Development of a field method to assess root parasites of woody plants - ecological analyses of the grapevine-phylloxera interaction

The development and the growth of plants is strongly affected by the interactions between roots, rootrnassociated organisms and rhizosphere communities. Methods to assess such interactions are hardly torndevelop particularly in perennial and woody plants, due to their complex root system structure and theirrntemporal change in physiology patterns. In this respect, grape root systems are not investigated veryrnwell. The aim of the present work was the development of a method to assess and predict interactionsrnat the root system of rootstocks (Vitis berlandieri x Vitis riparia) in field. To achieve this aim, grapernphylloxera (Daktulosphaira vitifoliae Fitch, Hemiptera, Aphidoidea) was used as a graperoot parasitizingrnmodel.rnTo develop the methodical approach, a longt-term trial (2006-2009) was arranged on a commercial usedrnvineyard in Geisenheim/Rheingau. All 2 to 8 weeks the top most 20 cm of soil under the foliage wallrnwere investigated and root material was extracted (n=8-10). To include temporal, spatial and cultivarrnspecific root system dynamics, the extracted root material was analyzed digitally on the morphologicalrnproperties. The grape phylloxera population was quantified and characterized visually on base of theirrnlarvalstages (oviparous, non oviparous and winged preliminary stages). Infection patches (nodosities)rnwere characterized visually as well, partly supported by digital root color analyses. Due to the knownrneffects of fungal endophytes on the vitality of grape phylloxera infested grapevines, fungal endophytesrnwere isolated from nodosity and root tissue and characterized (morphotypes) afterwards. Further abioticrnand biotic soil conditions of the vineyards were assessed. The temporal, spatial and cultivar specificrnsensitivity of single parameters were analyzed by omnibus tests (ANOVAs) and adjacent post-hoc tests.rnThe relations between different parameters were analyzed by multiple regression models.rnQuantitative parameters to assess the degeneration of nodosity, the development nodosity attachedrnroots and to differentiate between nodosities and other root swellings in field were developed. Significantrndifferences were shown between root dynamic including parameters and root dynamic ignoringrnparameters. Regarding the description of grape phylloxera population and root system dynamic, thernmethod showed a high temporal, spatial and cultivar specific sensitivity. Further, specific differencesrncould be shown in the frequency of endophyte morphotypes between root and nodosity tissue as wellrnas between cultivars. Degeneration of nodosities as well as nodosity occupation rates could be relatedrnto the calculated abundances of grape phylloxera population. Further ecological questions consideringrngrape root development (e.g. relation between moisture and root development) and grape phylloxerarnpopulation development (e.g. relation between temperature and population structure) could be answeredrnfor field conditions.rnGenerally, the presented work provides an approach to evaluate vitality of grape root systems. Thisrnapproach can be useful, considering the development of control strategies against soilborne pests inrnviticulture (e.g. grape phylloxera, Sorospheara viticola, Roesleria subterranea (Weinm.) Redhaed) as well as considering the evaluation of integrated management systems in viticulture.Die Entwicklung und das Wachstum von Pflanzen ist beeinflusst von Interaktionen zwischen derrnPflanzenwurzel, wurzelbewohnenden Organismen und den Zönosen in der Rhizosphäre. Bei mehrjährigen,rnverholzten Pflanzen erschweren die Komplexität der Wurzelsystemstruktur sowie standzeitbedingternÄnderungen in der Physiologie die Entwicklung von Methoden zur Erfassung solcher Interaktionen.rnInsbesondere Rebwurzelsysteme sind in dieser Hinsicht kaum untersucht. Ziel der Arbeit war die Entwicklungrneiner Methode zur Erfassung und Vorhersage von Interaktionen im Wurzelbereich von Unterlagsrebenrn(Vitis berlandieri x Vitis riparia). Dazu wurde die Reblaus (Daktulosphaira vitifoliae Fitch,rnHemiptera, Aphidoidea) als wurzelparasitierender Modellorganismus herangezogen.rnZur Entwicklung dieser Methode wurde ein Langzeitversuch (Juni 2006 - August 2009) auf einer kommerziellrngenutzten Rebfläche in Geisenheim/Rheingau eingerichtet. In Abständen von zwei bis achtrnWochen (n=8-10) wurde den obersten 20 cm des Unterstockbereichs Wurzel- und Bodenmaterial entnommen.rnUm die jahreszeitliche, räumliche und sortenspezifische Dynamik des Wurzelwachstums mitrneinzubeziehen, wurden morphologische Eigenschaften der Wurzeln digital ermittelt. Die Erfassungrnund Charakterisierung der Reblauspopulation erfolgte visuell an Hand der Larvenstadien (unterschiedenrnwurden Ovipare, Nicht-Ovipare und Vorstufen zu geflügelten Individuen). Die Charakterisierung derrnInfektionsstellen (Nodositäten) erfolgte z.T. mit Hilfe digitaler Farbanalysen des Wurzelmaterials. Darninsbesondere bei Reblausbefall wurzelbewohnende Pilze entscheidende Effekte auf die Vitalität vonrnReben haben können, wurden pilzliche Endophyten aus Nodositäten und nicht infiziertem Wurzelmaterialrnisoliert und nach Morphotypen eingeteilt. Weiterhin wurden abiotische (pH, OBS, Wassergehalt)rnund biotische (Basisrespiration) Bodenparameter erfasst. Die jahreszeitliche, räumliche oder variantenabhängigernSensitivität einzelner Parameter wurde mit Omnibus Tests (ANOVAs) und anschließendenrnPost-hoc Tests analysiert. Zusammenhänge zwischen den Parametern wurden mit multiplen Regressionsmodellenrnanalysiert.rnEs konnten quantitative Parameter zur Erfassung der Degeneration der Nodositäten, der Wurzelentwicklungrnan Nodositäten sowie zur Abgrenzung gegenüber anderen Wurzelschwellungen entwickelt werden.rnSignifikante Unterschiede ergaben sich zwischen Wurzellänge einbeziehenden und ignorierenden Abundanzberechnungen.rnWeiterhin konnten hohe temporale (monatliche), räumliche (Hangneigungsunterschiede)rnund sortenspezifische Sensitivität bei der Darstellung von Wurzelsystem- und Reblausparameternrnnachgewiesen werden. Signifikante Unterschiede in der Häufigkeit endophytischer Morphotypenrnzwischen Wurzel- und Nodositätengewebe sowie zwischen den einzelnen Unterlagssorten konnten ebenfallsrnfestgestellt werden. Desweiteren wurden Degenerationserscheinungen von Nodositäten sowie diernDichte der Nodositätenbesiedlung in Zusammenhang mit Dichten der Reblauspopulation gebracht.rnDarüber hinaus konnten ökologische Fragestellungen zur Rebwurzelentwicklung (z.B. Einfluss von Bodenfeuchtigkeitrnauf das Wachstum in verschiedenen Dickenklassen) und Reblausökologie (z.B. Temperaturabhängigkeitrnder Populationsstruktur) beantwortet werden. Die vorgestellte Methode bietet einenrnAnsatz zur Bewertung von Vitalitätseigenschaften von Rebwurzelsystemen. Damit ist sie im Hinblick auf die Entwicklung effektiver Kontrollmaßnahmen bodenbürtiger Schaderreger (z.B. Reblaus, Sorospheararnviticola, Roesleria subterranea (Weinm.) Redhaed) ebenso von Bedeutung wie zur Bewertungrnund Entwicklung nachhaltiger Bodenmanagementsysteme