Isolation and characterization of Erwinia amylovora (Burill) Winslov et al. bacteriophages and evaluation of their potential for biocontrol of fire blight
Az Erwinia amylovora (Burill) Winslov et al. bakteriofágainak jellemzése és biológiai védekezésben való felhasználásuk vizsgálata
Title in English
Isolation and characterization of Erwinia amylovora (Burill) Winslov et al. bacteriophages and evaluation of their potential for biocontrol of fire blight
Keywords in Hungarian
Erwinia amylovora, bakteriofág, biológiai védekezés
Keywords in English
Erwinia amylovora, bacteriophage, biocontrol
Discipline
Crop protection (Council of Complex Environmental Sciences)
100 %
Ortelius classification: Crop protection
Panel
Complex agricultural sciences
Department or equivalent
Plant Protection Institute (Centre for Agricultural Research)
Starting date
2008-10-01
Closing date
2012-09-30
Funding (in million HUF)
2.506
FTE (full time equivalent)
3.19
state
closed project
Summary in Hungarian
Az Erwinia amylovora (Burill) Winslow et al. okozta tűzelhalás az alma- és körtefák több, mint kétszáz éve ismert legsúlyosabb betegsége. A kórokozó egyaránt fertőzi a virágokat, a hajtásokat és a fás szöveteket. A fertőzés a terméskiesésen kívül a termőképletek, az ágak, súlyos esetben az egész fa pusztulásához vezet. A kórokozó elleni védekezésre jelenleg rendelkezésünkre álló eszközök igen szűkösek. Közülük leghatékonyabb az antibiotikumos kezelés, melynek használata azonban Európában korlátozott. A bakteriofágok humán gyógyászatban való használata során szerzett ismeret, a réz tartalmú növényvédőszerekre, illetve egyes antibiotikumokra rezisztens növényi kórokozó baktérium törzsek kialakulása és a társadalom környezetbarát növényvédőszerek iránti igénye egyaránt hozzájárult a bakteriofág hatóanyagú növényvédőszerek iránti növekő érdeklődéshez. A világon az első ilyen engedélyezett bakteriofág tartalmú növényvédőszer az AgriPhage, amely a Xanthomonas campestris pv. vesicatoria bakteriofágai közül vad típust és gazdára nem specifikus mutáns fágot is tartalmaz. A fágokkal való kezeléssel jelentősen jobb eredményt értek el, mint a hagyományos réz-mancozeb hatóanyagú kezeléssel. Vizsgálataink célja az E. amylovorára specifikus bakteriofágok megismerése és a kórokozó elleni védekezésben való felhasználásuk megalapozása. A Magyarországon eddig nem művelt terület, az E. amylovorára specifikus bakteriofágok kutatása nemcsak elméleti jelentőséggel bír, ami rangos külföldi folyóiratokban megjelenő publikációkat eredményezhet, hanem a gyakorlatban is hasznosítható ismereteket nyújthat a növényvédelem számára. Kutatómunkánk kiterjed az E. amylovora bakteriofágainak gyűjtésére, izolálására és a bakteriofágok molekuláris módszerekkel történő jellemzésére. A bakteriofágok E. amylovorára kifejtett hatását szilárd táptalajon és folyadékkultúrában, alma és körte szeleten, szövettenyésztéssel előállított növényeken, magoncokon, virágon és vesszőkön vizsgáljuk. Várhatóan e kutatás eredményeként olyan bakteriofágokkal rendelkezünk majd, amelyek megfelelő alapját képezik egy további alkalmazott kutatási programnak, amely végül e nehezen leküzdhető kórokozó ellen egy új, környezetbarát védekezési módszer kidolgozásához vezet.
Summary
Fire blight has been known as a destructive disease of apple and pear for over 200 years. The disease caused by the bacterium Erwinia amylovora (Burill) Winslow et al. is capable of infecting blossoms, fruits, vegetative shoots and woody tissues. Control of fire blight with conventional strategies is difficult, because the most effective protection method, the treatment with antibiotics is not allowed for use in Europe. As a result of the expanding knowledge based on phage application in medicine, the appearance of copper and antibiotic resistant bacterial strains in the field and the need for environment-friendly pesticides, there has been a renewed interest in developing bacteriophage-based disease control methods in modern agriculture. The first registered pesticide that contains phages specifically for control of a bacterial plant disease was AgriPhage, that includes a mixture of wild-type phages and host range mutant phages of Xanthomonas campestris pv. vesicatoria and provides better disease control than the copper-mancozeb treatment. Our aim is to increase the fundamental knowledge of the biology of the bacteriophages of E. amylowora and to use this knowledge to improve fire blight management. This pioneering study in Hungary has not only a theoretical significance but it could result in publications in international journals and could provide beneficial data for plant disease management. Our research includes collection and isolation of E. amylovora-specific phages and molecular characterisation of bacteriophages using PCR and RFLP analysis. We plan to test the effect of bacteriophages on E.amylovora under in vitro conditions. As a final result of this research project we hope to have bacteriophages that can be used in an applied research program for biological control of fire blight.
Final report
Results in Hungarian
Célunk, bakteriofágra épülő biológiai védekezés megalapozása az almatermésűek tűzelhalását okozó Erwinia amilovora ellen. Vizsgálataink az E. amylovora bakteriofágainak gyűjtésére, izolálására, a bakteriofágok jellemzésére, a bakteriofágok E. amylovorara kifejtett hatásának vizsgálatára és a magyar fág izolátumok más, a szakirodalomban korábban már leírt fág törzsekkel való összehasonlítására terjedtek ki.
Összesen 16 fágot jellemeztünk az általuk képzett plakkok alakja, mérete, a vírus partikulumok morfológiája, gazdakörük és molekuláris biológiai módszerekkel történő vizsgálatuk alapján. A bakteriofágok E. amylovorára kifejtett hatását szilárd táptalajon, folyadékkultúrában és különböző fogékonyságú alma és körte fajtákon vizsgáltuk. Összehasonlítottuk, hogy a szelektált bakteriofágok önmagukban, vagy több fágot egyszerre használva fejtenek-e ki hatékonyabb baktériumelimináló hatást. Az általunk izolált fágok közül kiválasztottuk azokat, amelyek alkalmasak különböző E. amylovora törzsek elkülönítésére, fágtipizálásra. Kimutattuk, hogy a fágok képesek a gyökéren keresztül a növénybe jutni és a növényben szisztematizálódni. A növénybe juttatott fágok jelentősen visszaszorították az E. amylovora okozta tüneteket. Elsőként izoláltunk Magyarországon Myoviridae és Podoviridae családba tartozó E. amylovora fágokat.
Results in English
Our aim is to establish a bacteriophage-based biological control strategy against Erwinia amylovora, the causative agent of fire blight of pome fruits. The investigations extended to the collection, isolation, characterization of E. amylovora-specific bacteriophages, to studying their impact on the pathogen and to the comparison of these Hungarian phage isolates with other phage strains previously described in literature.
Altogether sixteen phage isolates have been characterized based on the shape and size of the plaque they form, on the morphology of the virus particles, on their host range and on their study by molecular biological methods. The effect of phages to E. amylovora was tested on solid medium, in liquid culture and on apple and pear cultivars with different sensitivity to the plant pathogen. The bacterium confining effect of the selected phages has been compared applying them by themselves or using different phages together. Five phage strains have been selected for phage-typization of different E. amylovora strains. The phages' ability to penetrate via the roots and then to systematise in the plant has been demonstrated. Phages introduced into plants significantly moderated the symptoms caused by E. amylovora. In Hungary, we isolated first E. amylovora-specific phages belonging to Myoviridae and Podoviridae.
Végh A; Palkovics L; Tóth M; Schwarczinger I; Hevesi M: Characterization of Erwinia amylovora isolates by colony type and bacteriophage sensitivity, 12th International Workshop on Fire Blight. Warsaw, Poland, August 16-20, Acta Horticulturae, 2010
Kolozsvári Nagy J; Király L; Schwarczinger I: Phage therapy for plant disease control with a focus on fire blight, Cent. Eur. J. Biol. 7(1): 1-12, 2012
Schwarczinger I; Kiss E; Tóth M; Hevesi M; Süle S: Control of Fire Blight by Bacteriophages on Apple Flowers, Proceedings of the 12th International Workshop on Fire Blight. Warsaw, Poland, August 16-20, 2010. (Eds.): P. Sobiczewski et al. Acta Hort. 896, ISHS 2011. 457-462, 2011, 2012
Végh A; Horváth B; Schwarzinger I; Hevesi M; Palkovics L: A bakteriofágok jelentősége az Erwinia amylovora elleni biológiai védekezésben, Növényvédelmi Tudományos Napok, p.99, 2013
Kolozsváriné Nagy J; Schwarczinger I.,: Egy Erwinia amylovora-ra specifikus hazai bakteriofág izolátum gyökéren keresztüli felvételének és transzlokációjának vizsgálata a tűzelhalás elleni biológiai védekezés tükrében, Jövőnk Konferencia, Keszthely, 2013. május 15. p. 40., 2013
Schwarczinger I; Müler I; Süle S; Geider K: Bacteriopages of Erwinia amylovora: host range and biological control, COST 864: Combining traditional and advanced strategies for plant protection in pome fruit growing, 3-5 June, 2009, Valencia, Spain, p. 50., 2009
