Humboldt-Universität zu Berlin - Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften

Dissertation zur Verleihung des akademischen Grades Doctor rerum agriculturarum (Dr. rer. agr.) an der Landwirtschaftlich–Gärtnerischen Fakultät der Humboldt–Universität zu Berlin

Taye Tessema Wondimu ((B.Sc., M.Sc.)

Datum der Promotion: 12. 12. 2002

ISBN 3–89820–456–1
Mensch & Buch Verlag, Berlin 2002

Die konkurrenzstarke, klimatisch sehr anpassungsfähige, allergene Pflanzenart Parthenium hysterophorus L. (Compositae) wurde in den 1970er Jahren über mehrere Wege nach Äthiopien eingeschleppt und hat bis heute große Teile des Landes besiedelt. Betroffen davon sind Straßen– und Flussuferbereiche, Weideland sowie acker– und gartenbaulich genutzte Flächen. In kurzer Zeit wurde P. hysterophorus (Parthenium weed) im Norden und Osten Äthiopiens zu einer dominanten Unkrautart mit teilweise extremen Pflanzendichten auf den Äckern.

Zur Ermittlung der Ausbreitung der Pflanze und der Befallsituation mit Pathogenen wurden 1998 – 2001 drei landesweite Untersuchungen durchgeführt.
P. hysterophorus L. hat sich von den heißen, semiariden Gebieten der tieferen Regionen (900 m ü.M.) über mittlere Höhenlagen bis in die humiden Hochlagen (2500 m ü.M.) ausgebreitet.

Von verschiedenen Pflanzenteilen wurden Pilzarten der Gattungen Helminthosporium, Phoma, Curvularia, Chaetomium und Alternaria isoliert. In den Pathogenitätsprüfungen unter optimalen Bedingungen bildeten sie wenig Symptome, ausgenommen ein Helminthosporium–Isolat mit einer geringen Virulenz. Für eine weitere Bearbeitung mit dem Ziel eines Bioherbizids erscheint keiner der Arten und Stämme erfolgversprechend.

Als die beiden wichtigsten Krankheiten von P. hysterophorus wurden der autözische Rostpilz Puccinia abrupta Diet. & Holw. var. partheniicola (Jackson) Parmelee und die Fababohnenphytoplasmose mit der Bezeichnung Phyllodie festgestellt. Der Rost trat in Gebieten mit 1500 bis 2500 m ü.M. in einer Häufigkeit von 5 bis 100 % auf, während die Phyllodie zwischen 900 und 2300 m ü.M. mit einer Häufigkeit von 5 bis 75 % gefunden wurde.

Unter optimalen Feuchtebedingungen und 20 °C keimten die Uredosporen von P. abrupta nach 5 Stunden. Eine Beeinflussung der Keimung durch den Mycoparasiten Sphaerellopsis filum wurde nicht festgestellt.

Aus mit Phyllodie erkrankten frischen und getrockneten P.–hysterophorus–Pflanzen wurde die DNA des Erregers isoliert und mit der Hilfe der PCR (Primer P1/P7) wurden ribosomale Sequenzen von 1800 bp amplifiziert. Für alle Proben ergaben sich bei Restriktionsverdau der PCR–amplifizierten DNA und Gelelektrophorese Bandenmuster, die für die Fababohnen–Phytoplasma–Gruppe charakteristisch sind. Mittels der phytoplasmaspezifischen PCR–Primer wurde aus der als Vektor verdächtigen Blattwanze Tylorilygus apicalis von der Gesamt–DNA ein DNA–Fragment isoliert und amplifiziert. Das Bandenmuster bei Restriktionsverdau mit AluI ist jedoch nicht identisch mit dem der an Phyllodie erkrankten Partheniumpflanzen.

Die Wirkungen von P. abrupta und Phyllodie auf die morphologischen Merkmale und die Samenproduktion von P. hysterophorus wurden in verschiedenen Befallsgebieten Äthiopiens quantifiziert.
P. abrupta reduzierte die Höhe, die Blattanzahl, die Anzahl der Seitentriebe , die Trockenmasse und die Samenanzahl um 11, 22, 28, 13, 25 bzw. 43 %.
Phyllodie reduzierte die Höhe, die Blattfläche und die Samenanzahl signifikant um 29, 81 bzw. 85 %; die Blattanzahl, die Anzahl der Seitentriebe und die Trockenmasse um 39, 40 bzw. 18 %.

Im Virulenztest von P.–abrupta–Isolaten zeigten die Stämme aus den Gebieten Ambo und Debre Zeit die höchste Anzahl an infizierten Blättern und Rostpusteln je Blatt.
Beim Test von P.–hysterophorus–verwandten Kulturpflanzen und Unkräutern auf die Wirtsspezifität des Rostes gab es nur bei Guizotia abyssinica einige kleine Pusteln.

Besonders Phyllodie, aber auch P. abrupta haben die Konkurrenzkraft und die Vermehrungsfähigkeit von P. hysterophorus in vielen Gebieten erheblich gemindert. Aus diesem Grund sind diese Krankheiten wichtige Komponenten einer integrierten Bekämpfungsstrategie. Weitere Untersuchungen müssen gemacht werden, um die Vektoren der Phyllodie zu finden und ihre Wirtsspezifität gegenüber wichtigen äthiopischen Kulturpflanzenarten zu ermitteln.

The highly competitive, adaptable and allergenic weed Parthenium hysterophorus L. (Compositae) is an invasive annual weed believed to be introduced to Ethiopia in 1970s and has currently spread to the most part of the country. Parthenium was observed growing in different habitats from hot arid and semi-arid low altitude (912 m) to high-mid-altitude (2500 m) of the study areas. It was observed that parthenium grows on roadsides, vacant sites, towns, villages, gardens, waterways, grasslands and in different crop fields both during the crop season and after harvest. It was detected as a major weed of crops in the north und eastern regions of Ethiopia with infestation of greater than 20 plants per m² in some locations. Infestation of parthenium in the crop field varied from field to field depending on the time of parthenium intriduction into the area and the efforts made by the farmers to control the weed.

An exploratory field survey and laboratory studies on pathogens assotiated with parthenium was studied from 1998 to 2002 in order to provide information on future implementations of biological control in an integrated parthenium management system in the country.

A number of fungal isolates were obtained from seed and other plant parts of parthenium weed of which putative pathogenic fungal isolates were species of the genus Helminthosporium, Phoma, Curvularia, Chaetomium und Altenaria. However, in pathogenecity tests, most of these isolates showed no pathogenic effects exept one Helminthosporium isolate that showed limited virulence. It was, therefore, concluded that these pathogens could be opportunistic with insignificant potential for biological control of parthenium.

The two most important diseases associated with parthenium were the rust caused by Puccinia abrupta Diet. & Holw. var. partheniicola (Jackson) Parmelee and the phyllody caused by Faba Bean Phytoplasma Group (FBP). The rust was commonly found in mid altitude (1500 - 2500 m) with incidence from 5 to 100% while phyllody was observed in low to mid altitude regions (900 – 2300 m) of Ethiopia with incidence of 5 – 75%.

Spore germination test of P. abrupta showed that germination occurred 5 hours after incubation at 20 °C and an increase of germination occurred with an increase in time of incubation suggesting that it requires low night temperature and occurance of dew for infection. A mycoparasite of the rust fungi, Sphaerellopsis filum has been found associated with P. abrupta on parthenium. But, the mycoparasite did not inhibit the germination of P. abrupta in this study.

Phyllody diseased plants were examined for phytoplasma infection by means of Polymerase Chain Reaction (PCR) using universal primers for phytoplasma (P1/P7) directed to ribosomal sequences. PRC products of about 1800 bp were obtained after amplification of DNA isolated from fresh and dried parthenium specimens showing phyllody symptoms. Digestion with AluI restriction enzyme revealed restriction patterns for all samples corresponding to patterns typically observed for the faba bean phyllody phytoplasma group. A phytoplasma DNA was also obtained from suspected insect vector, Tylorilygus apicalis, which was not identical with the phytoplasma DNA obtained from diseased plant.

The individual effects of the rust and phyllody diseases on parthenium weed morphological parameters and seed production capacity were estimated by comparing the diseased and healthy plant samples collected from the field in different parthenium infested areas. Rust disease reduced mean plant height, number of leaves per plant, leaf area, number of branches, dry matter yield at maturity and number of seed produced by 11%, 22%, 28%, 13%, 25% and 43%, respectively. On the other hand, phyllody disease significantly reduced mean plant height, leaf area and seed production by 29%, 81% and 85%, respectively. However, mean number of leaves per plant, number of branches and dry matter yields were increased by 39%, 40% and 18%, respectively.

Virulence of parthenium rust collected from different locations showed that Ambo and Debre Zeit isolates were comparatively more virulent than the others based on the number of pustules per leaf and number of leaves infected. In the host specificity study of P. abrupta on weed and crop hosts related to parthenium, macroscopic and microscopic examination of inoculated tissue revealed that sporulation of P. abrupta was observed only on parthenium although limited numbers of poorly developed pustules were recorded on 3 varieties of niger seed (Guizotia abyssinica).

Phyllody phytoplasma and Puccinia abrupta were successfully infecting parthenium weed in many infested areas of Ethiopia with significant reduction on morphological parameters and seed production in the field. Hence, they are potentially useful as components of integrated parthenium management after further confirmation of insect vectors that transmit phyllody, and of host range of phyllody disease to related economic plants in Ethiopia.