Biological and histopathological interactions of Korean cruciferous vegetables and Heterodera trifolii

Abstract

Heterodera trifolii was isolated from highland Chinese cabbage fields in Gangwon province, Korea in 2018 at 7 years after the similar cyst nematode H. schachtii in symptoms and morphology had been firstly reported in the same places in 2011, causing severe disease in Chinese cabbage. This study aimed to examine biological and histopathological interactions of cruciferous vegetables and H. trifolii to provide basic information useful for the management of the cyst nematode. In the screening of Chinese cabbage and radish cultivars for reproduction, cyst formation (number of cysts per plant) and fecundity (number of eggs per cyst) of H. trifolii at 28 days after inoculation (DAI) were significantly higher in Chinese cabbage than radish cultivars, indicating the nematode multiplication rates were significantly higher in Chinese cabbage than radish. Among these cultivars, Geumjeong was revealed to be resistant to the nematode as nematode population was decreased with negative multiplication rate of 0.2%, contrary to other cultivars with positive multiplication rates of 4.9–59.8%. Nematode penetration rates increased progressively from 2 until 10 DAI to reach penetration rates in the higher order of Chinese cabbage cv. CR, radish cv. Geumjeong and Songbaek, but initial nematode growth was similar among the cultivars examined. For histopathological characteristics, syncytial areas at 10 and 15 DAI differed in relation to the nematode reproduction on the cultivars examined, but rates of syncytial areas relative to stele areas were not in the higher order of the nematode reproduction, suggesting plant damages caused by the nematode infection may not be completely coincided with the nematode reproduction. The same biological characteristics mentioned above were examined using the selected cultivars by the soil amendment with a fertilizer of increased concentrations at intervals of 0.01% (0.00–0.04%). In this study, the nematode multiplication rates were significantly higher at 0.00% and lowest at 0.02% at which plant growth were significantly higher than the other concentrations. Initial penetration rates and nematode growths differed little among the fertilizer concentrations except for 0.03% and 0.04% which inhibited greatly plant growths. All of these aspects may provide information useful for the development of the nematode control strategies.

Heterodera trifolii는 2018년 강원도 고랭지 배추 재배지에서 처음 분리되었다. 2011년 보고된 H. schachtii와 형태 및 증상이 유사하여 이 두 종이 혼합하여 피해를 입혔을 것으로 여겨진다. 따라서 본 연구는 H. trifolii에 감염된 식물의 생물학적, 병리학적 특성을 파악하여 적절한 관리 방법을 도출하기 위해 실시하였다. 우리나라 십자화과 작물인 배추와 무, 5가지 품종을 대상으로 선충 접종 28일 후 확인한 증식률은 무보다 배추에서 현저히 높았다. 구체적으로, H. trifolii의 cyst 형성율과 산란율 (cyst 당 알 수)은 배추가 무보다 높았고 부화율은 무와 배추에서 뚜렷한 차이를 나타내지 않았으나 초기 접종 선충 밀도 대비 최종 선충 밀도는 배추가 무보다 현저히 높았다. 형성된 cyst의 수에 따라 순서대로 배추의 CR, 무의 송백, 금정을 선발하였고 2일차, 5일차 그리고 10일차 침입률 조사 결과, 초기 침입률은 배추보다 무에서 높았지만 10일차에 배추에서의 침입률은 빠른 속도로 증가하여 가장 높은 침입률을 나타내었다. 그러나 선충의 침입 이후 뿌리 내 선충의 생장은 품종 간 유의적인 차이가 없었다. 조직병리학적 반응을 통한 합포체의 발달을 조사한 결과 10일차, 15일차 모두 증식률이 가장 높았던 배추의 CR 품종에서 가장 큰 면적의 합포체를 형성하였다. 시기별 합포체의 면적 변화 조사에서 무에서의 선충 증식이 억제됨에 따라 합포체의 발달이 억제되는 것을 확인하여 합포체 발달이 선충의 생식력과 관련이 있음을 확인하였다. 식물의 발육을 촉진시키는 비료를 농도별로 처리하였을 때 식물의 지하부 생육이 가장 좋았던 비료의 농도에서 선충의 cyst 형성율과 수와 산란율이 가장 낮았고 산란율은 가장 높은 농도에서 유의적으로 높았다. 비료 처리 시 선충의 초기 침입률은 비료의 농도가 낮아질수록 높게 나타났지만 최고 또는 그 다음의 비료 농도에서는 초기 침입률이 낮을 뿐만 침입 이후 선충의 정상적인 생장을 억제하여, 최종적인 cyst 형성율이 낮아지는 결과를 초래하였다. 이러한 연구결과에서 H. trifolii의 증식은 합포체의 발달과 관련이 있고, 비료의 농도에 따른 선충의 증식, 침입, 성숙에 대한 처리효과가 확인됨에 따라 H. trifolii의 방제전략을 도출하는데 유효한 정보를 제공할 것으로 생각된다.