Studies on the Collectrichum sublineolum (P. Henn)-Sorghum bicolor (L. Moench) pahosystems in Ethiopia
Abstract
This thesis covers the assessment of anthracnose incidence and severity in Ethiopia, characterisation of Colletotrichum sublineolum isolates from different sorghum regions of Ethiopia, studying the impact of four selected host genotypes and weather variables on the severity and temporal dynamics of anthracnose, and an evaluation of Ethiopian sorghum accessions for resistance to anthracnose. For these purposes, field surveys were carried out, C. sublineolum isolates were characterised using phenotypic and molecular markers, and two separate field experiments were conducted.
The field surveys were conducted in the cropping seasons 2005 and 2007, in 49 districts of six geographic regions. Anthracnose was observed in 41 (84%) of the surveyed districts but both disease incidence and severity varied significantly among the survey districts, geographic regions, altitude groups and climatic zones. Anthracnose incidence ranged from 0 to 77% while severity varied between 0 and 59% across the survey areas. Disease incidence and severity were significantly higher in the lowland (<1500 masl (meters above sea level)) and intermediate altitude areas (1500-2000 masl) as compared to the highlands (>2000 masl). Anthracnose severity was the highest (ca. 40%) in areas characterised by high rainfall (>1200 mm/annum) and intermediate temperature (16-30°C). Areas with moderate rainfall (800-1200 mm/annum) and intermediate or high (>30°C) temperature had a much lower anthracnose severity (<20%). Correlation analysis revealed a significantly positive relationship between rainfall and anthracnose development while temperature did not have a significant effect.
In order to study the diversity within C. sublineolum from Ethiopia, sorghum leaves showing anthracnose symptoms were collected from five sampling sites (North, East, South, Southwest 1 and Southwest 2) in four geographic regions, and single spore isolates were categorised into five groups based on their sampling origin. For phenotypic characterisation 50 randomly selected single spore isolates (10 per sampling site) were cultured on PDA plates at 25ºC with four replications. There was significant variation among the isolates in growth rate (1.7-5.8 mm/day, P = 0.0023). However, colony colour and margin showed little variations.
For molecular characterisation, amplified fragment length polymorphism analysis (AFLP) was conducted on 102 isolates using six primer combinations. The isolates were highly diverse as revealed by Dice similarity coefficients between individual isolates (0.32-0.96, mean 0.78), average gene diversity for each isolate-group (0.14-0.23, mean 0.19) and proportion of polymorphic peaks per isolate-group (44-68%, mean 58%). Pair-wise genetic distances, and cluster and principal coordinate analyses suggested the genetic separation of the Southern and Eastern isolates from the other groups and also from each other. Overall there was high genetic variation (FST = 0.42) and limited gene flow (Nm = 0.34), and hence such variations should be given due considerations in future sorghum breeding programmes.
The impact of four selected host genotypes and weather variables on anthracnose development was studied in a two year field experiment in southern Ethiopia. The four sorghum genotypes (AL70, BTx623, 2001 HararghieColl No. 12 and 2001 PWColl No. 022) were planted in a randomised complete block design with four replications. Initial, final and mean anthracnose severities; and area under the disease progress curves were used as evaluation criteria. Highly significant variations were found among the tested genotypes regardless of the evaluation criteria and experimental year confirming the impact of host genotypes on anthracnose. Anthracnose appeared earlier and progressed rapidly on the susceptible genotype (BTx623) while it appeared late and progressed slowly on the resistant genotype (2001 PWColl No. 022). Initial, final and mean anthracnose severities were all lowest (0.88, 7.56 and 3.57 %, respectively) on 2001 PWColl No. 022 and highest (16.13, 78.38 and 46 %, respectively) on BTx623 across the years. The remaining two genotypes (2001 HararghieColl No. 12 and AL70) had intermediate responses. Correlation and regression analyses revealed a significant impact of rainfall on anthracnose development while temperature appeared to have a non significant effect further confirming the results from the field survey.
In another field experiment, a total of 56 Ethiopian sorghum accessions and two susceptible checks (AL70 and BTx623) were evaluated for resistance to anthracnose. Final anthracnose severity (FAS) at 140 days post planting, relative area under the disease progress curve (rAUDPC) and disease progress rate (R) were used as evaluation parameters, and they all varied significantly among the tested accessions. FAS varied between 6.6 and 77.7% while rAUDPC and R ranged from 0.1 to 1.7 and from 0.01 to 0.06 units/day, respectively, over the two years. Analysis of variance revealed significant impact of experimental years, and accession by year interaction on anthracnose development suggesting lack of stable reaction by some accessions. Correlations between the evaluation parameters were high and hence final anthracnose severity was recommended as an efficient and time saving parameter in anthracnose resistance evaluations.
All the Ethiopian accessions had significantly lower disease level compared to the susceptible check (BTx623) regardless of the evaluation parameter and experimental year. Fifteen and 18 accessions were rated resistant to anthracnose in 2007 and 2008, respectively, of which six accessions were consistently resistant in both years. The current results suggest the potential Ethiopian sorghum genotypes may have in serving as sources of resistance to anthracnose. Avhandlingen inneholder en kartlegging av forekomst og angrepsgrad av antraknose i Etiopia, en alvorlig sjukdom på sorgum. Isolater fra den patogene soppen Colletotrichum sublineolum samlet i ulike etiopiske sorgumregioner ble karakterisert. Effekter av fire utvalgte sorgum genotyper og klima på antraknose ble studert og resistens mot sjukdommen i etiopiske sorgumlinjer ble bestemt. Soppen ble kartlagt i felt og isolater ble karakterisert ved hjelp av fenotype og molekylære markører. To feltforsøk ble gjennomført.
I vekstsesongene 2005 og 2007 ble sjukdommen kartlagt i 49 distrikter lokalisert til seks geografiske regioner. Antraknose ble funnet i 41 (84 %) av de kartlagte distriktene, men det var signifikante forskjeller i både forekomst og angrepsgrad mellom distrikter, geografiske regioner, høydenivåer og klimasoner. Forekomsten av antraknose varierte fra 0 til 77 %, mens angrepsgraden varierte mellom 0 og 59 % i distriktene som ble kartlagt. Forekomsten av antraknose var signifikant høyere i lavlandet (<1500 moh (meter over havet)) og i middels høgder (1500 – 2000 moh) sammenlignet med høglandet (>2000 moh). Angrepene av antraknose var sterkest (ca 40 %) i nedbørrike distrikter (>1200 mm årlig) og middels temperatur (16 – 30°C). Distrikter med middels nedbør (800 – 1200 mm) og middels eller høg (>30°C) temperatur hadde mye svakere angrepsgrad (<20%). Det var signifikant positiv korrelasjon mellom nedbør og antraknoseangrep, mens det ikke var signifikant virkning av temperatur.
For å studere variasjonen innen C. sublineolum i Etiopia, ble sorgumblad med antraknosesymptomer samlet inn fra fem lokaliteter (nord, øst, sør, sørvest 1 og sørvest 2) i fire
geografiske regioner. Ensporeisolater ble delt i fem grupper basert på geografisk opprinnelse. For fenotypisk karakterisering ble 50 tilfeldig valgte ensporeisolater (10 fra hver prøvetatt lokalitet) dyrket på PDA ved 25°C med fire gjentak. Det var signifikante forskjeller i vekstrate mellom isolatene (1.7-5.8 mm/daglig, P=0.0023). Men det var liten forskjell mellom kulturene i farge og veksttype.
“Amplified fragment length polymorphism” (AFLP) med seks primerkombinasjoner ble brukt til molekylær karakterisering av 102 isolater. Den store diversiteten mellom isolatene ble vist ved Dice likhetskoeffisient mellom enkelt isolater (0.32-0.96, gjennomsnitt 0.78), gjennomsnittlig gendiversitet for hver isolatgruppe (0.14-0.23, gjennomsnitt 0.19) og andelen polymorfe topper for hver isolatgruppe (44-68%, gjennomsnitt 58%). Parvis genetisk distanse, samt kluster og prinsippiell koordinatanalyse indikerte genetisk separasjon både mellom sørlige og østlige isolater, og mellom disse isolatene og isolater fra andre geografiske områder. Det ble påvist stor genetisk variasjon (FST = 0.42) og begrenset genflyt (Nm = 0.34). Denne variasjonen bør vektlegges i framtidig foredling for resistens mot antraknose.
Virkningen av fire sorgum genotyper og klimavariabler på antraknose ble studert i feltforsøk gjennom to vekstsesonger i Sør-Etiopia. De fire genotypene (AL70, BTx623, 2001 HararghieColl No. 12 og 2001 PWColl No. 022) ble plantet i randomiserte, komplette blokkforsøk med fire gjentak. Antraknoseangrepene tidlig og sent i sesongen samt gjennomsnitt ble bestemt. Arealet under kurven for sjukdomsutvikling ble også brukt til vurdering av genotypene. Det var sterk signifikant variasjon mellom genotypene uavhengig av vurderingskriterier og forsøksår. Dette bekreftet betydningen av genotypene for resistens mot antraknose. Sjukdommen startet tidligere og utviklet seg raskere på den mottakelige genotypen (BTx623), mens den kom senere og utviklet seg saktere på den resistente genotypen (2001 PWColl No. 022). Tidlige, sene og gjennomsnitt angrep av antraknose var svakest (henholdsvis 0.88, 7.56 og 3.57%) på 2001 PWColl No. 022 og sterkest (henholdsvis 16.13, 78.38 og 46%) på BTx623 over år. Angrepsgraden på de to andre genotypene 2001 HararghieColl No 12 og AL70) lå mellom de to ytterpunktene. Korrelasjons- og regresjonsanalyser viste signifikant virkning av nedbør på utviklingen av antraknose, mens temperaturen ikke hadde signifikant virkning. Disse resultatene samsvarer med data fra kartleggingen i felt.
I et annet feltforsøk ble 56 etiopiske sorgumlinjer og to mottakelige kontroller (AL70 og BTx623) bedømt for resistens mot antraknose. Angrepsgrad ved slutten av sesongen (FAS) 140 dager etter planting, relativt areal under kurven for sjukdomsutvikling (rAUDPC) og fart på sjukdomsutviklingen (R) ble brukt som parameter ved vurderingen. Det var signifikant variasjon mellom linjene for alle disse parametrene. Gjennom to år var FAS mellom 6.6 og 77.7%, rAUDPC var mellom 0.1 og 1.7 og R varierte mellom 0.01 og 0.06 enheter/dag. Variansanalyse viste signifikant virking av forsøksår og samspill mellom år og sorgumlinje. Dette tydet på ustabil reaksjon hos noen linjer. Det var sterk korrelasjonen mellom vurderte parmetre. Derfor kan vurdering ved slutten av vekstsesongen tilrås som effektiv og tidsbesparende evaluering av resistens mot antraknose.
Alle etiopiske linjer hadde signifikant svakere angrep av antraknose enn den mottakelige kontrollen (BTx623) ved alle vurderingskriterier og i begge forsøksår. I 2007 ble 15 linjer vurdert som resistente, mens i 2008 ble 18 linjer bedømt som resistente. Seks linjer var resistente begge år. Resultatene viser at etiopiske sorgumlinjer har potensial som kilder for resistens mot antraknose.