Molecular perspectives on the ecologically inconsistent effectiveness of the mycoherbicide Fusarium oxysporum f. sp. strigae against Striga hermonthica

Abstract

Cereals are a major staple that is crucial for food security in sub-Saharan Africa (SSA). Sadly, the obligate hemiparasitic witchweed, Striga spp., especially Striga hermonthica (Delile) Benth., is a major biotic constraint to cereal production in SSA, causing enormous crop yield losses estimated at US$10 billion annually. Fusarium oxysporum f. sp. strigae (Fos) is the most renowned fungal biological control agent (BCA) for specifically and significantly tackling S. hermonthica under agricultural systems. Field surveys, however, have revealed the inconsistent effectiveness of Fos isolates against S. hermonthica in differing zones of SSA (i.e., West Africa, East Africa). This daunting phenomenon is a critical challenge that affects Fos reliability and deters its use for S. hermonthica management. The inconsistent effectiveness of Fos against S. hermonthica was presumably ascribed to the interactions that occur between the differing location-specific ecological factors of the pathosystem i.e., abiotic (climate, moisture, or soil physico-chemistry) or biotic (S. hermonthica, Fos isolate, or the plant microbiome). Without doubt, the diversity of a host or pathogen is a primary determinant of the innate susceptibility or virulence of the host or pathogen, respectively. In terms of S. hermonthica diversity, genomic variation of individuals, or regional genetic variation of the sampling zone, were the two major forces suspected. However, the important determiner out of the two forces was unknown. Besides, despite the suppression/death that Fos causes to S. hermonthica, the physiological damage S. hermonthica initiates to an infested cereal crop is mostly irreversible. Hence, in examining strategies for circumventing the main problem of Fos inconsistent effectiveness against S. hermonthica, and the physiological consequences of S. hermonthica on the host cereal crop, the integration of other (non-Fos inoculum) BCA were suggested as possible means for improving the efficiency of S. hermonthica biocontrol. For example, by utilizing a bioherbicide cocktail of Fos and plant growth promoting rhizobacteria (PGPR), or Striga seed germination-inhibiting fungal toxins. Apart from the popular reputation of PGPR in enhancing crop health and growth, certain PGPR strains (especially Bacillus subtilis isolate GB03) have been earlier reported for their highly-promising potential of antagonizing S. hermonthica development. Similarly, certain fungal extracellular metabolites (exometabolites), especially of Fusarium origin, were reported to completely inhibit S. hermonthica seed germination in vitro at very low concentrations (≤ 1 mM). Unfortunately, knowledge of the microbe (Fos)–microbe (PGPR) interaction, their localization and ecological niche, for enabling their expected synergistic impact of simultaneously suppressing S. hermonthica and enhancing the Striga-infected cereal crop biomass, was unknown. Also, it was unknown if highly potent/efficient Striga seed germination-inhibiting fungal exometabolites will consistently suppress S. hermonthica in planta. Thus, in the context of genetic diversity in S. hermonthica, the PhD study focused on gaining (molecular) insights into the inconsistent effectiveness of Fos against S. hermonthica; including the examination of some strategies for improving S. hermonthica biocontrol efficiency, precisely by integrating PGPR, or Striga seed germination-inhibiting Fusarium exometabolites, into a S. hermonthica biocontrol system. The first research examined the molecular genetic basis, underlying the variable susceptibility of S. hermonthica populations sampled from differing zones of SSA (West Africa, East Africa) to contrasting Fos isolates (Foxy-2, FK3). Regardless of sampling zone, the S. hermonthica populations displayed divergent susceptibility patterns to the Fos isolates i.e., a S. hermonthica class was susceptible to both Foxy-2 and FK3, while the other class was susceptible to either Foxy-2 or FK3. This manifestation correlated with nucleotide mutations at certain loci. Thus, genomic variation in S. hermonthica is a superior determinant of the inconsistent effectiveness of Fos isolates, rather than the S. hermonthica sampling zone. The second research examined the impact of coinoculating Fos and a PGPR (B. subtilis isolate GB03) into a S. hermonthica-sorghum parasitic system. Notwithstanding the colocalization of Fos and GB03 in common ecological niches of diseased S. hermonthica shoot (mainly in flavonoid-rich regions), GB03 thwarted Fos suppressive activity against S. hermonthica. Interestingly, a novel, alternative Fos entry route into S. hermonthica (through the trichome) was discovered. The coinoculation of Fos and GB03 presented no added advantage for S. hermonthica control. Finally, the third research screened a set of highly phytotoxic Fusarium exometabolites against S. hermonthica seed germination (in vitro) and incidence (in planta). This was to identify the most potent/efficient Fusarium exometabolite for S. hermonthica biocontrol. Among the tested exometabolites, diacetoxyscirpenol (DAS) was the most potent/efficient to completely suppress S. hermonthica both in vitro and in planta. Fos, however, did not produce DAS, due to underexpression of key genes necessary for Fusarium trichothecene biosynthesis. In conclusion, owing to the obligate outcrossing mating system in S. hermonthica, genomic variation is an inevitable phenomenon. This, therefore, plays a crucial role in the variable susceptibility of S. hermonthica to Fos. The newly discovered Fos (direct) entry route into S. hermonthica (trichome entry), elucidates a novel paradigm to the infection mechanism occurring under the S. hermonthica (host)–Fos (pathogen) interaction, in addition to the previously reported indirect, rhizosphere-transmission. Thus, this novel phyllosphere-transmission, paves the way for further research that exploit this alternative Fos infection route for better S. hermonthica biocontrol. Lastly, considering the potency and broadscale efficacy against diverse S. hermonthica populations, the exometabolite DAS could serve as a new agent for a more efficient S. hermonthica biocontrol. Though, further examination of its specific mode of action against the target weed (S. hermonthica), as opposed to non-target organisms, is required.

Getreide ist ein wichtiges Grundnahrungsmittel, das für die Ernährungssicherheit in Afrika südlich der Sahara (SSA) von entscheidender Bedeutung ist. Leider ist das obligate halbparasitäre Sommerwurzgewächs, Striga spp., insbesondere Striga hermonthica (Delile) Benth., eine große biotische Einschränkung für die Getreideproduktion in SSA und verursacht enorme Ernteverluste, die auf 10 Milliarden US-Dollar jährlich geschätzt werden. Fusarium oxysporum f. sp. strigae (Fos) ist der bekannteste pilzliche biologische Bekämpfungswirkstoff (BCA) zur spezifischen und signifikanten Bekämpfung von S. hermonthica in landwirtschaftlichen Systemen. Felduntersuchungen haben jedoch gezeigt, dass die Wirksamkeit von Fos-Isolaten gegen S. hermonthica in verschiedenen Zonen der SSA (d. h. Westafrika, Ostafrika) uneinheitlich ist. Dieses entmutigende Phänomen ist eine kritische Herausforderung, die die Zuverlässigkeit von Fos beeinträchtigt und seine Verwendung für die Bekämpfung von S. hermonthica verhindert. Die uneinheitliche Wirksamkeit von Fos gegen S. hermonthica wurde vermutlich auf die Wechselwirkungen zurückgeführt, die zwischen den verschiedenen standortspezifischen ökologischen Faktoren des Pathosystems auftreten, d. h. abiotischen (Klima, Feuchtigkeit oder physikalisch-chemische Eigenschaften des Bodens) oder biotischen (S. hermonthica, Fos-Isolat oder das Pflanzenmikrobiom). Zweifelsohne ist die Diversität eines Wirts oder Krankheitserregers eine der wichtigsten Determinanten für die angeborene Anfälligkeit bzw. Virulenz des Wirts oder Krankheitserregers. In Bezug auf die Diversität von S. hermonthica waren die genomische Variation der Individuen oder die regionale genetische Variation des Probenahmegebiets die beiden vermuteten Hauptfaktoren. Es war jedoch nicht bekannt, welcher der beiden Faktoren ausschlaggebend ist. Außerdem sind die physiologischen Schäden, die S. hermonthica an einer befallenen Getreidepflanze verursacht, trotz der Unterdrückung/Tötung von S. hermonthica durch Fos meist irreversibel. Bei der Untersuchung von Strategien zur Umgehung des Hauptproblems der unzureichenden Wirksamkeit von Fos gegen S. hermonthica und der physiologischen Folgen von S. hermonthica für die Wirtsgetreidekulturen wurde daher die Integration anderer BCA (ohne Fos-Inokulum) als mögliches Mittel zur Verbesserung der Effizienz der Biokontrolle von S. hermonthica vorgeschlagen. Zum Beispiel durch die Verwendung eines Bioherbizid-Cocktails aus Fos und pflanzenwachstumsfördernden Rhizobakterien (PGPR) oder von Pilztoxinen, die die Keimung von Striga-Samen hemmen. Abgesehen von dem guten Ruf, den PGPR bei der Förderung der Gesundheit und des Wachstums von Nutzpflanzen genießen, wurde bereits früher über das vielversprechende Potenzial bestimmter PGPR-Stämme (insbesondere des Isolats GB03 von Bacillus subtilis) zur Bekämpfung der Entwicklung von S. hermonthica berichtet. Ebenso wurde berichtet, dass bestimmte extrazelluläre Metaboliten von Pilzen (Exometaboliten), insbesondere von Fusarium, die Keimung von S. hermonthica-Samen in vitro bei sehr niedrigen Konzentrationen (≤ 1 mM) vollständig hemmen. Leider war das Wissen über die Interaktion zwischen Mikroben (Fos) und Mikroben (PGPR), ihre Lokalisierung und ökologische Nische nicht bekannt, um die erwartete synergistische Wirkung der gleichzeitigen Unterdrückung von S. hermonthica und der Verbesserung der Biomasse von Striga-infizierten Getreidepflanzen zu ermöglichen. Es war nicht bekannt, ob hochwirksame/effiziente, die Keimung von Striga-Samen hemmende, Pilzexometaboliten, dauerhaft S. hermonthica in planta unterdrücken können. Vor dem Hintergrund der genetischen Vielfalt von S. hermonthica konzentrierte sich die Doktorandenstudie daher auf die Gewinnung von (molekularen) Erkenntnissen über die uneinheitliche Wirksamkeit von Fos gegen S. hermonthica, einschließlich der Untersuchung einiger Strategien zur Verbesserung der Biokontroll-Effizienz von S. hermonthica, insbesondere durch die Integration von PGPR oder Striga-Samenkeimung hemmenden Fusarium Exometaboliten in ein S. hermonthica-Biokontrollsystem. Die erste Studie untersuchte die molekulargenetische Grundlage, die der unterschiedlichen Anfälligkeit von S. hermonthica-Populationen aus verschiedenen Zonen in SSA (Westafrika, Ostafrika) gegenüber unterschiedlichen Fos-Isolaten (Foxy-2, FK3) zugrunde liegt. Unabhängig von der Probenahmezone zeigten die S. hermonthica-Populationen unterschiedliche Empfindlichkeitsmuster gegenüber den Fos-Isolaten, d. h. eine S. hermonthica-Klasse war sowohl für Foxy-2 als auch für FK3 empfänglich, während die andere Klasse entweder für Foxy-2 oder für FK3 empfänglich war. Diese Erscheinung korrelierte mit Nukleotidmutationen an bestimmten Loci. Somit ist die genomische Variation in S. hermonthica ein entscheidenderer Faktor für die uneinheitliche Wirksamkeit von Fos-Isolaten als die S. hermonthica-Probenahmezone. Die zweite Studie untersuchte die Auswirkungen der Ko-Inokulation von Fos und einer PGPR (B. subtilis Isolat GB03) in einem parasitären S. hermonthica-Sorghum-System. Ungeachtet der Kolokalisierung von Fos und GB03 in gemeinsamen ökologischen Nischen des erkrankten S. hermonthica-Sprosses (hauptsächlich in flavonoidreichen Regionen) vereitelte GB03 die suppressive Aktivität von Fos gegen S. hermonthica. Interessanterweise wurde ein neuer, alternativer Fos-Eintrittsweg in S. hermonthica (durch das Trichom) entdeckt. Die Ko-Inokulation von Fos und GB03 brachte keinen zusätzlichen Vorteil bei der Bekämpfung von S. hermonthica. In der dritten Forschungsarbeit schließlich wurde eine Reihe hochgradig phytotoxischer Exometaboliten von Fusarium gegen die Keimung von S. hermonthica-Samen (in vitro) und das Auftreten (in planta) untersucht. Damit sollte der wirksamste/effizienteste Exometabolit von Fusarium für die Biokontrolle von S. hermonthica ermittelt werden. Unter den getesteten Exometaboliten war Diacetoxyscirpenol (DAS) der wirksamste, um S. hermonthica sowohl in vitro als auch in planta vollständig zu unterdrücken. Fos produzierte jedoch kein DAS, was auf die Unterexpression von Schlüsselgenen zurückzuführen ist, die für die Biosynthese von Fusarium-Trichothecen notwendig sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass aufgrund des obligaten Auskreuzungssystems in S. hermonthica genomische Variation ein unvermeidliches Phänomen ist. Dies spielt daher eine entscheidende Rolle bei der variablen Anfälligkeit von S. hermonthica gegenüber Fos. Der neu entdeckte (direkte) Eintrittsweg von Fos in S. hermonthica (Trichom-Eintritt) stellt ein neues Paradigma für den Infektionsmechanismus dar, der im Rahmen der Interaktion zwischen S. hermonthica (Wirt) und Fos (Erreger) abläuft, zusätzlich zu der zuvor berichteten indirekten Rhizosphären-Übertragung. Diese neuartige Phyllosphären-Übertragung ebnet somit den Weg für weitere Forschungen, die diesen alternativen Fos-Infektionsweg für eine bessere Biokontrolle von S. hermonthica nutzen. Schließlich könnte der Exometabolit DAS in Anbetracht seiner Potenz und breiten Wirksamkeit gegen verschiedene S. hermonthica-Populationen als neuer Wirkstoff für eine effizientere Biokontrolle von S. hermonthica dienen. Allerdings ist eine weitere Untersuchung seiner spezifischen Wirkungsweise gegen das Zielunkraut (S. hermonthica) im Gegensatz zu Nicht-Zielorganismen erforderlich.