Fusarium tracheomycosis of Coffea arabica in Ethiopia : a challenge for an indigenous trichoderma mycoparasites?

Abstract

Zusammenfassung Die Entwicklung sesshafter Landwirtschaft in Ethiopien vor 2000 Jahren war stark durch den Anbau von Kaffee (Coffee arabica L.) beeinflusst, der in dieser Gegend heimisch ist. Zur Zeit liegt die Ausbeute an kaffee unter den nationalen Erwartungen da es durch Befall von Fusarium xylarioides und anderen Fusarium Arten zu hohen Einbussen kommt. Die Hypothese dieser Arbeit war daß - da Kaffee aus Ethiopien stammt - hier auch die höchste Biodiversität sowohl an seinen Schädlingen als auch an potnetiellen Antagonisten derselben anzutreffen ware. Ich habe daher die Biodiversität der Tracheomykose-assoziierten Fusarium spp., und von Arten des potentiellen Biokontrollpilzes Trichoderma mit Hilfe integrierter molekularer und phylogenetischer Analysenmethoden untersucht. Für Trichoderma wurden in 4 bedeutenden Kaffeeanbaugebieten 134 Isolate aus der Kaffee-Rhizosphäre and 53 Isolate als Wurzel-Endophyten gesammelt. Die molekulare Speziesidentifizierung wies einen hohen Grad an Biodiversität auf (Simpson's Index D 0.85). Acht bekannte (T. hamatum, H. lixii/T. harzianum, T. spirale, H.<br />koningiopsis/T. koningiopsis, T. asperellum, H. atroviridis/T.<br />atroviride, T. gamsii, T. longibrachiatum)) und neun neue Arten wurden in der Rhizosphäre gefunden. Bei den Endophyten wurden 53 Trichoderma Isolate erhalten welche zu 4 Arten, davon zwei bekannte (T. harzianum, T. hamatum) and zwei neue (T.sp.CPK1833 und T. coffeunum) gehörten.<br />Pflanzen mit Tracheomykose Symptomen wiesen Isolate des F. oxysporum Spezies Komplex (FOC) and F. xylarioides (80% and 20%) auf. FOCs konnten aus allen Pflanzungen erhalten waerden, während F. xylarioides nur an kultivierten Pflanzen beobachtet werden konnte. Molekulare Analysen entdeckten sowohl rezente als auch anziente Phylotypen des EF1-alpha Gens und der Mating Type Gene von F. xylarioides, was den Schluss zuläßt daß die pathogenen Stämme nicht mit C. arabica koevolvierten sondern über Westafrika eingeschleppt wurden. Die hohe genetische Diversität der FOC Isolate wiederum läßt darauf schliessen daß diese an C. arabica stark diversifizieren. Die aus der Rhizosphäre stammenden Trichoderma Isolate T. sp.CPK 2612 and T.sp.CPK 1833, sowie alle endophytischen Isolate zeigten hohes Biokontrollpotential. Die vorliegende Untersuchung zeigt daher eine komplexe genetische Struktur sowohl von Trichoderma als auch Fusarium. Weitere Untersuchungen zur Populatonsdynamik des pathogen und seines potentiellen Antagonisten dienen. Diese Kenntnisse können in "integrated disease management" eingebaut warden und damit der Bekämpfung der Tracheomykose helfen.

ABSTRACT Establishment of settled agriculture in Ethiopia 2000 years ago was largely based on coffee (Coffee arabica L.) which is native to the area.<br />Currently, the national average of coffee yield is below the potential estimates because of coffee wilt diseases caused by Gibberella xylarioides and other Gibberella/Fusarium species. Since Ethiopia is the origin of coffee, it is reasonable to assume the highest diversity of both coffee-pathogens and associated antagonists. To verify this hypothesis, diversity of tracheomycosis associated Fusarium spp. and species of the mycoparasitic genus Hypocrea/Trichoderma, which could be used as agents of biological control, were examined using an integrated molecular phylogenetic analyses. For Hypocrea/Trichoderma, 134 rhizosphere and 53 endophytic isolates were collected from major coffee growing regions. The corresponding results indicated a very high level of diversity (Simpson's Index of Diversity D of 0.85). Eight known species (T. hamatum, H. lixii/T. harzianum, T. spirale, H.<br />koningiopsis/T. koningiopsis, T. asperellum, H. atroviridis/T.<br />atroviride, T. gamsii, T. longibrachiatum) and 9 new taxa (potentially new species) were found in the rhizosphere. On the other hand, 53 endophytic Trichoderma isolates belonged to 4 species of which 2 were known taxa (H. lixii/T. harzianum, T. hamatum) and 2 new (T.sp.C.P.K.1833 and T. sp. 'coffeanum') to science. Wilt disease of coffee was associated with members of the F. oxysporum species complex (FOC) and G. xylarioides (80% and 20% of incidence, respectively). FOC were isolated from all types of cropping system whereas G. xylarioides only from cultivated semi-forests. The detection of both presumably ancient and recent haplotypes of G. xylarioides suggests that the pathogenic strains have not coevolved with C. arabica but have presumably been introduced. In contrast, the high genetic diversity of FOC isolates suggests that Ethiopia could be a center of its diversification. The strains T. sp. C.P.K. 2612 and T. sp. C.P.K. 1833 from rhizosphere and all the endophytic Trichoderma isolates were shown to have a high biocontrol potential, the endophytic H. lixii/T.<br />harzianum strains displaying highest levels of antagonism. This study reveals a surprisingly complex genetic structure for both Trichoderma and Fusarium isolates from Ethiopia. It is now possible to design allele specific primers to analyze the population dynamics of the pathogen and its potential antagonists. Such knowledge may be incorporated into existing integrated disease management (IDM) schemes to achieve success in combating coffee wilt disease in the region.