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Biological control of plant pathogenic fungi and the regulation of mycotoxins by soil fauna communities in a conservation tillage system as ecosystem services for soil health

Biologische Kontrolle pflanzenpathogener Pilze und ihrer Mykotoxine als ökologische Dienstleistung der Bodenfauna in Agrarökosystemen unter konservierender Bodenbearbeitung zur Erhaltung der Bodengesundheit

  • Besides well-known positive aspects of conservation tillage combined with mulching, a drawback may be the survival of phytopathogenic fungi like Fusarium species on plant residues. This may endanger the health of the following crop by increasing the infection risk for specific plant diseases. In infected plant organs, these pathogens are able to produce mycotoxins like deoxynivalenol (DON). Mycotoxins like DON persist during storage, are heat resistant and of major concern for human and animal health after consumption of contaminated food and feed, respectively. Among fungivorous soil organisms, there are representatives of the soil fauna which are obviously antagonistic to a Fusarium infection and the contamination with mycotoxins. Earthworms (Lumbricus terrestris), collembolans (Folsomia candida) and nematodes (Aphelenchoides saprophilus) provide a wide range of ecosystem services including the stimulation of decomposition processes which may result in the regulation of plant pathogens and the degradation of environmental contaminants. Several investigations under laboratory conditions and in the field were conducted to test the following hypotheses: (1) Fusarium-infected and DON-contaminated wheat straw provides a more attractive food substrate than non-infected control straw (2) the introduced soil fauna reduce the biomass of F. culmorum and the content of DON in infected wheat straw under laboratory and field conditions (3) the species interaction of the introduced soil fauna enhances the degradation of Fusarium biomass and DON concentration in wheat straw; (4) the degradation efficiency of soil fauna is affected by soil texture. The results of the present thesis pointed out that the degradation performance of the introduced soil fauna must be considered as an important contribution to the biological control of plant diseases and environmental pollutants. As in particular L. terrestris revealed to be the driver of the degradation process, earthworms contribute to a sustainable control of fungal pathogens like Fusarium and its mycotoxins in wheat straw, thus reducing the risk of plant diseases and environmental pollution as ecosystem services.
  • In verschiedenen Labor-und Feldversuchen sollte geklärt werden, ob Schlüsselorganismen der Bodenfauna (Regenwürmer: Lumbricus terrestris; Collembolen: Folsomia candida und Nematoden: Aphelenchoides saprophilus) einen signifikanten Beitrag zum Abbau von phytopathogenen Schadpilzen der Gattung Fusarium und deren Mykotoxin deoxynivalenol (DON) in Ernterückständen leisten. Folgende Hypothesen sollten geprüft werden: (1) Fusarium-infiziertes und DON-kontaminiertes Pflanzenmaterial stellt für die eingesetzten Bodentiere ein attraktiveres Nahrungssubstrat dar, als nicht künstlich infiziertes Kontrollstroh; (2) Die eingesetzten Bodentiere fördern den Abbau von Fusarium-Biomasse und DON-Konzentration im Stroh; (3) Die Interaktion zwischen den Vertretern der Makrofauna, Mesofauna und Mikrofauna verstärkt die Reduzierung der Fusarium-Biomasse und der DON-Konzentration; (4) Die Bodentextur hat Auswirkungen auf die Abbauleistung der Tiere. Nach jeweiligem Versuchsende wurden in Stroh und Boden die Fusarium-Biomasse in Form von Fusarium-Protein-Äquivalenten (FPE) und die DON-Konzentrationen mittels der ELISA (Enzyme-linked immunosorbent assay)-Methodik quantitativ bestimmt. Außerdem wurde die Biomasse der Regenwürmer sowie die Individuenzahlen von Collembolen und Nematoden erfasst. Die eingesetzten Bodentiere fördern den Abbau von Fusarium-Biomasse und DON-Konzentration in Ernterückständen. Insbesondere Regenwürmer leisten einen wichtigen Beitrag zur biologischen Schädlingsbekämpfung. Die Interaktion zwischen Collembolen und Nematoden erwies sich unter Laborbedingungen als entscheidend für die Reduzierung der DON-Konzentration in Weizenstroh. Außerdem konnte unter standardisierten Laborbedingungen ein signifikanter Einfluss der Bodentextur auf die Abnahme von Fusarium-Biomasse und DON-Konzentration nachgewiesen werden. Im Freiland spielte die Interaktion zwischen Collembolen und Nematoden im Hinblick auf den Abbau von Fusarium-Biomasse und DON-Konzentration keine Rolle. Entscheidend für die Reduzierung war der alleinige Einfluss von F. candida oder A. saprophilus. Auch in Anwesenheit von Regenwürmern stellte sich der Einfluss von Collembolen und Nematoden auf den Abbau von Fusarium-Biomasse und DON-Konzentration als vernachlässigbar heraus. Die Interaktion führte nicht zu einem verstärkten Rückgang der Konzentrationen von Fusarium-Biomasse und DON. Hier war der Einfluss von L. terrestris in seiner Funktion als Primärzersetzer von entscheidender Bedeutung.

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Metadaten
Author:Friederike Meyer-Wolfarth
URN:urn:nbn:de:hbz:385-10226
Advisor:Roland Klein
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2017/01/17
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2016/10/26
Release Date:2017/01/17
Tag:Funktionelle Biodiversität; Konservierende Bodenbearbeitung; Ökologische Dienstleistungen
Biological control; Ecosystem services; Functional soil biodiversity; Plant pathogen repression; mycotoxin degradation
GND Keyword:Biologischer Pflanzenschutz; Bodenpilze; Bodentiere; Mykotoxin
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie

$Rev: 13581 $