Chitosan induces tomato basal resistance against Phytophthora nicotianae and inhibits pathogen development

Abstract

Chitosan is a polymer of glucosamine with antimicrobial properties and an elicitor of plant defence responses. In this study, different chitosan concentrations were assessed for impact on the life cycle of Phytophthora nicotianae Breda de Haan, an oomycete pathogen of tomato and tobacco crops. Reduced mycelial growth was observed when chitosan was added to solid media, and this inhibitory activity was amplified with increasing chitosan concentrations from 0.5 g L⁻¹ to 2.5 g L⁻¹. Colony morphology and hyphal diameter were unaffected by the polymer; however, the number of oospores (sexual reproductive structures) was reduced at the lowest chitosan concentration (0.5 g L⁻¹) tested. Mycelia plugs imbibed with 0.5 g L⁻¹ chitosan were prone to increased sporangium formation, but the effect was subdued with higher chitosan concentrations. The length/width ratio of the sporangia did not change in the presence of the polymer. Indirect germination of the sporangia was particularly sensitive to this compound, and 1.5 g L⁻¹ completely abolished this process. The zoospores treated with chitosan formed cysts that did not germinate and were unable to infect tomato plant roots. Chitosan was also found to prime tomato plantlets for P. nicotianae resistance; a foliar application of 0.1 and 1 g L⁻¹ of chitosan 72 h before inoculation induced host resistance, which was concurrent with increased activity of phenylpropanoid pathway markers. The results presented herein show the potential of chitosan as a tool to control P. nicotianae inoculum and increase tomato crop resistance against this pathogen.

Résumé

Le chitosane est un polymère de la glucosamine qui possède des propriétés antimicrobiennes et est également un éliciteur qui déclenche des réactions de défense chez les plantes. Dans cette étude, différentes concentrations de chitosane ont été évaluées afin d’en connaître l’influence sur le cycle de vie de Phytophthora nicotianae Breda de Haan, un oomycète pathogène de la tomate et du tabac. Lorsqu’on ajoutait du chitosane à un milieu solide, la croissance mycélienne était réduite, et cette action inhibitrice était amplifiée en fonction des concentrations de chitosane (de 0,5 à 2,5 g L⁻¹). La morphologie de la colonie et le diamètre des hyphes n’étaient pas influencés par le polymère. Toutefois, le nombre d’oospores (structures sexuelles de la reproduction) était réduit à partir de la plus faible concentration de chitosane testée (0,5 g L⁻¹). Des pastilles mycéliennes imbibées de 0,5 g L⁻¹ de chitosane tendaient à promouvoir la formation des sporanges, mais l’effet était atténué à des concentrations plus élevées. Le rapport longueur/largeur des sporanges n’a pas été modifié par le polymère. La germination indirecte des sporanges était particulièrement sensible à ce composé et 1,5 g L⁻¹ en a entièrement interrompu le processus. Les zoospores traitées avec le chitosane ont développé des kystes qui n’ont pas germé et qui n’ont pu infecter les racines des plants de tomate. Le chitosane a également préparé les plantules de tomate à résister à P. nicotianae. Une application foliaire de 0,1 et de 1 g L⁻¹ de chitosane 72 heures avant l’inoculation a induit la résistance de l’hôte, ce qui coïncidait avec l’activité accrue des marqueurs de la voie des phenylpropanoïdes. Les résultats présentés ici montrent le potentiel du chitosane en tant qu’outil de lutte contre l’inoculum de P. nicotianae et pour accroître la résistance de la tomate à cet agent pathogène.

Keywords:

• antimicrobial activity
• chitosan
• induced resistance
• mycelial growth
• Phytophthora nicotianae
• sporulation

Mots clés:

• Activité antimicrobienne
• chitosane
• croissance mycélienne
• Phytophthora nicotianae
• résistance induite
• sporulation

Acknowledgements

We would like to thank MSc. Maylen Machado and MSc. Jorge R. Palacios at that moment researchers at IIFT and INISAV, respectively, for providing P. nicotianae strains. Thanks to Rebeca Ramirez for her technical support, as well to the collective at INISAV for providing equipment, reagents, and guide in some of the techniques. Thanks to Dr. Guadalupe Gomez Izaguirre and Dr. Ana Fernandez Morales (INISAV) for their advice, guide and technical suggestions. Thanks to Dr. Yamir Torres, Dr. Raquel Rodriguez and MSc. Juan Ley, researchers at IES for their technical support and for providing their equipment for pictures.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).

Additional information

Funding

This work was supported by the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT-México) [4325].