Biological Control of Fire Blight Disease in Apple (Malus domestica L.) Trees with Rhizobacteria

Öz

This study was conducted to determine the potential of bacterial strains isolated from different sources under in vitro and in vivo conditions to inhibit the growth of Erwinia amylovora. Five E. amylovora strains isolated from apple (Malus domestica L.) trees showing disease symptoms in Iğdır-Türkiye province were used as pathogen. 130 bacteria were tested against the pathogen in vitro and 34 of them were found to be effective. The biocontrol effect of 34 bacteria was tested by shoot inoculation under in vivo conditions. Pseudomonas putida strain BY-6 and Pantoea agglomerans strain MU-1 were found to be the most successful strains, preventing the disease by 80%. It was determined that other strains prevented the development of the disease by 9-60%. The in vitro mechanisms of action (ACC-deaminase, HCN and siderophore production, protease, cellulase and chitinase activities) of strains with biocontrol activity were determined. The findings show that positive results can be obtained in disease control by including effective strains in the integrated control of the pathogen.

Anahtar Kelimeler

• Malus domestica L.
• biocontrol
• plant growth promoting bacteria
• Erwinia amylovora
• biocontrol mechanisms

Elma (Malus domestica L.) Ağaçlarında Ateş Yanıklığı Hastalığının Rizobakteriler ile Biyolojik Mücadelesi

Öz

Bu çalışma, in vitro ve in vivo koşullarda farklı kaynaklardan izole edilen bakteri strainlerinin Erwinia amylovora’nın gelişimini engelleme potansiyellerini belirlemek amacıyla yapılmıştır. Patojen olarak Iğdır ilinde hastalık semptomu gösteren elma (Malus domestica L.) ağaçlarından izole edilen 5 E. amylovora straini kullanılmıştır. In vitro ortamda patojene karşı 130 bakteri test edilmiş ve bunlardan 34’ü etkili bulunmuştur. In vivo ortamda 34 bakterinin biyokontrol etkisi sürgün inokulasyonu ile test edilmiştir. Pseudomonas putida strain BY-6 ve Pantoea agglomerans MÜ-1 strainlerinin hastalığı % 80 oranında engelleyerek en başarılı strainler olduğu tespit edilmiştir. Diğer strainlerin ise % 9-60 oranında hastalık gelişimini engelledikleri saptanmıştır. Biyokontrol etkinliği tespit edilen strainlerin in vitro etki mekanizmaları (ACC-deaminaz, HCN ve siderofor üretimi, proteaz, selülaz ve kitinaz aktiviteleri) belirlenmiştir. Elde edilen bulgular, etkili bulunan strainlerin patojenin entegre mücadele programına dahil edilmesiyle hastalık kontrolünde olumlu sonuçlar alınabileceği göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Malus domestica L.
• biyokontrol
• bitki gelişimini teşvik eden bakteriler
• Erwinia amylovora
• biyokontrol mekanizmaları

Kaynakça

1. Abbott, W.S., 1925. A method of computing the effectiveness of an insecitde. Journal of Economic Entomology, 18: 265-267.
2. Andro, T., Chambost, J.P., Kotoujansky, A., Cattano, J., Bertheau, Y., Barras, F., Van Gijsegem, F., Coleno, A., 1984. Mutants of Erwinia chrysantemi defective in secretion of pectinase and cellulase. Journal of Bacteriology, 160: 1199-1203.
3. Anonymous, 2013. Statistical Analysis Software Users Guide Statistics Version 9.4. SAS Institude Inc., Cary.
4. Anonymous, 2023. European and Mediterranean Plant Protection Organization (EPPO). (https://www.eppo. int/ACTIVITIES/plant_quarantine/A2_list.), (Erişim Tarihi: 04.03.2023).
5. Bakker, A.W., Schippers, B., 1987. Microbial cyanide production in the rhizosphere in relation to potato yield reduction and Pseudomonas spp mediated plant growth-stimulation. Soil Biology and Biochemistry, 19(4): 451-457.
6. Baştaş, K.K., Saygılı, H., 2008. Ateş yanıklığı hastalığı, Erwinia amylovora. In: H. Saygılı, F. Şahin ve Y. Aysan (Editörler), Bitki Bakteri Hastalıkları Kitabı, Beta Basım, İzmir, s. 61-68.
7. Biondi, E., Brunelli, A., Ladurner, E., Portillo, I., Lancioni, P., Benuzzi, M., Bazzi, C., 2007. Efficiacy of Bacillus subtilis againist fire blight in pears. Informature Agrario, 63(19): 58-60.
8. Blumer, C., Haas, D., 2000. Mechanism, regulation and ecological role of bacterial cyanide biosynthesis. Archives of Microbiology, 173: 170-177.

9. Boudyach, E.H., Fatmi, M., Akhayat, O., Benizri, E., Ait Ben Aoumar, A., 2001. Selection of antagonistic bacteria of Clavibacter michiganensis subsp. michiganensis and evaluation of their efficiency against bacterial canker of tomato. Biocontrol Science and Technology, 11(1): 141-160.
10. Bozkurt, İ.A., 2009. Fasulye bakteriyel yanıklık hastalığına (Xanthomonas axonopodis pv. phaseoli) karşı antogonist bakterilerle mücadele olanakları. Doktora Tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir.
11. Chen, C., Li, C., Kang, Y., 2018. Modelling the effects of cutting off infected branches and replanting on fire-blight transmission using Filippov systems. Journal of Theoretical Biology, 439: 127-140.
12. Cornea, C.P., Voaides, C., Kupferberg, S., Dinu, S., Ciuca, M., Babeanu, N. ,Oancea, F., 2007. In vitro inhibition of Erwinia amylovora by some antagonistic bacteria. Animal Science and Biotechnologies, 63(64): 545.
13. Çakmakçı R., 2009. Stres koşullarında ACC-deaminaz üretici bakteriler tarafından bitki gelişiminin teşvik edilmesi. Atatürk Üniversitesi, Ziraat Fakültesi Dergisi, 40(1): 109-125.
14. Duman, K., 2020. Fasulye hale yanıklığı hastalığının (Pseudomonas syringae pv. phaseolicola) biyolojik mücadelesinde endofit bakterilerin etkinliklerinin araştırılması. Doktora Tezi, Hatay Mustafa Kemal Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Hatay.
15. Dagher, F., Olishevska, S., Philion, V., Zheng, J., Déziel, E., 2020. Development of a novel biological control agent targeting the phytopathogen Erwinia amylovora. Heliyon, 6(10): e05222.
16. Dobbelaere, S., Croonenborghs, A., Thys, A., Ptacek, D., Vanderleyden, J., Dutto, P., Labandera-Gonzalez, C., CaballeroMellado, J., Aguirre, J.F., Kapulnik, Y., Brener, S., Burdman, S., Kadouri, D., Sarig, S., Okon, Y., 2001. Responses of agronomicallyim portantcrops to inoculation with Azospirillum. Australian Journal of Plant Physiology, 28(9): 871-879.
17. Döken, M.T., Demirci, E., Zengin, H., 2011. Fitopatoloji (4. Baskı). Atatürk Üniversitesi Yayınları No: 729, Ziraat Fakültesi Yayınları No: 314, Ders Kitapları Serisi No: 66, Erzurum.
18. Erdoğan, O., 1999. Isparta ilinde yumuşak çekirdekli meyve ağaçlarında ateş yanıklığı etmeni (Erwinia amylovora)’ne karşı antagonist bakteriyel mikrofloranın saptanması üzerinde çalışmalar. Yüksek Lisans Tezi, Adnan Menderes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Aydın.
19. Evrenosoğlu, Y., Mısırlı, A., Aysan, Y., Saygılı, H., Boztepe, Ö., Horuz, S., Acarsoy, N., Bilen, E., Baykul, A., Yazıcı, İ., 2014. F1 melez armut populasyonunun ateş yanıklığı hastalığı etmeni Erwinia amylovora karşı reaksiyonunun belirlenmesi. Ege Üniversitesi, Ziraat Fakültesi Dergisi, 51(2): 185-190.
20. Faramarzi, M.A., Fazeli, M., Yazdi, M.T., Adrangi, S., Al-Ahmadi, K.J., Tasharrofi, N., Mohseni, F.A., 2009. Optimization of cultural condition for production chitinase by soil isolate of Massilia timonae. Biotechnology, 8(1): 93-99.
21. Giddens, S.R., Houliston, G.J., Mahanty, H.K., 2003. The influence of antibiotic production and pre-emptive colonization on the population dynamics of Pantoea agglomerans (Erwinia herbicola) Eh1087 and Erwinia amylovora in planta. Enviromental Microbiology, 5(10): 1016-1021.
22. Gök, G., 2016. Iğdır ili elma ağaçlarında ateş yanıklığı hastalığına neden olan Erwinia amylovora (Burr.) Wı,inslow et al. etmeninin biyokimyasal ve moleküler (MIS) yöntemle tanısı. Yüksek Lisans Tezi, Iğdır Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Iğdır.
23. Güney, E., 2014. Bacillus sp. türlerinde siderofor üretimi ve Bacillus cereus DSM 4312de siderofor üretiminin optimizasyonu. Yüksek Lisans Tezi, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü, Gebze.
24. Harrison, R.L., Bonning, B.C., 2010. Proteases as insecticidal agents. Toxins, 2(5): 935-953.
25. Ishimaru, C.A., Klos, E.J., Brubaker, R.R., 1988. Multiple antibiotic production by Erwinia herbicola. Phytopathology, 78(6): 746-750.
26. Karabıçak, Y., 2012. Armut ağaçlarında ateş yanıklığı etmeni Erwinia amylovora’ya karşı bakteri uygulamaları ile biyolojik mücadele imkanlarının araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum.
27. Kardaş, Ş., Ökmen, G., 2014. ACC deaminaz ve mikroorganizmalar. Türk Bilimsel Derlemeler Dergisi, 1: 69-78.
28. Khalid, M., Hassani, D., Bilal, M., Liao, J., Huang, D., 2017. Elevation of secondary metabolites synthesis in Brassica campestris ssp. chinensis L. via exogenous inoculation of Piriformospora indica with appropriate fertilizer. PLoS One, 12(5): e0177185.
29. Kokoskova, B., Pavela, R., Pouvova, D., 2011. Effectiveness of plant essential oils against Erwinia amylovora, Pseudomonas syringae pv. syringae and associated saprophytic bacteria on/in host plants. Journal of Plant Pathology, 93(1): 133-139.
30. Kotan, R., 2002. Doğu Anadolu bölgesinde yetiştirilen yumuşak çekirdekli meyve ağaçlarından izole edilen patojenik ve saprofitik bakteriyel organizmaların klasik ve moleküler metodlar ile tanısı ve biyolojik mücadele imkanlarının araştırılması. Doktora Tezi, Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum.
31. Kundan, R., Pant, G., Jadon, N., Agrawal, P.K., 2015. Plant growth promoting rhizobacteria: mechanism and current prospective. Journal of Fertilizers & Pesticides, 6(2): 9.
32. Mercier, J., Lindow, S.E., 2001. Field performance of antagonistic bacteria identified in a novel laboratory assay for biological control of fire blight of pear. Biological Control, 22(1): 66-71.
33. Penrose, D.M., Glick, B.R., 2003. Methods for isolating and characterizing ACC deaminase‐containing plant growth‐promoting rhizobacteria. Physiologia Plantarum, 118(1): 10-15.
34. Pusey, P.L., Stockwell, V.O., Reardon, C.L., Smits, T.H.M., Duffy, B., 2011. Antibiosis activity of Pantoea agglomerans biocontrol strain E325 against Erwinia amylovora on apple flower stigmas. Phytopathology, 101(10): 1234-1241.
35. Satora, P., Sroka, P., Duda-Chodak, A., Tarko, T., Tuszyński, T., 2008. The profile of volatile compounds and polyphenols in wines produced from dessert varieties of apples. Food Chemistry, 111(2): 513-519.
36. Sevindik, E., Murathan, Z.T., Filiz, S., Yalçin, K., 2019. Molecular characterization based on chloroplast (trnL-F) DNA sequence of the apple genotypes in Ardahan/Turkey. Bangladesh Journal of Botany, 48(4): 1099-1106.
37. Schwyn, B., Neilands, J.B., 1987. Universal chemical assay for the detection and determination of siderophores. Analytical Biochemistry, 160(1): 47-56.
38. Smits, T.H.M., Rezzonico, F., Kamber, T., Blom, J., Goesmann, A., Ishimaru, C.A., Frey, J.E., Stockwell, V.O., Duffy, B., 2011. Metabolic versatility and antibacterial metabolite biosynthesis are distinguishing genomic features of the fire blight antagonist Pantoea vagans C9-1. PloS One, 6(7): e22247.
39. Sundin, G.W., Werner, N.A., Yoder, K.S., Aldwinckle, H.S., 2009. Field evaluation of biological control of fire blight in the eastern United States. Plant Disease, 93(4): 386-394.
40. Şahin, F., Çakmakçı, R., Kantar, F., 2004. Sugar beet and barley yields in relation to inoculation with N 2-fixing and phosphate solubilizing bacteria. Plant and Soil, 265: 123-129.
41. Towsend, G.R., Heuberger, J.W., 1943. Methods for estimating losses caused by diseases in fungicide experiments. Plant Disease Reporter, 27(17): 340-343.
42. Ullah, A., Musthag, H., Fahad, S., Shah, A., Chaudhary, H.J., 2017. Plant growth promoting potential of bacterial endophytes in novel association with Olea ferruginea and Withania coagulans. Microbiology, 86(1): 119-127.
43. Vrancken, K., Holtappels, M., Schoofs, H., Deckers, T., Valcke, R., 2013. Pathogenicity and infection strategies of the fire blight pathogen Erwinia amylovora in Rosaceae: state of the art. Microbiology, 159: 823-832.
44. Wallis, A.E., Cox, K.D., 2020. Management of fire blight using pre-bloom application of prohexadione-calcium. Plant Disease, 104(4): 1048-1054.
45. Widnyana, I.K., 2019. PGPR (Plant Growth Promoting Rizobacteria) benefits in spurring germination, growth and ıncrease the yield of tomato plants. In: S.T. Nyaku and A. Danquah (Eds.), Recent Advances in Tomato Breeding and Production, 3rd Edn., London, pp. 17-25.