TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Developing and optimising the effectiveness of entomopathogenic fungi for biological control of Cydia pomonella: A multifaceted approach

Antara, Nushrat Harun (2024)
Developing and optimising the effectiveness of entomopathogenic fungi for biological control of Cydia pomonella: A multifaceted approach.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028560
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

The food industry, a cornerstone of global health and economy, faces many challenges in meeting the ever-increasing demand for nutritious and accessible products. Central to the success of this industry is the agricultural sector, particularly the cultivation of crops such as pome fruits, which are essential for diversifying diets and providing essential nutrients. However, the journey from farm to fork is not straightforward, with the limited availability of arable land and the relentless threat of insects, microbial pathogens, and pests such as the codling moth. The codling moth (Cydia pomonella, Lepidoptera: Tortricidae) is a major threat to pome fruit production, causing considerable losses to fruit farmers not only in Europe but globally. In response to the drawbacks of synthetic insecticides, many farmers are turning to biocontrol strategies, including the use of entomopathogenic fungi (EPF), as sustainable alternatives for pest management. Consequently, research efforts focused on the screening and application of EPF have increased significantly in recent years, reflecting the growing interest in environmentally friendly pest management practices worldwide. This work, which involved the isolation of 32 EPF strains from soil samples using the insect bait method and one strain from strain collection of Julius Kühn Institute (JKI), aimed not only to assess the occurrence and prevalence of these fungi, but also to investigate their virulence and the key role of chitinase production in enhancing their effectiveness to control the pest insect. Following identification procedures by microscopic examination and molecular sequencing of the ITS region, the initial screening phase focused on assessing the virulence of these strains, setting a high benchmark of over 80 % mortality against C. pomonella. This rigorous selection criterion led to the identification of 13 strains, with promising virulence. Among these, four strains i.e. JKI-BI-1496 (Cordyceps fumosorosea), two strains of JKI-BI-2620 (Beauveria bassiana), JKI-BI-2642 (Beauveria bassiana), and JKI-BI-2647 (Metarhizium robertsii), stood out for their higher chitinase activity, a crucial enzyme that facilitates the degradation of chitin, a key component of the insect exoskeleton, thereby enhancing the fungal invasion and infection process. The research also investigated the environmental adaptability of these strains, subjecting them to a range of temperature conditions and simulated sunlight exposure to assess their resilience and effectiveness under different environmental stressors. This phase was critical in determining the potential field applicability of the selected EPF strains, given the diverse and often challenging conditions found in natural agricultural environments. The study also investigated the growth and virulence potential of these fungi in four different media types — malt peptone, malt peptone with 1 % chitin, potato dextrose, and potato dextrose with 1 % chitin — to determine the optimal conditions for their proliferation and virulence. The aim of this approach was to enhance the production potential of the strains, with a particular focus on the use of chitin-amended media to simulate the natural infection process and thereby improve the efficacy of the fungi against C. pomonella. Particular attention was paid to C. fumosorosea, which showed promising properties in preliminary tests. One of the most significant findings of the study was the marked improvement in fungal virulence and effectiveness when grown in a medium containing 1 % colloidal chitin (CC), which not only facilitated a higher mortality in bioassays against C. pomonella larvae but also influenced various growth parameters, including spore and biomass production, germination and higher stability as freeze-dried spores. However, the addition of 1 % CC also presented challenges. It notably affected the fungi's resilience to prolonged sunlight exposure, which is a critical factor to consider for the field application of these biocontrol agents. To address the limitations posed by sunlight sensitivity, the research explored the effectiveness of nine water-soluble sunlight protectants. Black tea was identified as a particularly effective agent in preserving the viability and germination of submerged spores under simulated sunlight conditions. Additionally, spores coated with calcofluor white resulted higher shelf life than other additives. This approach to enhance the environmental stability of C. fumosorosea spores could be a promising strategy for the application of fungal biocontrol agents against C. pomonella in organic apple orchards. The findings emphasise the complex interplay between fungal virulence, environmental adaptability, and innovative formulation strategies in the development of effective biological control agents (BCAs). This research highlights the potential of chitin-amended media and sunlight protectants to enhance the effectiveness and stability of EPF. The findings offer valuable insights into the optimization of biocontrol strategies, paving the way for more sustainable and environmentally friendly pest management approaches in agriculture.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Antara, Nushrat Harun
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Developing and optimising the effectiveness of entomopathogenic fungi for biological control of Cydia pomonella: A multifaceted approach
Sprache: Englisch
Referenten: Jürgens, Prof. Dr. Andreas ; Jehle, Prof. Dr. Johannes
Publikationsjahr: 24 Oktober 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: 155 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 18 September 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028560
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/28560
Kurzbeschreibung (Abstract):

The food industry, a cornerstone of global health and economy, faces many challenges in meeting the ever-increasing demand for nutritious and accessible products. Central to the success of this industry is the agricultural sector, particularly the cultivation of crops such as pome fruits, which are essential for diversifying diets and providing essential nutrients. However, the journey from farm to fork is not straightforward, with the limited availability of arable land and the relentless threat of insects, microbial pathogens, and pests such as the codling moth. The codling moth (Cydia pomonella, Lepidoptera: Tortricidae) is a major threat to pome fruit production, causing considerable losses to fruit farmers not only in Europe but globally. In response to the drawbacks of synthetic insecticides, many farmers are turning to biocontrol strategies, including the use of entomopathogenic fungi (EPF), as sustainable alternatives for pest management. Consequently, research efforts focused on the screening and application of EPF have increased significantly in recent years, reflecting the growing interest in environmentally friendly pest management practices worldwide. This work, which involved the isolation of 32 EPF strains from soil samples using the insect bait method and one strain from strain collection of Julius Kühn Institute (JKI), aimed not only to assess the occurrence and prevalence of these fungi, but also to investigate their virulence and the key role of chitinase production in enhancing their effectiveness to control the pest insect. Following identification procedures by microscopic examination and molecular sequencing of the ITS region, the initial screening phase focused on assessing the virulence of these strains, setting a high benchmark of over 80 % mortality against C. pomonella. This rigorous selection criterion led to the identification of 13 strains, with promising virulence. Among these, four strains i.e. JKI-BI-1496 (Cordyceps fumosorosea), two strains of JKI-BI-2620 (Beauveria bassiana), JKI-BI-2642 (Beauveria bassiana), and JKI-BI-2647 (Metarhizium robertsii), stood out for their higher chitinase activity, a crucial enzyme that facilitates the degradation of chitin, a key component of the insect exoskeleton, thereby enhancing the fungal invasion and infection process. The research also investigated the environmental adaptability of these strains, subjecting them to a range of temperature conditions and simulated sunlight exposure to assess their resilience and effectiveness under different environmental stressors. This phase was critical in determining the potential field applicability of the selected EPF strains, given the diverse and often challenging conditions found in natural agricultural environments. The study also investigated the growth and virulence potential of these fungi in four different media types — malt peptone, malt peptone with 1 % chitin, potato dextrose, and potato dextrose with 1 % chitin — to determine the optimal conditions for their proliferation and virulence. The aim of this approach was to enhance the production potential of the strains, with a particular focus on the use of chitin-amended media to simulate the natural infection process and thereby improve the efficacy of the fungi against C. pomonella. Particular attention was paid to C. fumosorosea, which showed promising properties in preliminary tests. One of the most significant findings of the study was the marked improvement in fungal virulence and effectiveness when grown in a medium containing 1 % colloidal chitin (CC), which not only facilitated a higher mortality in bioassays against C. pomonella larvae but also influenced various growth parameters, including spore and biomass production, germination and higher stability as freeze-dried spores. However, the addition of 1 % CC also presented challenges. It notably affected the fungi's resilience to prolonged sunlight exposure, which is a critical factor to consider for the field application of these biocontrol agents. To address the limitations posed by sunlight sensitivity, the research explored the effectiveness of nine water-soluble sunlight protectants. Black tea was identified as a particularly effective agent in preserving the viability and germination of submerged spores under simulated sunlight conditions. Additionally, spores coated with calcofluor white resulted higher shelf life than other additives. This approach to enhance the environmental stability of C. fumosorosea spores could be a promising strategy for the application of fungal biocontrol agents against C. pomonella in organic apple orchards. The findings emphasise the complex interplay between fungal virulence, environmental adaptability, and innovative formulation strategies in the development of effective biological control agents (BCAs). This research highlights the potential of chitin-amended media and sunlight protectants to enhance the effectiveness and stability of EPF. The findings offer valuable insights into the optimization of biocontrol strategies, paving the way for more sustainable and environmentally friendly pest management approaches in agriculture.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Die Lebensmittelindustrie, ein Eckpfeiler der globalen Gesundheit und Wirtschaft, steht vor vielen Herausforderungen, um die stetig wachsende Nachfrage nach nahrhaften und zugänglichen Produkten zu erfüllen. Zentral für den Erfolg dieser Branche ist der landwirtschaftliche Sektor, insbesondere der Anbau von Kulturen wie Kernobst, die für die Diversifizierung der Ernährung und die Bereitstellung wesentlicher Nährstoffe unerlässlich sind. Der Weg vom Acker bis zur Gabel ist jedoch nicht einfach, mit der begrenzten Verfügbarkeit von Ackerland und der unerbittlichen Bedrohung durch Insekten, mikrobielle Pathogene und Schädlinge wie den Apfelwickler. Der Apfelwickler (Cydia pomonella, Lepidoptera: Tortricidae) stellt eine erhebliche Bedrohung für die Produktion von Kernobst dar und führt zu beträchtlichen Verlusten für Obstbauern nicht nur in Europa, sondern auch weltweit. Als Reaktion auf die Nachteile synthetischer Insektizide wenden sich viele Landwirte biologischen Bekämpfungsstrategien zu, einschließlich der Nutzung von entomopathogenen Pilzen (EPF) als nachhaltige Alternativen zur Schädlingsbekämpfung. Folglich haben Forschungsbemühungen, die sich auf das Screening und die Anwendung von EPF konzentrieren, in den letzten Jahren deutlich zugenommen, was das wachsende Interesse an umweltfreundlichen Schädlingsbekämpfungspraktiken weltweit widerspiegelt. Diese Dissertation, bei der 32 Stämme von entomopathogenen Pilzen (EPF) aus Bodenproben mittels der Insektenködermethode isoliert und ein Stamm aus der Stammsammlung des Julius Kühn-Institut (JKI) gewonnen wurde, zielte nicht nur darauf ab, das Vorkommen und die Verbreitung dieser Pilze zu bewerten, sondern auch ihre Virulenz zu untersuchen und die entscheidende Rolle der Chitinaseproduktion bei der Steigerung ihrer Wirksamkeit gegen den Zielorganismus zu erforschen. Nach sorgfältigen Identifikationsprozessen durch mikroskopische Untersuchung und molekulare Sequenzierung der ITS-Region konzentrierte sich die erste Screening-Phase auf die Bewertung der Virulenz dieser Stämme, wobei ein Maßstab von über 80 % Mortalität gegenüber C. pomonella gesetzt wurde. Dieses strenge Auswahlkriterium führte zur Identifizierung von 13 Stämmen, die aufgrund ihrer Virulenz ein Potential für die Schädlingsbekämpfung zeigten. Unter diesen ragten vier Stämme, nämlich JKI-BI-1496 (Cordyceps fumosorosea), zwei Stämme von JKI-BI-2620 (Beauveria bassiana), JKI-BI-2642 (Beauveria bassiana) und JKI-BI-2647 (Metarhizium robertsii), aufgrund ihrer höheren Chitinasenaktivität heraus. Die Chitinasenaktivität wird dabei als ein wichtiges Element betrachtet, da es den Abbau von Chitin, einer Schlüsselkomponente des Insektenexoskeletts, erleichtert und so den Pilzbefall und den Infektionsprozess verbessert. Des Weiteren wurde die Umweltanpassungsfähigkeit dieser Stämme untersucht, indem sie einer Reihe von Temperaturbedingungen und simulierter Sonnenlichtexposition ausgesetzt wurden, um ihre Resilienz und Wirksamkeit unter verschiedenen Umweltstressoren zu bewerten. Diese Phase war entscheidend für die Bestimmung der potenziellen Feldanwendbarkeit der ausgewählten EPF-Stämme, angesichts der vielfältigen und oft herausfordernden Bedingungen in natürlichen landwirtschaftlichen Umgebungen. Darüber hinaus untersuchte die Studie das Wachstums- und Virulenzpotenzial dieser Pilze in vier verschiedenen Medientypen – Malzpepton, Malzpepton mit 1 % Chitin, Kartoffeldextrose und Kartoffeldextrose mit 1 % Chitin – um die optimalen Bedingungen für ihre Vermehrung und Virulenz zu ermitteln. Dieser Ansatz zielte darauf ab, dass Produktionspotenzial der Stämme zu erhöhen, mit einem besonderen Fokus auf die Verwendung von Chitin-angereicherten Medien, um den natürlichen Infektionsprozess zu simulieren und so die Wirksamkeit der Pilze gegen C. pomonella zu verbessern. Besondere Aufmerksamkeit galt C. fumosorosea, das in vorläufigen Tests vielversprechende Eigenschaften zeigte. Einer der bedeutendsten Befunde der Studie war die deutliche Verbesserung der Pilzvirulenz und -Wirksamkeit, wenn sie in Medien mit 1 % kolloidalem Chitin (CC) produziert wurden, was nicht nur mit einer höheren Mortalitätsrate in Bioassays gegen C. pomonella-Larven einherging, sondern auch verschiedene Wachstumsparameter beeinflusste, einschließlich Sporen-, Biomasseproduktion, Keimungsgeschwindigkeit sowie eine höhere Stabilität gefriergetrockneter Sporen. Die Zugabe von 1 % CC stellte jedoch auch Herausforderungen dar, insbesondere beeinflusste sie die Resilienz der Pilze gegenüber längerer Sonnenlichtexposition – ein kritischer Faktor bei der Anwednung im Feld. Um die durch Sonnenlichtempfindlichkeit bedingten Einschränkungen zu adressieren, erforschte die Studie die Wirksamkeit von neun wasserlöslichen Sonnenschutzmitteln und identifizierte schließlich schwarzen Tee als besonders wirksames Mittel zur Erhaltung der Lebensfähigkeit und Keimraten von Sporen unter simulierten Sonnenlichtbedingungen. Darüber hinaus führten mit Calcofluor-Weiß beschichtete Sporen zu einer höheren Haltbarkeit als andere Zusatzstoffe. Dieser Ansatz zur Verbesserung der Umweltstabilität von C. fumosorosea-Sporen stellt eine vielversprechende Strategie zur Verbesserung der Feldanwendbarkeit von pilzlichen Biokontrollmitteln dar und könnte die Akzeptanz einer Anwendung von EPF zum Management von C. pomonella nicht nur im ökologischen Apfelanbau verbessern. Die Befunde der Studie unterstreichen das komplexe Zusammenspiel zwischen Pilzvirulenz, Umweltanpassungsfähigkeit und innovativen Formulierungsstrategien bei der Entwicklung effektiver biologischer Bekämpfungsmittel. Indem sie das Potenzial von Chitin-angereicherten Medien und Sonnenschutzmitteln zur Steigerung der Wirksamkeit und Stabilität von EPF hervorheben, bietet diese Forschung wertvolle Einblicke in die Optimierung von Biokontrollstrategien und ebnet den Weg für nachhaltigere und umweltfreundlichere Schädlingsbekämpfungsansätze in der Landwirtschaft.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-285601
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 10 Fachbereich Biologie
10 Fachbereich Biologie > Chemical Plant Ecology
Hinterlegungsdatum: 24 Okt 2024 12:09
Letzte Änderung: 25 Okt 2024 11:14
PPN:
Referenten: Jürgens, Prof. Dr. Andreas ; Jehle, Prof. Dr. Johannes
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 18 September 2024
Export:
Suche nach Titel in: TUfind oder in Google
Frage zum Eintrag Frage zum Eintrag

Optionen (nur für Redakteure)
Redaktionelle Details anzeigen Redaktionelle Details anzeigen