Massenproduktion von entomopathogenen Pilzen, Metarhizium robertsii und Metarhizium pinghaense, zur kommerziellen Anwendung gegen Insektenschädlinge

Summary

Entomopathogene Pilze haben als biologische Bekämpfungsmittel für landwirtschaftliche Insektenschädlinge an Bedeutung gewonnen. In dieser Studie wurde die Massenproduktion einer ausreichenden Anzahl widerstandsfähiger infektiöser Vermehrungen südafrikanischer Isolate von Metarhizium robertsii und M. pinghaense für die kommerzielle Anwendung gegen Insektenschädlinge erfolgreich unter Verwendung von landwirtschaftlichen Getreideprodukten durchgeführt.

Abstract

Entomopathogene Pilze des Artenkomplexes Metarhizium anisopliae haben als biologische Bekämpfungsmittel für landwirtschaftliche Insektenschädlinge an Bedeutung gewonnen. Die Zunahme der Schädlingsresistenz gegen chemische Insektizide, die wachsende Besorgnis über die negativen Auswirkungen von Insektiziden auf die menschliche Gesundheit und die Umweltverschmutzung durch Pestizide haben zu einem globalen Bestreben geführt, neuartige nachhaltige Strategien für den Pflanzenschutz und die Schädlingsbekämpfung zu finden. Zuvor wurden Versuche unternommen, solche entomopathogenen Pilze (EPF) -Arten wie Beauveria bassiana in Massen zu kultivieren. Es wurden jedoch nur begrenzte Versuche unternommen, Metarhizium robertsii und M. pinghaense zur Verwendung gegen Insektenschädlinge zu kultivieren. Diese Studie zielte darauf ab, eine ausreichende Anzahl widerstandsfähiger infektiöser Propagulationen südafrikanischer Isolate von M. robertsii und M. pinghaense für kommerzielle Anwendungen in Massenproduktion herzustellen. Drei landwirtschaftliche Getreideprodukte, Haferflocken, Gerstenflocken und Reis, wurden als feste EPF-Fermentationssubstrate verwendet. Zwei Impfmethoden, konidielle Suspensionen und die flüssige Pilzkultur von Blastosporen, wurden verwendet, um die festen Substrate zu impfen. Es wurde beobachtet, dass die Impfung mit konidiellen Suspensionen relativ weniger wirksam ist, da auf den festen Substraten im Vergleich zur Verwendung der Blastosporen-Impfmethode erhöhte Kontaminationsgrade beobachtet wurden. Haferflocken erwiesen sich sowohl für M. robertsii als auch für M. pinghaense als geeignetes Wachstumssubstrat, da keine trockenen Konidien aus dem Substrat geerntet wurden. Es wurde festgestellt, dass Gerstenflocken die Produktion von M. robertsii-Konidien gegenüber der von M. pinghaense begünstigten, und durchschnittlich 1,83 g ± 1,47 g trockene M. robertsii-Konidien und null Gramm M. pinghaense-Konidien wurden aus dem Substrat geerntet. Es wurde festgestellt, dass Reiskörner die konidielle Massenproduktion von M. pinghaense– und M. robertsii-Isolaten begünstigen, wobei durchschnittlich 8,2 g ± 4,38 g bzw. 6 g ± 2 g aus dem Substrat geerntet wurden.

Introduction

Entomopathogene Pilze (EPF) haben als Pflanzenschutzmittel bei der biologischen Bekämpfung wichtiger landwirtschaftlicher Insektenschädlinge an Bedeutung gewonnen ^1,2. Die Entomopathogene, die natürlicherweise im Boden vorkommen, verursachen Tierseuchen in den Populationen verschiedener Schädlingsarten³. Die Arten von EPF sind wirtsspezifisch und stellen relativ wenige Risiken in Bezug auf den Angriff auf Nichtzielarten dar, und sie sind ungiftig für die Umwelt⁴. EPF haben einen einzigartigen Mechanismus für das Eindringen in ihren Wirt sowie für die Ausbreitung und Persistenz in ihrer unmittelbaren Umgebung¹. Sie greifen den Wirt hauptsächlich durch asexuelle Sporen an, die sich an die Nagelhaut des Wirts anheften und diese durchdringen, um in den Hämocoel des Wirts einzudringen und sich zu vermehren. Der Wirt stirbt schließlich aufgrund der Erschöpfung der Hämolymph-Nährstoffe oder als Folge der Toxämie, die durch die toxischen Metaboliten verursacht wird, die vom Pilz freigesetzt werden. Nach dem Tod tritt der Pilz unter idealen Umweltbedingungen auf der äußeren Oberfläche (offene Mykose) des Wirtskadavers^{aus 5,6}.

Wachsende Besorgnis über die negativen Auswirkungen chemischer Rückstände auf die menschliche Gesundheit, Umweltverschmutzung und die Entwicklung von Schädlingsresistenzen haben zu dem globalen Bestreben geführt, den Einsatz von Insektiziden auf chemischer Basis zu reduzieren und alternative, neuartige und nachhaltige Strategien für Pflanzenschutz und Schädlingsbekämpfung^zu finden 6,7,8 . Dies hat Möglichkeiten geschaffen, mikrobielle Insektizide für den Einsatz in Programmen für den integrierten Pflanzenschutz (IPM) zu entwickeln, die ökologisch günstigere Strategien sind als die herkömmliche chemische Kontrolle ^3,8.

Um ein erfolgreiches mikrobielles Bekämpfungsmittel für einen landwirtschaftlichen Schädling zu entwickeln, muss zunächst ein geeigneter Organismus isoliert, charakterisiert, identifiziert und seine Pathogenität für den Zielschädling bestätigt werden. Es ist jedoch eine einfache und kostengünstige Methode für die großtechnische Produktion des mikrobiellen Agens erforderlich, um ein lebensfähiges Produkt für die Verwendung in biologischen Bekämpfungsprogrammen 9,10,11,12,13 herzustellen. Die Massenproduktion erheblicher Mengen hochwertiger Entomopathogene hängt vom mikrobiellen Stamm, der Umwelt, dem Zielschädling, der Formulierung, dem Markt, der Anwendungsstrategie und dem gewünschten Endprodukt^{ab 14,15,16}. EPF kann unter Verwendung von flüssiger Substratfermentation zur Herstellung von Blastosporen oder des festen Substratfermentationsprozesses zur Herstellung von Luftkonidien 6,17,18 in Massenproduktion hergestellt werden. Der Massenproduktions- und Formulierungsprozess von Entomopathogenen beeinflusst jedoch direkt die Virulenz, die Kosten, die Haltbarkeit und die Feldwirksamkeit des Endprodukts. Für eine erfolgreiche Verwendung in IPM muss der Produktionsprozess der Entomopathogene einfach zu bedienen sein, minimale Arbeit erfordern, eine hohe Ausbeute an virulenten, lebensfähigen und persistenten Vermehrungen erzeugen und kostengünstig^sein 4,13,14,16.

Das Verständnis des Nährstoffbedarfs von Entomopathogenen ist wichtig für die Massenkultivierung mit allen Anbaumethoden ^4,12. Die Nährstoffkomponenten des Produktionsmediums haben einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften der resultierenden Vermehrungen, einschließlich der Wirksamkeit der Biokontrolle, des Ertrags, der Austrocknungstoleranz und der Persistenz 8,19,20,21. Die Optimierung von Produktionsabläufen ist darauf ausgerichtet, solche Faktoren anzugehen²². Für EPF sind die Hauptanforderungen für ein gutes Wachstum, Sporulation und Massenproduktion von Pilzkonidien ausreichende Feuchtigkeit, optimale Wachstumstemperatur, pH-Wert, Gasaustausch von CO₂ und_O2 und Ernährung, einschließlich guter Phosphor-, Kohlenhydrat-, Kohlenstoff- und Stickstoffquellen¹⁸.

Jaronski und Jackson¹⁸ beschreiben die feste Substratfermentationsmethode als die effizienteste und engste Annäherungsmethode an den natürlichen Prozess zur EPF-Produktion im Vergleich zur Fermentationsmethode für flüssige Substrate, da das Pilzkonidium unter natürlichen Bedingungen auf festen aufrechten Strukturen wie der Oberfläche von Insektenkadavern getragen wird. Landwirtschaftliche Produkte und Nebenprodukte, die Stärke enthalten, werden hauptsächlich für die Massenproduktion von hypokrealischen Pilzen verwendet, da die Pilze Stärke leicht durch Sekretion hochkonzentrierter hydrolytischer Enzyme aus ihren Hyphenspitzen zersetzen, um in die feste Substanz einzudringen und auf die in der Substanz vorhandenen Nährstoffe zuzugreifen^11,17,18,23 . Die Getreideprodukte liefern auch die Voraussetzungen für eine gesunde Biomasseproduktion, denn wenn sie hydratisiert und sterilisiert sind, können die Substrate weitere Nährstoffe aus jedem flüssigen Medium aufnehmen^16,18,24.

Zuvor wurde in mehreren Studien versucht, EPF-Arten wie Beauveria bassiana (Bals.) Vuil., Cordyceps fumosorosea (Wize) Kelper B. Shrestha & Spatafora, Verticillium lecanii (Zimm.) Viegas und einige der Metarhizium anisopliae (Metschn.) Sorokin-Spezies-Komplex-Isolate auf verschiedenen Substraten 16,23,24. Zu diesen massenproduzierten und kommerziell entwickelten Isolaten gehören Green Muscle^® (Stamm IMI 330189), entwickelt aus M. anisopliae var Metarhizium acridum (Driver & Milner), J.F. Bisch, Rehner & Humber, Metarhizium 69 (Meta 69 Stamm ICIPE69) und Real Metarhizium 69 (L9281), entwickelt aus M. anisopliae, und Broadband^® (Stamm PPRI 5339) und Eco-Bb^®, entwickelt aus B. bassiana ^25,26 . Es wurden jedoch begrenzte Versuche unternommen, Metarhizium robertsii J.F. Bisch., S.A. Rehner & Humber und Metarhizium pinghaense Chen & Guo in Massenkultur zu bringen. Diese beiden Isolate wurden in einer früheren Studie als die wirksamsten für die Bekämpfung der Wollläuse ausgewählt, Pseudococcus viburni Signoret (Hemiptera: Pseudococcidae)²⁷. Daher zielte die aktuelle Studie darauf ab, eine ausreichende Anzahl widerstandsfähiger infektiöser Vermehrungen der lokalen Isolate von M. robertsii und M. pinghaense für die kommerzielle Anwendung gegen Insektenschädlinge zu formulieren und in Massenproduktion zu produzieren. Die Festsubstratfermentationsmethode wurde verwendet, um die Pilzkonidien für beide EPF-Isolate in Massenproduktion herzustellen. Zwei EPF-Impfmethoden, bei denen konidielle Suspensionen und die flüssige Pilzkultur von Blastosporen verwendet wurden, wurden verwendet, um die festen Substrate zu impfen.

Protocol

1. Quelle von Pilzstämmen Verwenden Sie südafrikanische isolierte Pilzstämme von M. pinghaense 5 HEID (GenBank Accession number: MT367414/MT895630) und M. robertsii 6EIKEN (MT378171/MT380849), die aus Apfelplantagen in der Provinz Westkap, Südafrika, gesammelt wurden. Züchten Sie Kulturen jedes EPF-Isolats auf 60 g Sabouraud-Dextrose-Agar-Medium, ergänzt mit 1 g Hefeextrakt (SDAY) und 10 μL Streptomycin.HINWEIS: Inkubieren Sie EPF-Kulturen bei ein…

Representative Results

Ein Rückgang der Inhaltsmasse der Kulturen auf Reis sowohl für die M. pinghaense als auch für die M. robertsii wurde im Laufe der Zeit während der Trocknungsphase der Pilzkulturen beobachtet, wobei keine oder nur eine geringe Veränderung in der Masse beobachtet wurde, sobald die Kulturen trocken waren (Abbildung 5). Das geerntete trockene Pilzkonidienpulver sowohl der M. pinghaense als auch der M. robertsii ist in Abbildung 6</str…

Discussion

Die erfolgreiche Integration mikrobieller Wirkstoffe zur biologischen Bekämpfung wichtiger landwirtschaftlicher Insektenschädlinge in ein Agrarökosystem hängt sowohl vom Erfolg als auch von der Leichtigkeit der Massenproduktion der Entomopathogene als erster Schritt unter Laborbedingungen ab. Die Massenproduktion von EPF ist wichtig für die großtechnische Anwendung und Verfügbarkeit von EPF-Produkten für IPM-Programme unter biologischer Kontrolle 9,10,11,12,13.^…

Materials

0.05% Tween 20	Lasec		Added to conidial suspensions to allow fungal spores to mix with water
20 mL McCartney bottles	Lasec		Used to make conidial suspensions
Aluminium foil			Used as a cover of the cotton wool plugs on 250-mL flask
Autoclave			Used to sterilize materials and ingredients used for the conidia production process
Autoclave bags	Lasec		Fermentation bags or solid substrate containers
Autoclave tape	Lasec		To secure PVC pipes on the fermentation bags
Brown Kraft paper bags			Used to dry conidia cultures on agricultural grains
Bunsen burnner	Labnet (Labnet International, Inc.)		Used to flame equipment (surgical blades,inoculating loops and rims of flasks)
Clear edge test sieve			Used to separate fungal conidia from agricultural grain substrates
Corn steep liquor	SIGMA	66071-94-1	Ingredient of the blastospore liquid medium
Cotton Wool	Lasec		Used as plug of the neck for fermentation bags
Duran laboratory bottles	Neolab		Used to autoclave SDA medium and distilled water
Electrical tape			Used to tape and seal the sieve joints to prevent the escape of conidial dust
ENDECOTTS test sieve			Used to separate fungal conidia from agricultural grain substrates
Erlenmeyer Flasks, Narrow neck,250-mL flask	Lasec		Carrier of the blastospore liquid medium
Ethanol (99%)	Lasec		Used to sterilize surgical blades and inoculating loops
Flaked barley	Health Connection Wholefoods		Agricultural grain used as a solid substrate growth medium for conidia of both M. pinghaense and M. robertsii
Flaked oats	Tiger brands		Agricultural grain used as a solid substrate growth medium for conidia of both M. pinghaense and M. robertsii
Glucose	Merck		Ingredient of the blastospore liquid medium
Growth Chamber/ incubators			For growing fungal conidia culture
Haemocytometer			Used to determine conidial concentrations
Inoculating loops	Lasec		For harvesting spores to innoculate liquid medium for blastospores growth
Kitchen rolling pin			Used to manipulate the solid grain substrate bed
Laminar flow Cabinet	ESCO Laminar Flow Cabinet		Provide as sterile environment during substrate inoculation
Metarhizium pinghaense conidia	Stellenbosch University	5HEID	Cultures used to mass culture conidia of Metarhizium pinghaense
Metarhizium robertsii conidia	Stellenbosch University	6EIKEN	Cultures used to mass culture conidia of Metarhizium robertsii
Microscope	ZEIZZ (Scope. A1)		Used to determine conidial concentrations and conidial viability
Orbital shaker	IncoShake- LABOTEC		Used for the blastospore production process
Parboiled rice	Spekko		Agricultural grain used as a solid substrate growth medium for conidia of both M. pinghaense and M. robertsii
Penicillin-Streptomycin	SIGMA		Added to the SDA medium to prevent bacterial contamination
Petri-dishes	Lasec		Containers for the SDA medium
Pipettes and pipette tips	Labnet (BioPette PLUS)		Used to measure liquids ingredients
Polyvinylchloride Marley waste pipe			Used to create a neck for the fermentation bag
Potassium phosphate dibasic (K2HPO4)	SIGMA-ALDRICH		Ingredient of the blastospore liquid medium
Rubber band			Used to secure the secure the surgical paper over the fermentation bag PVC pipe necks
Sabaroud dextrose agar (SDA)	NEOGEN Culture Media		Medium used to culture spores of both Metarhizium pinghaense and Metarhizium robertsii
Sterile distilled water			To hydrate agricultural grains, to make conidial suspensions
Sticky pad			Used to secure the seives on the vibratory shaker
Surgical blade	Lasec		Used to scrape off spores from fungal cultures
Surgical paper	Lasec		Used to cover the PVC necks and cotton wool plugs of the fermentation bag
Vibratory shaker			Used to shake conidia off the agricultural grain substrates
Vortex mixer	Labnet (Labnet International, Inc.)		Used to mix conidial suspensions in Mc Cartney bottles
Yeast extract	Biolab		Added to the SDA medium to improve spore germination and growth
Zipper-lock bags	GLAD		Used to to store harvested fungal conidia