Inoculum threshold for stripe rust infection in wheat

Abstract

Stripe rust (Puccinia striiformis f. sp. tritici (Pst)) and powdery mildew (Blumeria graminis f. sp. tritici (Bgt)) are important diseases of wheat in Canada and worldwide. Molecular detection methods permit spore detection of few spores; therefore, there is a need to determine initial inoculum thresholds for pathogens to cause disease under both controlled environments and in the field. Susceptible wheat cultivars ‘Avocet’ and ‘AC Barrie’ were inoculated with different quantities of spores (0, 10³, 10⁴, 10⁵, 10⁶, and 10⁷) of Pst and Bgt. Disease incidence, severity and infection type were evaluated. Results of controlled environment studies showed that the minimum number of spores necessary to cause appreciable incidence and severity for Pst was at higher spore concentrations of 10⁵–10⁶ spores. Conversely, low incidence and severity levels were observed at 10³–10⁴ spores for Bgt. Despite occurrence of natural Pst infection, results of field studies in 2016 and 2017 in Southern Alberta demonstrated that significant increases in severity levels were observed following application of 1.2 × 10⁷ spores. Collectively, these results demonstrated that stripe rust severities increased with increasing spore concentration only at high spore levels. In contrast, Bgt severity increased with spore concentration from 10³ to 10⁷ spores mL⁻¹. In vitro and in vivo spore germination tests demonstrated germination rates of Pst spores were reduced at lower spore concentrations compared to germination rates at the higher concentrations. Understanding of minimum spore numbers required for disease development will be a prerequisite for predicting epidemics and devising fungicide control measures for future sustainable agricultural systems.

Résumé: La rouille jaune (Puccinia striiformis f. sp. tritici (Pst)) et l’oïdium (Blumeria graminis f. sp. tritici (Bgt)) sont d’importantes maladies du blé au Canada et partout autour du monde où le blé est cultivé. Les méthodes de détection moléculaire de pathogènes végétaux permettent la détection de quelques spores. Il est donc nécessaire d’identifier une valeur seuil du nombre de pathogènes requis pour infecter un blé susceptible en cabinet de croissance et au champ. Les lignées de blé susceptibles, ‘Avocet’ et ‘AC Barrie’, ont été inoculées avec différentes quantités (0, 10³, 10⁴, 10⁵, 10⁶, et 10⁷) de spores de Pst et Bgt afin de déterminer les niveaux d’incidence, de sévérité et le type de symptômes. Les résultats en chambre de croissance démontrent qu’une quantité de 10⁵-10⁶ spores pour Pst. Mais seulement de 10³-10⁴ spores pour Bgt furent requises pour infecter le blé. Malgré la présence d’une infection naturelle de Pst, les résultats au champ en 2016 et 2017 en Alberta ont démontré qu’une augmentation significative des niveaux de sévérité étaient observés suivant une application de 1.2 × 10⁷ spores. L’ensemble des résultats montrent que les niveaux de sévérité de la rouille jaune augmentent avec le nombre de spores, cependant seulement avec des quantités élevées de spores. Ces résultats contrastent avec les résultats obtenus avec Bgt où les niveaux de sévérité augmentent de 10³ à 10⁷ spores mL⁻¹. Les tests in vitro et in vivo ont montré que les taux de germination des spores de Pst étaient réduits à plus faible concentration de spores et plus élevé à des concentrations plus fortes. Les modèles de prédiction de maladie chez le blé devront tenir compte de la concentration minimale de spores requise pour le développement d’épidémies avant de recommander l’application de fongicides afin de développer une agriculture durable.

Keywords:

• concentration of spores
• powdery mildew
• stripe rust
• threshold for inoculum
• wheat

Mots clés:

• blé
• concentration de spores
• oïdium
• rouille jaune
• valeur seuil pour la concentration de l’inoculum

Acknowledgements

We thank Dr Timothy Schwinghamer, Agriculture and Agri-Food Canada, Lethbridge Research and Development Centre, for reviewing the statistical analyses.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

Supplementary material

Supplemental data for this article can be accessed online here: https://doi.org/10.1080/07060661.2023.2177888

Additional information

Funding

This work was funded by the Peer Review Program of Agriculture and Agri-Food Canada [J-001003].