conduit à une augmentation significative de la production de graines de blé en condition d’attaque de flies. La survie des jeunes plantes, sous attaque d’insecte, avait tendance à être supérieure dans les traitements inoculés avec des AMF Rhizoglomus irregulare (Chapitre 2).
    Finalement, lors d’une expérience avec des pots, nous avons testé l’efficacité de certaines combinaisons d’EPN et de bactéries associées aux racines afin de lutter contre les larves de D. balteata dans la rhizosphère de plantes de courge. Nous avons seulement trouvé une différence marginale parmi les traitements. La combinaison de P. protegens et H. bacteriophora, les bactéries peuvent présenter un effet antagoniste contre les EPN et/ou leur bactéries entériques. H. bacteriophora seul a entraîné une plus haute mortalité que les bactéries P. protegens CHA0. La combinaison de P. chlororaphis PCL avec des EPN Steinernema feltiae a augmenté la mortalité des larvae compare avec le traitement avec P. chlororaphis PCL seul. Cependant, la mortalité des larves dans le traitement combinant S. feltiae et P. chlororaphis n’était pas différent de la mortalité observée avec S. feltiae seul.
    Summary
    Belowground ecosystems are inhabited not only by organisms that represent a threat to plants (e.g. root herbivores and pathogens), but also by organisms that provide protection to these antagonists (e.g. entomopathogenic nematodes, mychorrizal fungi and root associated bacteria). Herbivore-induced root volatiles, such as the sesquiterpene E-(β)-caryophyllene, are an indirect defense in maize plants that attract entomopathogenic nematodes to their host habitat. Entomopathogenic nematodes (EPN) readily infect and kill root herbivores, such as the voracious maize pest D. virgifera virgifera, thereby providing protection to the emitting the plant. Certain root-associated bacteria of the genus Pseudomonas also benefit plants by promoting growth, suppressing pathogens or inducing systemic resistance (ISR). Some Pseudomonas strains also have insecticidal activity. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are beneficial symbionts that colonize the roots of the majority of land plants, promote water and nutrients uptake in their host plant and contribute to enhance tolerance of their host plants to biotic and abiotic stresses.
    This thesis explores how abiotic (e.g. soil texture and moisture) and biotic (e.g. root-associated bacteria) factors affect the emission and function of the herbivore-induced root volatile E-(β)-caryophyllene, an EPN attractant, in maize plants. Furthermore, we investigated how the single and combined application of EPN, Pseudomonas bacteria, and AMF can enhance wheat crop performance under realistic field conditions and traced their persistence after augmentation.
    Using gas chromatography-mass spectrometry analyses, we found that E-(β)-caryophyllene diffuses best when humidity in agricultural soils is high (20%), which is the opposite from pure sand, where diffusion is best under drier conditions. We also found that this root-produced signal recruits the EPN Heterorhabditis megidis more efficiently in clay loam soils than in any other type of soil (Chapter 1). Furthermore, we discovered that root-colonization by the bacterium Pseudomonas protegens CHA0 enhances the emission of E-(β)-caryophyllene from D. balteata-infested maize roots. This was confirmed with qPRC analyses of the expression of the terpene synthase gene Zm-tps23 in maize roots. Rootworm larvae tended to gain more weight and cause more damage when feeding for three days on roots colonized by P. protegens CHA0, whereas the opposite trend was found for larvae that fed on P. chlororaphis PCL-colonized roots, resulting in lower levels of root damage (Chapter 3).
    In field trials with wheat, we found that, after application, EPN, Pseudomonas bacteria, and AMF persisted in the soil and persisted until the end of the cropping season, although populations declined considerably over time. Single applications of P. protegens CHA0 and P. chlororaphis PCL, as well as their application with the EPN H. bacteriophora improved seedlings survival in plots where the wheat plants were infested by larvae of the frit flies and hessian flies. Moreover, the combination of P. protegens CHA0, P. chlororaphis PCL and H. bacteriophora resulted in a significant increase of wheat seed productivity under frit-flies stress. Seedling survival, under insect attack, tended also to be higher in plots inoculated with the AMF Rhizoglomus irregulare (Chapter 2).
    Finally, in pot experiments we tested the efficacy of certain combinations of EPN and root-associated bacteria to control D. balteata larvae in the rhizosphere of squash plants. We only found a marginal difference between treatments. The combination of P. protegens plus H. bacteriophora, the bacteria may display an antagonism against the EPN and/or its enteric bacteria. H. bacteriophora alone resulted in significant higher mortality than the bacteria P. protegens CHA0. The combination of P. chlororaphis PCL with the EPN Steinernema feltiae enhanced larvae mortality comparing with the treatment with P. chlororaphis PCL alone. But, larvae mortality in the combination S. feltiae plus P. chlororaphis was not different from mortality with S. feltiae alone (Chapter 2-Apendix).
    Summary
    Los ecosistemas subterráneos están habitados no solamente por organismos que representan una amenaza para las plantas (ejem: herbívoros de raíz y patógenos), pero también por organismos que proveen las protejen de estos antagonistas (ejem: nemátodos entomopatógenos, hongos micorrízicos y bacterias asociadas de raíz). En plantas de maíz, los volátiles de raíz inducidos por herbívoros, como el (E)-β-cariofileno, son una defensa indirecta que atrae nemátodos entomopatógenos al hábitat de su hospedero. Los nematodos entomopatógenos (NEP) localizan a los insectos herbívoros de raíz, inmediatamente, infectan y matan, como a la voraz plaga del maíz Diabrotica virgifera virgifera, protegiendo a la planta emisora de daños posteriores. Ciertas bacterias asociadas a raíz del género Pseudomonas también benefician a la planta promoviendo el crecimiento, suprimiendo patógenos o induciendo Resistencia Inducida (RSI). Se sabe que algunas cepas de Pseudomonas también tienen actividad oral insecticida. Los hongos micorrízicos arbusculares (HMA) son simbiontes benéficos que colonizan la mayoría de plantas terrestres, facilitan la adquisición de agua y nutrientes a su planta hospedera y contribuyen a incrementar su tolerancia a estreses bióticos y abióticos.
    En esta tesis exploramos cómo factores abióticos (ejem: textura de suelo y humedad de suelo) y bióticos (ejem: bacterias asociadas a raíz) afectan la función y emisión del vólatil de raíz inducido por herbívoro (E)-β-cariofileno, un atrayente de NEP en plantas de maíz. Además, investigamos cómo aplicaciones individuales y combinadas de NEP, bacterias Pseudomonas y HMA pueden fortalecer el desarrollo del cultivo de trigo en condiciones reales de campo y trazamos su persistencia en el suelo después de la inoculación.
    Usando cromatografía de gases-espectrometría de masas, encontramos que (E)-β-cariofileno se difunde mejor cuando la humedad es alta en suelos agrícolas (20%), lo cual es opuesto a la difusión en arena pura, donde la difusión es mejor en condiciones de menor humedad. También encontramos que esta señal producida por raíces recluta el NEP Heterorhabditis megidis más eficientemente en suelos arcillo-limosos que en otros tipos de suelo (Capítulo 1). Además, descubrimos que la colonización de raíz por la bacteria Pseudomonas protegens CHA0 incrementa la producción de (E)-β-cariofileno en raíces de maíz infestadas por larvas del insecto D. balteata. Esto fue confirmado mediante análisis de la expresión del gen Zm-tps23 en raíces de maíz con rt-PCR. Las larvas del insecto de raíz tendieron a ganar más peso y causar más daño cuando se alimentaron por 72 horas en raíces colonizadas por P. protegens CHA0; mientras la tendencia opuesta fue hallada para larvas que se alimentaron en raíces colonizadas por P. chlororaphis PCL resultando en niveles menores de daño de raíz (Capítulo 3).
    En ensayos de campo en trigo, encontramos que después de la inoculación, NEP, bacterias Pseudomonas y HMA persistieron en el suelo hasta el final del ciclo de cultivo, aunque las poblaciones declinaron el transcurso del tiempo. Aplicaciones individuales de P. protegens CHA0 y P. chlororaphis PCL, así como su aplicación con el NEP H. bacteriophora mejoraron la sobrevivencia de plantitas de trigo en parcelas que infestadas por moscas del trigo y por moscas de los pastos. Además, la combinación de P. protegens CHA0, P. chlororaphis PCL y H. bacteriophora resultó en un incremento significativo de la productividad de semillas de trigo bajo condiciones de estrés por las moscas. La sobrevivencia de plantitas también tendió a ser más alta en parcelas inoculadas con el HMA Rhizoglomus irregulare (Capítulo 2).
    Finalmente en experimentos en macetas probamos la eficacia de combinaciones de NEP y bacterias asociadas a raíz para el control de larvas de D. balteata en la rizósfera de plantas de zuquini. Encontramos solamente una diferencia marginal entre tratamientos. La combinación de P. protegens más H. bacteriophora, la bacteria podría mostrar un antagonismo en contra del NEP y/o su bacteria entérica. H. bacteriophora causó una mortalidad significativamente más alta que la bacteria P. protegens CHA0. La combinación de P. chlororaphis con el NEP Steinernema feltiae resultó en un incremento de la mortalidad comparando con el tratamiento individual con P. chlororaphis. Pero la mortalidad en la combinación de Steinernema feltiae con P. chlororaphis no fue diferente de la mortalidad causada por S. feltiae (Capítulo 2-APÉNDICE).