Characterization of resistant Cucumis germplasm to manage root-knot nematodes Meloidogyne spp. (2021)

Plant resistance through grafting susceptible scions onto resistant rootstocks is an effective measure to supress root-knot nematode (RKN) populations and to reduce crop yield losses. However, the reiterative use of specific R genes could select virulent populations for those genes. Cucumis metuliferus is one promising rootstock for melon and cucumber, but there is little information regarding the host suitability to nematode populations from specific production areas, the effect on the population dynamics, the durability of the resistance, the rootstock-scion compatibility and the effect of the nematode on the crop yield quantity and quality. Accordingly, the main objective of this PhD thesis was to evaluate the resistance response of Cucumis metuliferus to Meloidogyne spp. and its compatibility with melon, its resistance durability in crop rotation with Mi1.2 resistant tomato and the effect of the rootstocks and nematode population densities on both tomato and melon yield and fruit quality. The specific objectives were i) To evaluate the host suitability of different accessions of Cucumis metuliferus against (a) virulent Mi1.2 isolates of Meloidogyne spp. and its compatibility with melon. ii) To determine the effect of a three years tomato-melon rotation on the population dynamics of M. incognita, the crop yield (quantity and quality), and the durability of the resistance of both tomato Mi1.2 gene and C. metuliferus R genes. The main conclusions obtained from this work was that C. metuliferus is resistant to the main three common Meloidogyne species including virulent isolates to the Mi1.2 resistant gene. The histopathological studies have shown poorly developed giant cells induced by Meloidogyne javanica in C. metuliferus and necrotic areas surrounding the nematode. M. incognita induce the formation of more giant cells but poorly developed and with less number of nuclei per giant cell in resistant than in susceptible plants. C. metuliferus BGV11135 is a compatible rootstock with cantaloupe and piel de sapo type melons without affecting the melon fruit quality. Grafting melon and tomato onto “C. metuliferus” and “Aligator” rootstocks respectively does not increase the crop yield in non-nematode infested soil. The quality of the fruits produced in grafted plants is within the standards. The spring-summer rotation sequence melon-tomato provides more fruit weight yield than the tomato-melon. In infested soil, grafted melon yields more than the ungrafted irrespective of the season. However, grafted melon is more tolerant and experience less maximum yield losses in spring-summer compared to the summerautumn crop. In addition, some melon fruit quality parameters are affected by the nematode in the summer-autumn crop but not in the spring-summer. The reproduction rate of the nematode is affected by the cropping season, the plant material, the initial population density and the virulence to specific R genes. In melon, the reproduction rate of the nematode in ungrafted plants was higher in the spring crop compared to the resistant plants. However, in summer the reproduction rate was lower due to the high mortality. In tomato, the reproduction rate in grafted plants increased progressively in each crop, being higher than the ungrafted at the end of the third tomato crop of tomato-melon rotation due to virulence selection. Virulence to the Mi1.2 was observed in the “Aligator” rootstock after the first tomato crop, but not in C. metuliferus BGV11135. Thus, alternating these two different resistant species was not enough to prevent virulence selection although the level was reduced after using C. metuliferus. The fitness cost parameters of the virulent Mi1.2 subpopulation in the susceptible tomato and melon were reduced with respect to the avirulent subpopulation after the third grafted tomato crop, but not after the second. Cucumis metuliferus is as excellent rootstock to be included in integrated management strategies for control RKN. La resistencia vegetal mediante el injerto de plantas susceptibles sobre patrones resistentes es una medida eficaz para controlar las poblaciones del nematodo agallador (RKN) y reducir las pérdidas de producción de los cultivos. Sin embargo, el uso reiterativo de genes R específicos podría seleccionar poblaciones virulentas para esos genes. En España, la rotación de cultivos de solanáceas y cucurbitáceas es común y actualmente se encuentran disponibles varios cultivares y portainjertos comerciales resistentes para cultivos de solanáceas. Sin embargo, en el caso de los cultivos de cucurbitáceas, solo unos pocos están disponibles y ninguno para pepino o melón. Algunas especies de cucurbitáceas silvestres se han caracterizado por ser resistentes a Meloidogyne, como algunas especies del género Cucumis. La información sobre la respuesta del huésped a poblaciones de áreas específicas de producción, el efecto sobre la dinámica poblacional, la compatibilidad patrón-variedad y el efecto del nematodo sobre la cantidad y calidad de la producción es esencial para caracterizar el nuevo germoplasma a introducir en los sistemas productivos. Cucumis metuliferus es un patrón prometedor para melón y pepino, pero hay poca información sobre los parámetros mencionados anteriormente. Se espera que la rotación de genes R en cultivares o portainjertos de solanáceas con los de cucurbitáceas podría reducir la tasa de crecimiento de la población del nematodo, así como la probabilidad de seleccionar para virulencia de genes R específicos mejorando la durabilidad de la resistencia. Los resultados obtenidos en este doctorado serán útiles para proporcionar germoplasma resistente capaz de ser utilizado como patrón de melón y pepino, para proponer alternativas del uso de resistencia vegetal y para mejorar su durabilidad reduciendo las pérdidas de rendimiento del cultivo y también el uso de métodos de control químico con el fin de mejorar la sostenibilidad en los sistemas de producción hortícolas. En consecuencia, el objetivo principal de esta tesis doctoral fue evaluar la respuesta de la resistencia de Cucumis metuliferus a Meloidogyne spp. y su compatibilidad con melón, la durabilidad de la resistencia en rotación con tomate resistente Mi1.2 y el efecto del portainjerto y las densidades de nematodos sobre el rendimiento y la calidad del fruto tanto de tomate como de melón. Los objetivos específicos fueron i) Evaluar la respuesta como huésped de diferentes líneas de Cucumis metuliferus frente a aislados (a)virulentos Mi1.2 de Meloidogyne spp. y su compatibilidad con melón y ii) Determinar el efecto de una rotación tomate-melón de tres años sobre la dinámica poblacional de M. incognita, el rendimiento del cultivo (cantidad y calidad) y la durabilidad de la resistencia tanto del gen Mi1.2 de tomate como de C. metuliferus. Cucumis metuliferus es resistente a aislados (a)virulentos del gen Mi1.2 del nematodo agallador de la raíz y un patrón de melón prometedor: Se llevaron a cabo experimentos en macetas para caracterizar la respuesta de dos líneas de Cucumis metuliferus (BGV11135 y BGV10762) del Instituto de Conservación y Mejora de la Agrodiversidad Valenciana (COMAV-UPV), contra aislados (a)virulentos del gen Mi1.2 de Meloidogyne arenaria, M. incognita y M. javanica de España, su respuesta histopatológica y la compatibilidad y el efecto sobre las propiedades fisicoquímicas del melón. Una semana después del trasplante en macetas de 200 cm3, las plantas se inocularon con 1 J2 cm-3 de arena esterilizada y se mantuvieron en una cámara de crecimiento a 25°C durante 40 días. El pepino susceptible cv. Dasher II o el melón cv. Paloma se incluyeron como controles susceptibles para su contraste. Se evaluó el número de masas de huevos y el número de huevos por planta, y se calculó el índice de reproducción (IR) como el porcentaje de huevos producidos en las líneas de C. metuliferus en comparación con los producidos en los cultivares susceptibles. Los estudios histopatológicos se realizaron utilizando muestras de raíz infectadas de pepino de 2 μm de sección embebidas en resina epoxi obtenidas con un Ultramicrotomo y observadas al microscopio óptico. La compatibilidad y la calidad del fruto se evaluó injertando tres variedades, dos de tipo Charentais y uno de tipo Piel de Sapo, y se cultivaron en condiciones hidropónicas en un invernadero comercial. El nivel de resistencia de ambas líneas de C. metuliferus varió de muy resistente (RI <1%) a resistente (1% ≤ RI ≤ 10%) independientemente de los aislados de Meloidogyne. Las células gigantes inducidas por Meloidogyne spp. en C. metuliferus fueron en general poco desarrolladas con múltiples vacuolas en comparación con las del pepino. Además, se observaron células gigantes sin citoplasma y áreas necróticas que rodeaban al nematodo. Las plantas de melón injertadas en la línea BGV11135 de C. metuliferus crecieron como plantas autoinjertadas sin afectar negativamente los parámetros de calidad del fruto. Cucumis metuliferus reduce la virulencia de Meloidogyne incognita contra el gen de resistencia Mi1.2 en una secuencia de rotación tomate-melón y mejora el rendimiento del cultivo, pero la calidad del fruto del melón está influenciada por la época de cultivo: El tomate susceptible cv. Durinta, no injertado o injertado sobre el patrón resistente “Aligator”, ambos seguidos por el melón susceptible cv. Paloma, no injertado o injertado sobre Cucumis metuliferus BGV11135, y en orden inverso, se cultivaron de 2015 a 2017 en las mismas parcelas en un invernadero de plástico, infestadas o no, con Meloidogyne incognita. Para cada cultivo, se determinaron las densidades de nematodos del suelo, el índice de agallas, el número de huevos por planta y el rendimiento del cultivo (cantidad y calidad). Se evaluó la relación entre las densidades de M. incognita en el suelo al trasplante (Pi) de cada cultivo y el rendimiento del cultivo y se estimó la tolerancia (T)