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dc.date.accessioned2018-08-14T07:32:56Z
dc.date.available2018-08-14T07:32:56Z
dc.date.issued2018-08-14
dc.identifier.uriurn:nbn:de:hebis:34-2018081455968
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/123456789/2018081455968
dc.language.isoeng
dc.subjectcomposteng
dc.subjectmicrobiomeeng
dc.subjectsuppressive effectseng
dc.subjectSoil borne pathogenseng
dc.subjectKompostger
dc.subjectMikrobiomger
dc.subjectsuppressive Effekteger
dc.subjectbodenbürtige Pathogeneger
dc.subject.ddc630
dc.titleThe Suppressive Nature of Compost against Pythium spp: evaluation of compost-based applications in two host pathogen systems using bioassays and molecular fingerprintingeng
dc.typeDissertation
dcterms.abstractThe suppressive effect of composts on soil-borne plant pathogens has been widely reported in the scientific literature. However, the role of the compost microbiome, in this respect, is still not well understood. The general goal of this research was the molecular-biological characterisation of the microbiomes of two compost types within the host-pathogen system Pythium ultimum and cucumber, thereby contributing to understanding the role of the microbial structure of the chosen composts in this specific system. An additional goal included the definition, development and testing of new host-pathogen systems using the pathogen Pythium aphanidermatum in tomato and cucumber in order to test the suppressive effects of composts against this pathogen. The two chosen composts were made from either organic household waste or organic green waste and the composting process was well known and documented. The composts were mixed together with a reference substrate (peat) in a 50:50 volume ratio. In order to characterise the bacterial (16S rRNA) and fungal (ITS rRNA Amplicons) communities involved in suppressiveness within a P. ultimum and cucumber system, the influence of the composts using DGGE-Fingerprints (Denaturating Gradient Gel Electrophoresis) was analysed on the substrate, as well as at the rhizosphere level of the host plant. Additionally, the effects of gamma irradiation on compost suppressiveness, microbial structure and substrate activity were tested at the end of the experiment. A clear suppressive effect on the pathogen was found when the composts were mixed with the peat substrate; however, this suppressive effect was no longer present when the sterilised compost (gamma irradiated) and was mixed with the peat. Cluster analysis results from the DGGE fingerprints of the bacterial and fungal communities showed a clear differentiation between the untreated and gamma irradiated composts and peat mixtures. Similar differentiation between the microbial communities of the rhizosphere was found when comparing the untreated and irradiated compost mixtures; however, greater differences in microbial community structures were found when comparing the two different compost and peat mixtures to one another. Results from the rhizosphere fingerprinting for the organic household waste compost indicated a clear differentiation between the fungal and bacterial community structures when comparing the untreated compost mixture to the irradiated compost mixture. Similar results were found when comparing rhizosphere fingerprinting results for the organic green waste compost; however, unlike the organic household compost, the bacterial community structure shared both a main, as well as sub-clusters, between both the untreated and irradiated organic green waste compost samples. Interestingly, no changes in the grouping of the microbial communities were found in the presence of the pathogen i.e. with the addition of the inoculum, in either the substrate or the rhizosphere samples. Differences in substrate composition (e.g. household waste vs. green waste compost) tended to be the greatest factor affecting the fingerprinting grouping. However, the fact that the different microbial communities found for each compost led to similar pathogen suppression in this particular host-pathogen system is of great interest. Apart from the identification of the involved bacteria and fungal species, the analysis of functional diversity is in this way an important step in the elucidation of the mechanisms of the suppressive effects of composts. Results using Fluorescein-Diacetat-Hydrolserate (FDA-HR) as a measure of suppression after 21 days of experimental testing showed that although microbial activity in the compost substrates was higher than found in the reference substrate (peat), microbial activity was similar between both the untreated and irradiated compost mixtures, although the latter was not found to have any suppressive effect on the pathogen. This further indicates the importance of microbial and functional diversity identification in suppressive substrates, as well as the limitations of the FDA-HR per se as a measure of suppressiveness. In a follow-up study, the suppressive potential of both an organic green waste compost and a compost tea made from the same green waste compost were compared using the before-mentioned methodological approach. Results indicated a clear suppressive effect of the compost (50% volume) in comparison to the compost tea and the addition of compost tea to the compost and peat mixture did not improve the initial suppressiveness of the substrate. Results from the molecular-biological study showed no changes with the addition of compost tea to the compost substrate; however, a clear differentiation was found in the microbial community structure of the rhizosphere when the compost tea was added to the control substrate (peat). Although there were differences in the microbial community found, no differences in plant health were observed. A further system using Pythium aphanidermatum in tomato and cucumber was also developed. This system, which closely resembled that developed for Pythium ultimum and cucumber and using the same peat substrate, differed in the sense that the substrate was inoculated with the pathogen. The reproducibility and success of this new method with regards to optimum temperatures for pathogen proliferation, pathogen inoculation concentrations, as well as cultivation temperatures for both cucumber and tomato (multiple varieties) in the greenhouse was developed and optimised. However, the results obtained using the newly developed system with Pythium aphanidermatum and 4 tomato and cucumber varieties in numerous trial runs and using the same green household waste compost with known suppressive effects on Pythium ultimum, should be taken as preliminary. Although, disease suppression in tomato and cucumber through the use of the compost was evident, the high variation in the bioassay results indicate that further testing and development is necessary to achieve a stable and reliable test with clear results.eng
dcterms.abstractDas Phänomen „suppressive Effekte“ von Komposten gegenüber phytopathogenen bodenbürtigen Pilzen ist aus einer Vielzahl von Publikationen grundsätzlich bekannt, die Rolle des Mikrobioms ist im Detail bisher aber nur unzureichend beschrieben. Generelles Ziel der Arbeit war es daher, auf Basis des definierten Wirt-Pathogen-Systems Pythium ultimum–Gurke, eine molekularbiologische Charakterisierung des beteiligten ‘Mikrobioms‘ für zwei Komposttypen vorzunehmen. Damit sollte zu einem besseren Verständnis zur Rolle der mikrobiellen Struktur der gewählten Komposte in diesem spezifischen System beigetragen werden. Ein weiteres generelles Ziel war die Definition, Entwicklung und Erprobung von neuen Wirt-Pathogen Systemen mit dem Erreger Pythium aphanidermatum in Tomate und Gurke zur Ermittlung der suppressiven Effekten bei Komposten gegenüber P. aphanidermatum. Als Komposte dienten ein Biogut- und ein Grüngutkompost, für die die Herstellungsbedingungen genau bekannt waren. Die Komposte wurden in einem Anteil von 50(vol.)% einem Referenzsubstrat aus Torf beigemischt. Zur Charakterisierung der an den suppressiven Effekten beteiligten bakteriellen (16S rRNA) und pilzlichen (ITS rRNA Amplicons) Gesellschaften im System P. ultimum–Gurke wurde der Einfluss der Komposte mittels DGGE-Fingerprints (Denaturating Gradient Gel Elektrophoresis) auf Ebene der Substrate als auch auf der Ebene der Rhizosphäre der Wirtspflanzen untersucht. Zudem wurde der Einfluss einer Gamma Bestrahlung der Komposte auf die suppressiven Eigenschaften sowie auf die mikrobielle Struktur und Aktivität der Substrate zu Versuchsende bestimmt. Während die Suppression des Erregers durch die Beimischung der Komposte in das Torfsubstrat klar nachweisbar war, führte eine Sterilisation des Kompostes mit Gamma-Bestrahlung zu einem vollständigen Verlust der Suppression. Die DGGE fingerprints ergaben für die bakteriellen und pilzlichen Gesellschaften in den Substrat-Proben nach einer Clusteranalyse klare Differenzierungen der unbehandelten Kompostsubstrate im Vergleich zum bestrahlten Substrat bzw. dem Referenzsubstrat mit Torf. Als übergeordnetes Ergebnis für die Rhizosphären Proben ergab sich eine klare Differenzierung beider mikrobieller Gesellschaften in den Kompost Substraten im Vergleich zum Referenzsubstrat. Differenzierter stellte sich aber das Bild beim Vergleich der beiden Komposte dar. Während sich für die Rhizosphären-Proben aus dem Biogut-Kompost eine klare Differenzierung bei den bakteriellen und pilzlichen Gemeinschaften zwischen bestrahlten und nativen Kompost ergab, wiesen die Rhizosphären-Fingerprints der pilzlichen Gemeinschaft des Grüngut-Kompostes zwar eine klare Differenzierung zwischen beiden Substraten auf, aber bei den bakteriellen Gemeinschaften der Rhizosphäre ergab sich ein gemeinsames Cluster aus bestrahlten und nativen Kompost mit deutlichen Sub-Clustern zwischen bestrahlten und nicht-bestrahlten Proben. Bemerkenswert war, dass in Abhängigkeit vom Pathogen bzw. dem Inkokulum keine Veränderung in der Gruppierung der mikrobiellen Gemeinschaften auftrat und zwar weder bei den Substratproben noch bei den Rhizosphären Proben. Vielmehr waren die Gruppierungen der Fingerprints durchweg vom Substrat als wichtigstem Faktor dominiert. Entscheidend ist die Erkenntnis, dass in diesem Wirt-Pathogen System unterschiedliche den einzelnen Kompost dominierende mikrobielle Gesellschaften zum gleichen Ergebnis bei der Pathogen Suppression führen. Es drängt sich daher der Schluss auf, dass neben der Identifizierung der beteiligten Bakterien und Pilz-Arten, die Analyse der funktionellen Diversität ein weiterer wichtiger Schritt zur Aufklärung der beteiligen Mechanismen bei den suppressiven Effekten von Komposten sein dürfte. Eine Überprüfung der Fluorescein-Diacetat-Hydrolserate (FDA-HR) als ein Maß der Suppression nach 21 Tagen Versuchsdauer ergab zudem, dass zwar die mikrobielle Aktivität der Kompostsubstrate im Vergleich zum Referenzsubstrat deutlich höher war, aber auch in den Substraten mit sterilisierten Kompost, die nicht suppressiv gewirkt haben, eine ähnlich hohe mikrobielle Aktivität wie in den Substraten mit nicht sterilisierten Kompost ermittelt werden konnte. Dies zeigt zum einen, dass eine Identifizierung der mikrobiellen und funktionellen Diversität in suppressiven Substraten von elementarer Bedeutung ist, zum anderen aber auch, dass die FDA-HR per se als ein Maß für die Suppression nicht zu empfehlen ist. In einer anschließenden Studie wurden die suppressiven Effekte des Biogut-Kompostes mit einem Kompost Tee, der aus demselben Biogut-Kompost hergestellt worden war, in gleichem methodischem Ansatz wie oben beschrieben verglichen. Der Kompost (50 vol%) hatte eine suppressive Wirkung, die klar über der des Komposttees lag. Eine Zugabe des Komposttees zum Referenzsubstrat bzw. zum Substrat mit Kompost steigerte dessen Suppressivität nicht. Insofern war es folgerichtig, dass sich in den molekularbiologischen Untersuchungen keine Effekte durch die Zugabe des Komposttees zum Kompostsubstrat ergaben. Bemerkenswert aber war, dass durch die Zugabe des Kompost-Tees zum Referenzsubstrat Torf zwar eine deutliche Veränderung der mikrobiellen Gemeinschaften im Substrat bzw. auf der Rhizosphäre ermittelt werden konnte, aber diese strukturelle Änderung keine Auswirkung auf die Pflanzengesundheit hatte. Im Verlauf der Dissertation wurde ein weiteres System mit Pythium aphanidermatum in Tomaten und Gurken entwickelt. Dabei stand im Zentrum des Interesses, eine stabile Methode ähnlich der im System Pythium ultimum - Gurke für das gleiche Torfbasissubstrat zu nutzen, in dem der Erreger mittels einer Substrat Inokulation eingesetzt wird. Die Machbarkeit der neuen Methode konnte in Bezug auf die Temperaturen bei der Vermehrung des Erregers, der Inokulumstufen sowie der Kultivierungstemperaturen für Tomaten und Gurken (mehrere Sorten) im Gewächshaus demonstriert und optimiert werden. Jedoch sind die Ergebnisse, die die Anwendung des neu entwickelten Systems Pythium aphanidermatum in mehreren Testverfahren mit je 4 Tomaten und Gurken-Sorten mit demselben Biogut-Kompost mit bekannter Suppression gegenüber P. ultimum zeigen als vorläufig zu betrachten. Obwohl die Krankheitsunterdrückung in Tomaten und Gurken mit diesem Kompost evident war, macht die Variabilität des Bioassays weitere Arbeit zur Entwicklung einer stabilen und validen Test Methode notwendig, um klarere Resultate zu erzielen.ger
dcterms.accessRightsrestricted access
dcterms.creatorFerguson-Kramer, Victoria
dc.contributor.corporatenameKassel, Universität Kassel, Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften
dc.contributor.refereeFinckh, Maria (Prof. Dr.)
dc.contributor.refereeBruns, Christian (Dr.)
dc.description.everythingPlease contact Dr. Christian Bruns (ch.bruns@uni-kassel.de) for a copy of this thesis.ger
dc.subject.swdKompostger
dc.subject.swdMikroflorager
dc.subject.swdInhibitionger
dc.subject.swdBodenorganismusger
ubks.embargo.end2019-08-14
dc.date.examination2017-01-12


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