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Selection, Optimization and Technical Application of Entomopathogenic Nematodes for the Biological Control of Major Insect Pests on Tomato

Abonaem, Mokhtar (2021):
Selection, Optimization and Technical Application of Entomopathogenic Nematodes for the Biological Control of Major Insect Pests on Tomato. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019085,
[Ph.D. Thesis]

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Mokhtar Abonaem_PhD Thesis.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Selection, Optimization and Technical Application of Entomopathogenic Nematodes for the Biological Control of Major Insect Pests on Tomato
Language: English
Abstract:

Tomato is one of the most important crops worldwide. In Egypt, it occupies the largest cultivated area of vegetable crops. There are numerous insect pests attacking tomato crops in Egypt and they cause significant yield loss. The main tomato insect pests in Egypt are the Egyptian cotton leafworm Spodoptera littoralis (Boisduval), the black cutworm Agrotis ipsilon (Hufnagel), the cotton bollworm Helicoverpa armigera (Hübner), the Tomato leaf miner, Tuta absoluta (Meyrick), and the whitefly Bemisia tabaci (Gennadius). The mentioned insect species form a widespread complex which commonly attacks tomato crop in open fields and greenhouses, often more or less concurrently. Nowadays, the main control strategies are based on chemical insecticides with all known negative effects. Therefore, this thesis aimed to introduce a biological control system based on Entomopathogenic nematodes (EPNs) to be utilized against the “Egyptian Tomato insect Pest Complex” (ETPC) in order to have an environmentally sound alternative. The work started by screening 15 EPN isolates against the four lepidopteran pests (Chapter II). The objective of the performed screening was to find EPN isolates able to infect all ETPC effectively. The target insect species have many similarities such as their feeding behavior, the destructive stage, and the time of attack. Therefore, standard sand bioassays were performed at four doses against larvae of the target species. Based on the obtained results, the most virulent isolates were Steinernema carpocapsae BA2, S. feltiae Sf, S. abbasi abb, and S. carpocapsae J7. The second step was testing the efficacy of the selected isolates against the whitefly B. tabaci (Chapter III). The isolate S. feltiae Sf was the most efficient one against 2nd nymphal instars of the whitefly. The efficacy of the selected four EPN isolates was tested against T. absoluta in sand and tomato leaf bioassays (Chapter IV). T. absoluta was selected as the key target among ETPC because of its economic importance. Limited differences were recognised among the isolates when exposed directly in the sand bioassay. In leaf bioassays, all the tested isolates were capable of attacking T. absoluta larvae inside and outside the mines. The calculated LC50 values were 44 IJs/ml for S. carpocapsae BA2, 82 IJs/ml for S. abbasi abb, 103 IJs/ml for S. carpocapsae J7, and 112 IJs/ml for S. feltiae Sf. The next step was to find suitable EPN concentrations and adjuvants to increase their efficacy against T. absoluta larvae on tomato plants (Chapter V). The four isolates were applied at several concentrations and sprayed once or twice within 24 h on infested tomato plants. Applying the nematode suspensions twice resulted in significantly higher mortalities of T. absoluta larvae than sprayed once with double concentration. Except S. abbasi abb, EPN isolates were able to cause high larval mortality. When different formulations of S. carpocapsae BA2 were tested, the adjuvants Xanthan, Nemaperfect®, or Chitosan resulted in a significant increase in the larval mortality. These three adjuvants increased mortality from 70% (water) up to 88% (Xanthan). The adjuvant Nemaperfect® delayed nematode sedimentation in the suspension for about one hour. In greenhouse experiments, the four EPN isolates were applied twice within 24 h at 5000 IJs/ml in 0.3% Nemaperfect® as an adjuvant on tomato plants infested by T. absoluta larvae (Chapter VI). The highest larval mortality was achieved with the isolate S. carpocapsae BA2. There were no significant differences among S. carpocapsae BA2 (85.5%), S. feltiae Sf (80.5%), and S. carpocapsae J7 (76%), whereas S. abbasi abb resulted in significant lower mortality (18%). Based on the results of this extensive stepwise test program, it was possible to develop a biocontrol system against ETPC based on EPNs. Thus, the purpose of the thesis was achieved. The proposed system consists of S. carpocapsae BA2, S. feltiae Sf, or S. carpocapsae J7 in a concentration of 5000 IJs/ml with 0.3% Nemaperfect® or Xanthan. The application of the previous formulation twice within 24 h at dusk or at late afternoon could control T. absoluta and the other ETPC effectively. The next step should be the introduction and validation of this method in the practice of Egyptian tomato cultivation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Tomate ist eine der wichtigsten Nutzpflanzen weltweit. In Ägypten erreicht sie die größte Anbaufläche im Gemüsebau. Es gibt zahlreiche Schadinsekten, die Tomatenkulturen in Ägypten befallen und erhebliche Ertragseinbußen verursachen. Die wichtigsten Tomatenschädlinge in Ägypten sind der ägyptische Baumwollwurm Spodoptera littoralis (Boisduval), die Ypsiloneule Agrotis ipsilon (Hufnagel), der Baumwoll-Kapselwurm Helicoverpa armigera (Hübner), die Tomatenminiermotte Tuta absoluta (Meyrick) und die Weiße Fliege Bemisia tabaci (Gennadius). Die genannten Insektenarten bilden eine weit verbreitete Gemeinschaft, die häufig Tomatenkulturen im Freiland und in Gewächshäusern, oft mehr oder weniger gleichzeitig, befällt. Heutzutage basieren die wichtigsten Bekämpfungsstrategien auf chemischen Insektiziden mit allen möglichen negativen Auswirkungen. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein biologisches Kontrollsystem auf Basis von entomopathogenen Nematoden (EPNs) zu entwickeln, welches gegen alle ägyptischen Tomatenschädlinge eingesetzt werden kann, um den intensiven Einsatz von chemischen Insektiziden in Tomatenkulturen zu reduzieren. Die Arbeit begann mit der Testung von 15 EPN-Isolaten auf ihre Wirkung gegenüber den vier Schädlingen aus der Ordnung Lepidoptera (Kapitel II). Das Ziel des durchgeführten Screenings war es, EPN-Isolate zu finden, die in gleicher Weise diese Schädlinge effektiv infizieren. Die Zielinsekten haben viele Gemeinsamkeiten, wie z. B. ihr Fressverhalten, das schädliche Entwicklungsstadium und den Zeitpunkt des Angriffs. Daher wurden standardisierte Sand-Bioassays mit vier verschiedenen EPN-Dosierungen gegen Larven der Zielarten durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen waren die virulentesten Isolate Steinernema carpocapsae BA2, S. feltiae Sf, S. abbasi abb, und S. carpocapsae J7. Der zweite Schritt war die Prüfung der Wirksamkeit der ausgewählten Isolate gegen die Weiße Fliege B. tabaci (Kapitel III). Das Isolat S. feltiae Sf war das effizienteste gegen das zweite Nymphenstadium dieses Schädlings. Die Wirksamkeit der ausgewählten vier EPN-Isolate wurde gegen den Hauptschädling T. absoluta in Sand- und Blatt-Bioassays getestet (Kapitel IV). Bei direkter Exposition im Sand-Bioassay waren nur geringe Unterschiede zwischen den Isolaten festzustellen. In Blatt-Bioassays waren alle getesteten Isolate in der Lage, T. absoluta-Larven innerhalb und außerhalb der Blattminen zu finden und zu infizieren. Die berechneten LC50-Werte waren 44 IJs/ml für S. carpocapsae BA2, 82 IJs/ml für S. abbasi abb, 103 IJs/ml für S. carpocapsae J7, und 112 IJs/ml für S. feltiae Sf. Weiterhin wurde die Wirksamkeit der ausgewählten Nematodenisolate gegen T. absoluta-Larven auf Tomatenpflanzen bewertet (Kapitel V). Die Versuche wurden durchgeführt, um geeignete EPN-Konzentrationen auszuwählen und um mögliche Hilfsstoffe zur Verbesserung der Nematodenwirksamkeit zu testen. Die vier Isolate wurden in verschiedenen Konzentrationen angewendet und ein- oder zweimal innerhalb von 24 Stunden auf befallene Tomatenpflanzen gespritzt. Die zweimalige Applikation der Nematodensuspensionen führte zu signifikant höheren Mortalitäten der T. absoluta-Larven als die einmalige Besprühung mit doppelter Konzentration. Außer S. abbasi abb waren alle EPN-Isolate in der Lage, eine hohe Larvenmortalität zu verursachen. Darüber hinaus bewirkte eine Formulierung von S. carpocapsae BA2 mit den Adjuvantien Xanthan, Nemaperfect® oder Chitosan zu einer signifikanten Erhöhung der Larvensterblichkeit im Vergleich zur Wasser-Variante. Diese drei Hilfsstoffe erhöhten die Mortalität von 70% (Wasser) auf bis zu 88% (Xanthan). Der Zusatz von Nemaperfect® verzögerte auch die Sedimentation der Nematoden in der Suspension für etwa eine Stunde. In Gewächshausversuchen wurden die vier EPN-Isolate zweimal innerhalb von 24 Stunden mit 5000 IJs/ml in 0,3% Nemaperfect® als Hilfsstoff auf Tomatenpflanzen angewendet, die von T. absoluta-Larven befallen waren. Die höchste Larvensterblichkeit wurde mit dem Isolat S. carpocapsae BA2 erreicht, doch gab es keine signifikanten Unterschiede zwischen S. carpocapsae BA2 (85.5%), S. feltiae Sf (80.5%), und S. carpocapsae J7 (76%). Dagegen bewirkte S. abbasi abb eine weitaus geringere Larvensterblichkeit (18%). Durch diese umfangreichen Untersuchungen wurde das Ziel der Arbeit erreicht, ein auf EPNs basierendes System zur Regulierung der ägyptischen Tomatenschädlinge zu entwickeln. Das vorgeschlagene System besteht aus S. carpocapsae BA2, S. feltiae Sf, oder S. carpocapsae J7 in einer Konzentration von 5000 IJs/ml mit 0,3% Nemaperfect® oder Xanthan. Die Anwendung dieser EPN Formulierung zweimal innerhalb von 24 Stunden in der Abenddämmerung oder am späten Nachmittag könnte T. absoluta und die anderen Schadinsekten erfolgreich kontrollieren. Der nächste Schritt wäre nun, das Verfahren in Freilandversuchen unter Praxisbedingungen zu testen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 84, XCII Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology > Microbial Energy Conversion and Biotechnology
Date Deposited: 21 Jul 2021 08:03
Last Modified: 21 Jul 2021 08:03
DOI: 10.26083/tuprints-00019085
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-190859
Referees: Jehle, Prof. Dr. Johannes A. ; Simon, Prof. Dr. Jörg
Refereed: 23 June 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19085
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