Pathogenic ice-nucleation active bacteria in willows for short rotation forestry

Pathogene eiskeimbildende Bakterien in Weidenplantagen mit kurzen Umtriebszeiten

Authors


Summary

Extensive sampling of endophytically growing bacteria from shoots of diseased Salix viminalis clones were performed in trials at two experimental sites in central Sweden. Field, greenhouse and laboratory studies were conducted to identify and characterize the plant-associated bacteria and determine their possible role in the severe dieback appearing in short rotation forestry (SRF) plantations in Sweden during the last few years. The most frequently isolated types were found to be non-fluorescent Pseudomonas fluorescens (biotype A, C, G) and Sphingomonas spp. (23%). Erwinia spp., P. fluorescens, P. syringae and Xanthomonas spp. each constituted 11–14% of the bacterial isolates respectively. After biochemical characterization and screening for ice-nucleation activity (INA) 78 of the originally 279 isolated bacterial strains were selected for pathogenicity tests and further analyses. Of the 78 selected isolates, 95% were found to be pathogenic, giving different degrees of necrotic reactions after inoculation to Salix plants. Half of these pathogens (46%) also showed strong INA (at temperatures between −2.5 and −5°C). With respect to both isolation frequency, clonal distribution in the field, ice-nucleation ability and necrotic reactions of willow in laboratory tests, we consider the following types to be the most important pathogens in the field: Erwinia spp., P. syringae, Sphingomonas/P. fluorescens spp. (biotype A, C, G) and Xanthomonas spp. Reported damage and dieback in many SRF-plantations are, according to our results, very likely to be a consequence of bacterial infections, particularly of pathogenic INA-strains, which both initiate freezing stress and aggravate the frost damage of plants by subsequent invasion of plant tissues leading to complete death of plants under field conditions.

Résumé

Un large échantillonnage des bactéries endopohytes des pousses de clones de saules malades (Salix viminalis) a été réalisé dans deux sites expérimentaux du centre de la Suède. Des études au champ, en serre et au laboratoire ont été effectuées afin d'identifier et de caractériser ces bactéries et de déterminer leur rôle possible dans les sévères dépérissements observés au cours des dernières années dans les taillis à courte rotation en Suède. Les types les plus fréquemment isolés sont des P. fluorescens non-fluorescents (biotype A, C, G) et Sphingomonas spp. (23%). Erwinia spp., P. fluorescens, P. syringae and Xanthomonas spp., constituent chacun 11–14% des isolats. Après caractérisation biochimique et étude de l'activité glaçogène, 78 des 279 souches bactériennes isolées au départ ont été retenues pour des tests de pouvoir pathogène et d'autres analyses. Parmi les 78 isolats retenus, 95% se sont avérés pathogènes, donnant différents degrés de réaction nécrotique après inoculations sur les plants de saules. La moitié de ces souches pathogènes (46%) ont également montré une forte activité glaçogène (à des températures comprises entre −2.5°C et −5°C). Au vu des fréquences d'isolement, de la distribution clonale au champ, de l'activité glaçogène et des réactions nécrotiques sur saules dans les tests de laboratoire, les types suivants sont considérés comme les agents pathogènes les plus importants au champ: Erwinia spp, P. syringae, Sphingomonas/P. fluorescens spp. (Biotype A, C, G), et Xanthomonas spp. Nos résultats suggèrent que les dégâts et dépérissements mentionnés dans de nombreux taillis à courte rotation pourraient être la conséquence d'infections bactériennes, particulièrement de souches glaçogènes pathogènes, qui à la fois sont à l'origine d'un stress de gel chez les plantes et aggravent les dégâts de gel par l'invasion ultérieure des tissus végétaux, conduisant à la mort totale des plants dans les conditions de terrain.

Zusammenfassung

An zwei Standorten in Zentralschweden wurden aus erkrankten Salix viminalis-Klonen endophytische Bakterien isoliert. Diese wurden anhand von Feld-, Gewächshaus- und Laboruntersuchungen identifiziert und charakterisiert mit dem Ziel, ihre mögliche Rolle beim grossflächigen Absterben von Weiden in schwedischen Plantagen während der letzten Jahre zu klären. Am häufigsten wurden nicht fluoreszierende Stämme von Pseudomonas fluorescens (Biotypen A, C, G) und Sphingomonas spp. (23%) isoliert. Erwinia spp., P. fluorescens, P. syringae und Xanthomonas spp. kamen mit einer Häufigkeit von 11–14% vor. Nach biochemischer Charakterierung und einem Screening für die Eiskeimbildung wurden 78 der ursprünglich vorhandenen 279 Bakterienstämme für Pathogenitätstests und weitere Analysen ausgewählt. Von diesen erwiesen sich 95% als pathogen. Nach Inokulation in Weiden traten unterschiedliche nekrotische Reaktionen auf. Die Hälfte der pathogenen Stämme (46%) zeigte eine starke Eiskeimbildung (bei Temperaturen von −2,5 bis−5°C). Unter Berücksichtigung der Isolierungshäufigkeit, der Verteilung der Klone im Feld, der Eiskeimbildung und der Nekrotisierung an Weiden unter Laborbedingungen betrachten wir die folgenden Typen als die wichtigsten Pathogene: Erwinia spp., P. syringae, Sphingomonas/P. fluorescens spp. (Biotypen A, C, G) und Xanthomonas spp. Die Schäden in vielen Weidenplantagen sind nach unseren Befunden sehr wahrscheinlich eine Folge von Bakterieninfektionen, speziell von pathogenen INA-Stämmen, die sowohl Kältestress initiieren als auch die Frostschäden durch sekundäre Invasion von Pflanzengeweben verstärken und damit das vollständige Absterben der Pflanzen unter Freilandbedingungen auslösen können.

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