Pathogenic and arbuscular mycorrhizal fungi in potato fields in Estonia

Soil fungi have fundamental ecological roles as decomposers, mutualists, and pathogens of plants. Roots of agricultural plants are hosts for various microorganisms. These include many harmful, often soilborne, pathogens, as well as beneficial organisms such as plant growth- and health‐promoting arbuscular mycorrhizal (AM) fungi. Potato (Solanum tuberosum L.) yield and quality is very sensitive to various pathogens. Soils contain distinct AM fungal communities and most crops (including potato) naturally become colonized by AM fungi in the absence of inoculation. In the current thesis, diversity, abundance, and community composition of putative pathogenic fungi and symbiotic AM fungi in potato fields in Estonia is studied. We found that potato roots have higher AM fungal colonization levels under organic, rather than conventional, farming. However, colonization of potato roots by AM fungi is extremely low in both of these management types. Relative abundance of AM fungi is significantly higher at the end of the growing season compared to the beginning. Seasonal and cultivar-driven changes of soilborne phytopathogenic fungal communities in conventional potato production, both within roots and in soil, were studied for the first time on a large number of potato cultivars using high-throughput sequencing. Cultivar influenced root-pathogenic fungal richness and community composition more than sampling time or sampling time x cultivar interaction. Additionally, cultivar had a significant effect on root fungal pathogen relative abundance. In soil, the community composition of putative pathogenic fungi changed significantly over time. Under increasing threat of plant disease outbreaks, the speed of detection of plant disease agents is essential for avoiding large-scale crop losses. This thesis work demonstrated that the third-generation sequencing device MinION is well suited for rapid, PCR-free diagnosis of fungal pathogens and other eukaryotic organisms. However, care should be taken due to a number of possible limitations that might lead to misdiagnosis. Our findings demonstrate that AM fungi are present in Estonian conventional potato fields, but studied potato cultivars exhibit low AM root colonization levels. In order to benefit from AM fungi in potato cultivation, a potato growing technique that involves less soil disturbance could be used. The results of this thesis work also indicate the importance of plant breeding, concerning disease resistance; and offer implications for rapid pathogen diagnostics that may help to avoid large-scale crop losses caused by new, emerging pathogens that are undetectable from symptoms.

Muld on elupaigaks miljonitele mikroorganismidele, sealhulgas nii taimekasvu kahjustavatele kui ka soodustavatele seentele. Kartuli (Solanum tuberosum L.) saagikust ja kvaliteeti ohustavad mitmed seenpatogeenid. Teisalt on kartul võimeline moodustama kasulike krohmseentega arbuskulaarset mükoriisat (AM). Käesolevas doktoritöös analüüsiti Eesti traditsioonilise kasvatustehnoloogiaga kartulipõldudel kartulijuuri ja mulda asustavate patogeensete seente ja taimedega sümbioosis kasvavate arbuskulaarmükoriissete seente mitmekesisuse näitajaid ning nende seoseid kartuli kasvufaasi ja sordiga. Lisaks katsetati ülikiireid protokolle taimekoest patogeenide tuvastamiseks. Käesoleva doktoritöö tulemused näitasid, et AM-seente kolonisatsioon oli üldiselt väga väike, kuid maheviljeluses oli see siiski suurem kui tavaviljeluses. Kartuli kasvuperioodi lõpus on põllumulla AM seente suhteline ohtrus võrreldes kasvuperioodi algusega oluliselt kõrgem. Selle põhjuseks võib olla kasvuperioodi alguses läbiviidavate mitmete järjestikuste mullaharimise häiringu võimalik mõju, mis aeglustab mullas looduslikult eksisteerivate AM seente ja lühikese kasvuajaga kartulitaime vahel sümbioosi tekkimist. Sekveneerimisel tuvastatud patogeensete seente suhteline ohtrus juurtes ja mullas sõltus nii taime kasvufaasist kui ka kartulisordist. Kui juurte patogeensete seente liigirikkust ja liigilist koosseisu mõjutas kartulisort, siis mulla patogeensete seeneliikide koosseisu mõjutas taime kasvufaas. Seega lubavad antud töö tulemused järeldada, et taimesortide geneetiline mitmekesisus põllul võib aidata luua põllukultuure ohustavatele patogeenidele vähem soodsa keskkonna ja seeläbi aidata luua jätkusuutlikuma agroökosüsteemi. Antud töö tulemusena leiti teadusele uudsena, et taskusekvenaatorit MinION-i saab kasutada taimekoes domineerivate patogeenide kiireks ja täpseks PCR-vabaks diagnoosimiseks. Siiski tuleb olla ettevaatlik mitmete võimalike analüüsimisel ette tulevate kõrvalekallete suhtes. Uuringute tulemused on kartulikasvatuses suure praktilise väärtusega ning kinnitavad, et krohmseened on kartulipõldudel olemas, kuid tänapäevased sordid ja kasvatustehnoloogiad ei soodusta AM seenekolonisatsiooni moodustumist. Töö tulemustest järeldub, et säästlikus kartulikasvatuses tuleb panustada rohkem sortide resistentsusaretusele ning juba aretusprogrammides võtta arvesse taim-mikroorganism vastastikuseid toimeid ja mõjusid. Antud uurimistöö tulemusena on võimalik parandada patogeenide kiiret diagnostikat, mis omakorda aitab kaasa taimepatogeenidest tingitud ulatuslike saagikadude vähendamisele.