Sweet potato production in South Sudan : current status, virus infections and whitefly vector diversity

Abstract

Sweet potato (Ipomoea batatas (L.) Lam.) is an important staple food crop that assures food security in sub-Saharan Africa, especially East Africa. In South Sudan, sweet potato is a main staple food crop for many farming communities. The production of sweet potato worldwide is limited by many biotic constraints of which virus diseases are the second most important after sweet potato weevils (Cylas spp.). There is currently no information available on viruses infecting sweet potato and insect vectors of sweet potato viruses in South Sudan. This is due to decades of war that has led to limited access to technological advances in crop production, and little effort on research of crop plants in South Sudan. This thesis presents the first report on the identity, incidence and distribution of viruses infecting sweet potato in South Sudan. In addition, the genetic diversity of the whitefly (Bemisia tabaci) (virus transmitting vector) populations collected from South Sudan is reported for the first time. As a first step in this study, a first baseline information on farmers’ knowledge and perceptions on pests and diseases of sweet potato and production constraints, is also presented. The baseline survey was conducted in five counties in three states of South Sudan: Wau County (Western Bahr el Ghazal state), Magwi County (Eastern Equatoria State), Lainya, Morobo and Yei counties (Central Equatoria state). Using a structured questionnaire, 180 farm households were interviewed. The results show that farmers were aware of the damage caused by pests and diseases on sweet potato but most of them (64.3%), had limited knowledge on how to identify diseases affecting sweet potato. Insect pests were perceived to be more damaging and sweet potato weevil was considered the most serious insect pest by 42.7% of the farmers. The majority of farmers (60.2%) did not practice pests and diseases control methods. Key production constraints facing farmers in order of importance were: lack of extension services (55%), lack of improved varieties (48.9%), low sale prices of sweet potato (43.9%), lack of credit services (43.3%), price fluctuations (42.8%), field pests (41.7%), drought (40.6%) and diseases (38.3%). A survey of sweet potato viruses in sweet potato fields in the five counties revealed virus and virus-like symptoms with moderate disease incidence and mild symptom severity in the surveyed fields. Viruses infecting sweet potato were detected from sweet potato samples collected from fields in the five surveyed counties using double antibody and triple antibody sandwich enzyme-linked immunosorbent assay (DAS- and TAS-ELISA), reverse-transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and small-RNA deep-sequencing (SRDS). Altogether 15 viruses were detected belonging to 6 genera, including two potyviruses, one crinivirus, seven begomoviruses, one cavemovirus, one mastrevirus and three badnaviruses. These results indicate the diversity of sweet potato viruses in South Sudan. The two most important viruses, Sweet potato feathery mottle virus (SPFMV; genus Potyvirus) and Sweet potato chlorotic stunt virus (SPCSV; genus Crinivirus) and their co-infections, which cause the severe sweet potato virus disease (SPVD), were identified in four of the five surveyed counties (Wau, Magwi, Lainya and Yei). This confirms the prevalence of SPVD in South Sudan and supports previous reports that SPFMV and SPCSV are the most commonly occurring and the most important viruses of sweet potato in East Africa. The begomovirus, Sweet potato leaf curl virus (SPLCV) was also widespread, identified in all the counties surveyed. The genetic variability of B. tabaci populations were investigated. Due to the civil insecurity in the country at the time of this study, data were accessible in only one geographical location. One hundred and sixty-two B. tabaci individuals were collected from sweet potato, cassava, tomato and squash from 10 locations in Juba County, Central Equatoria State, South Sudan. Determination of phylogenetic relationships between sampled B. tabaci using sequences of mitochondrial DNA cytochrome oxidase I (mtCOI) revealed 6 distinct genetic groups of B. tabaci including three non-cassava haplotypes (Mediterranean MED, Indian Ocean (IO) and Uganda) and three cassava haplotypes (Sub-Saharan Africa 1 sub-group 1 (SSA1-SG1), SSA1-SG3 and SSA2). MED was the predominant haplotype on sweet potato and SSA2 on cassava in all the sampled locations. The Uganda haplotype was also widespread and was identified from five of the sampled locations. SSA2 was previously associated with the severe cassava mosaic disease epidemic in Uganda in the 1990s but has been largely replaced by SSA1 in all other parts of East and Central Africa. South Sudan is currently the only country in sub-Saharan Africa where SSA2 continues to predominate on cassava. The information provided in this study will be useful for future research and can serve as a basis for the development of virus and whitefly vectors management and control strategies to improve sweet potato production in South Sudan. A comprehensive assessment of the diversity and geographical distribution of sweet potato viruses and B. tabaci in all sweet potato production areas in South Sudan is proposed.

Søtpotet (Ipomoea batatas (L.) Lam.) er en viktig basismatvare som bidrar mye til matsikkerhet i Afrika sør Sahara, særlig i Øst Afrika. I Sør Sudan er søtpotet den viktigste komponenten I kosten på landsbygda. Søtpotetavlinger blir redusert av mange biologiske faktorer, hvorav virus er nummer to i viktighet etter søtpotetgresshoppe (Cylas spp.). Det finnes ingen informasjon om hvilke virus som finnes hos søtpotet i Sør Sudan eller hvilke vektorer som er der. Dette skyldes flere tiår med borgerkrig i landet, dette har medført begrenset tilgang til forbedrede metoder i landbruket og svært liten innsats innen forskning på kulturplanter i denne perioden. Denne doktoravhandlingen er det første vitenskapelige arbeidet omkring identiteten, forekomst og utbredelse av virus hos søtpotet i Sør Sudan. I tillegg er dette den første studien av den genetiske diversiteten i populasjoner hos vektoren som overfører virus, kvitfly (Bemisia tabaci) som er samlet inn i Sør Sudan. Som første del av arbeidet, ble det utført en spørreundersøkelse blant bønder for å få en basis for kunnskapsnivået omkring faktorer som påvirker avlinger I søtpotet i landet, samt kunnskapen omkring virussykdommer og tiltak for å begrense skadeomfanget. Spørreundersøkelsen ble utført i fem fylker i tre av statene i Sør Sudan: Wau County (Western Bahr el Ghazal state), Magwi County (Eastern Equatoria State), Lainya, Morobo og Yei counties (Central Equatoria state). Ved å bruke et strukturert spørreskjema ble 180 gårdshusholdninger intervjuet. Resultatene viser at bønder er klar over skadene fra skadedyr og sykdommer hos søtpotet, men flesteparten (64.3%) hadde bregenset kunnskap om hvordan man identifiserer sykdommer som fører til skader i søtpotet. Skadeinsekter ble antatt å være mest skadelige og søtpotetgresshopper ble angitt som den mest alvorlige hos 42.7% av bøndene. Flesteparten av bøndene (60.2%) gjorde ingen kontrolltiltak mot skadedyr og sykdommer. De viktigste avlingsreduserende faktorene, nevnt etter oppgitt viktighet var: mangel på rådgivingstjenester (55%), mangel på forbedrete sorter (48.9%), lave priser på avlingen av søtpotet ved salg (43.9%), mangel på kredittmuligheter (43.3%), prisfluktueringer (42.8%), skadedyr pests (41.7%), tørke (40.6%) og sykdommer (38.3%). Ved prøvetaking av søtpotet i alle de samme fem fylkene, viste det seg at det var moderate virus og virusliknende symptomer i de undersøkte områdene. Virus som angriper søtpotet ble undersøkte ved hjelp av doble og triple antistoff ved ELISA-tester (sandwich enzyme-linked immunosorbent assay (DAS- and TAS-ELISA), reverse-transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) og small-RNA deep-sequencing (SRDS). Tilsammen ble det funnet 15 virus som tilhører 6 virusslekter, som innebefatter to potyvirus, en crinivirus, syv begomovirus, one cavemovirus, en mastrevirus og tre badnavirus. Dette gir en indikasjon på diversiteten hos søtpotetvirus i Sør Sudan. De to viktigste virusene, Sweet potato feathery mottle virus (SPFMV; genus Potyvirus) og Sweet potato chlorotic stunt virus (SPCSV; genus Crinivirus) og deres saminfeksjon, som sammen forårsaker den alvorlige tilstanden som kalles søtpotetvirussykdom (sweet potato virus disease (SPVD)), ble funnet i fire av de undersøkte fem fylkene (Wau, Magwi, Lainya and Yei). Dette bekrefter den vide utbredelsen av SPVD i Sør Sudan og støtter samtidig tidligere undersøkelser i andre land som sier at SPFMV og SPCSV er de mest utbredte og viktigste virusene hos søtpotet i Øst Afrika. Begomoviruset, Sweet potato leaf curl virus (SPLCV) var også svært utbredt og ble funnet i prøver fra alle de fem fylkene som ble undersøkt. Den genetiske diversiteten hos populasjoner av virusvektoren kvitfly (B. tabaci) ble undersøkt. På grunn av pågående borgerkrig, var det bare mulig å samle insektene i ett geografisk område. Ett hundre og sekstito B. tabaci individer ble samlet inn på søtpotet, cassava, tomat og squash fra 10 steder i Juba County, Central Equatoria State, Sør Sudan. Bestemmelse av fylogentisk slektsskap mellom innsamlede B. tabaci individer ble utført ved å bruke sekvensen til mitokondrie-DNA cytochrome oxidase I (mtCOI). Analysen viste seks distinkte genetiske grupper av B. tabaci, derav tre non-cassava haplotyper (Mediterranean MED, Indian Ocean (IO) og Uganda), samt tre cassava haplotyper (Sub-Saharan Africa 1 sub-group 1 (SSA1-SG1), SSA1-SG3 og SSA2). MED var den dominerende haplotypen på søtpotet og SSA2 var den dominerende på cassava på alle stedene innsamlingen var foretatt. Uganda haplotypen var også utbredt og ble identifisert fra fem av ti innsamlingssteder. SSA2 har tidligere av forbundet med alvorlige epidemiske angrep av cassava mosaic disease i Uganda på 1990-tallet, men har siden blitt for en stor grad blitt erstattet av SSA1 i alle andre deler av Øst- og Sentral Afrika. Sør Sudan er for tiden det eneste landet i Afrika sør for Sahara der SSA2 fortsatt er den dominerende på cassava. Informasjonen fra denne doktoravhandlingen vil være svært nyttig i den videre forskningen I Sør Sudan og kan tjene som et utgangspunkt for utvikling av virus og vektorbekjempelse for å forbedre avlingene hos søtpotet i Sør Sudan. Det er foreslås at det blir gjennomført mer omfattende undersøkelser av diversiteten og geografisk utbredelse av virus og B. tabaci hos søtpotet i alle deler av Sør Sudan der søtpotet dyrkes, når det er trygt å ferdes der.