Extracts from cotton over the whole growing season induce Orobanche cumana (sunflower broomrape) germination with significant cultivar interactions

Abstract

Five cotton cultivars and their parents were tested for induction of germination of Orobanche cumana Wallr. (sunflower broomrape) seeds in pot and field experiments. Germination rates induced by cotton root extracts were the highest followed by stem extracts then leaf extracts. Cotton seedlings at the six-leaf stage induced higher germination than seedling at the two- and four-leaf stage, in all five cotton cultivars and their parents. In the field, the highest concentration of cotton root extracts gave the highest germination rate of O. cumana, and the lowest concentration of cotton root extracts gave the lowest germination rate. Methanol extracts of cotton rhizosphere soil gave the highest germination of O. cumana. In general, the root, stem and leaf extracts were more active at the six-leaf stage than other seedling stages. In conclusion, extracts of cotton rhizosphere soil and tissues have high activity in the seedling stage. Extracts of cotton across the whole growing season were able to induce O. cumana germination but displayed significant cultivar interactions.

Keywords

agricultural systems / cotton / crop ecology / crop rotation systems / weed management

References

[1] Young N D, Steiner K E, Pamphilis C. The evolution of parasitism in Scrophulariaceae/Orobanchaceae: plastid gene sequences refute an evolutionary transition series. Annals of the Missouri Botanical Garden, 1999, 86(4): 876–893

[2] Parker C, Riches C R. Parasitic weeds of the world biology and control. In: Gutteridge R C, Skelton H M, eds. In Orobanche species. Cambridge: Cambridge University Press, 1993, 111–164

[3] Sauerborn J. The economic importance of the phytoparasites Orobanche and Striga. In: Ransom J K, Musselman L J, Worsham A D, Parker C, eds. Proceedings of the 5th International Symposium on Parasitic Weeds. Kenya: Nairobi, 1991, 137–143

[4] Zhang J L, Jiang Q. The host and distribution of some important species of Orobanche and Cuscuta. Plant Quarantine, 1994, 8(2): 69–73 (in Chinese)

[5] Carson A G. Studies on Striga in Gambia. In: Robson T O, Broad H R, eds. Consultation on Striga Control. Protection of the FAO/OAU All-African Government, Cameroon: FAO, 1988, 37–43

[6] Botanga C J, Alabi S O, Echekwu C A. Genetics of suicidal germination of Striga hermonthica (Del.) Benth by cotton. Crop Science, 2003, 43(2): 483–488

[7] Lins R D, Colquhoun J B, Cole C M, Mallory-Smith C A. Investigation of wheat as a trap crop for control of Orobanche minor. Weed Research, 2006, 46(4): 313–318

[8] Yoneyama K, Takeuchi Y, Yokota T. Natural germination stimulants for Orobanche minor Sm. In: Fer A, Thalouarn P, Joel D M, Musselman L J, Parker C, Verkleij J A C, eds. Proceedings of the 7th International Symposium on Parasitic Weed. Nantes, France: University of Nantes, 2001, 123

[9] Dong S Q, Ma Y Q, Wu H W, Shui J F, Ye X X, An Y. Allelopathic stimulatory effects of wheat differing in ploidy levels on Orobanche minor germination. Allelopathy Journal, 2013, 31(2): 355–366

[10] Aalders A, Pieters G R. Resistance in Vicia faba to Orobanche crenata: true resistance versus hidden susceptibility. Euphytica, 1987, 36(1): 227–236

[11] Dong S Q, Ma Y Q, Wu H W, Shui J F, Hao Z Q. Stimulatory effects of wheat (Triticum aestivum L.) on seed germination of Orobanche minor Sm. Allelopathy Journal, 2012, 30(2): 247–258

[12] Ma Y Q, Jia J N, Wang Z, An Y, Shui J F, Mao J C. Potential of some hybrid maize lines to induce germination of sunflower broomrape. Crop Science, 2013, 53(1): 260–270

[13] Ma Y Q, Lang M, Dong S Q, Shui J F, Zhao J X. Screening of some cotton varieties for allelopathic potential on clover broomrape germination. Agronomy Journal, 2012, 104(3): 569–574

[14] Zhang W, Ma Y, Wang Z, Ye X, Shui J. Some soybean cultivars have ability to induce germination of sunflower broomrape. PLoS One, 2013, 8(3): e59715

[15] Ma Y Q, Zhang M, Li Y L, Shui J F, Zhou Y J. Allelopathy of rice (Oryza sativa L.) root exudates and its relations with Orobanche cumana Wallr. and Orobanche minor Sm. germination. Journal of Plant Interactions, 2014, 9(1): 722–730

[16] An Y, Ma Y Q, Shui J F, Zhong W J. Switchgrass (Panicum virgatum L.) has ability to induce germination of Orobanche cumana. Journal of Plant Interactions, 2015, 10(1): 142–151

[17] Parker C, Hitchcock A M, Ramaiah K V. The germination of Striga species by crop root exudates: techniques for selecting resistant crop cultivars. In: Proceedings of the 6th Conference on Asian-Pacific Weed Science Society 1977, Jakarta: Weed Science Society of Asian-Pacific, 1977, 67–74

[18] Mangnus E M, Stommen P L A, Zwanenburg B. A standardized bioassay for evaluation of potential germination stimulants for seeds of parasitic weeds. Journal of Plant Growth Regulation, 1992, 11(2): 91–98

[19] Riley D, Barber S A. Bicarbonate accumulation and pH changes at the soybean (Glycine max (L.) Merr.) root-soil interface. Soil Science Society of America Journal, 1969, 33(6): 905–908

[20] Riley D, Barber S A. Salt accumulation at the soybean (Glycine max (L.) Merr.) root-soil interface. Soil Science Society of America Journal, 1970, 34(1): 154–155

[21] Joel D M, Steffens J C, Matthews D E. Germination of weedy root parasites. In: Kigel J, Galili G, eds. Seed development and germination. New York: Marcel Dekker, 1995, 567–597

[22] Sato D, Awad A A, Takeuchi Y, Yoneyama K. Confirmation and quantification of strigolactones, germination stimulants for root parasitic plants Striga and Orobanche, produced by cotton. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 2005, 69(1): 98–102

[23] Cook C E, Whichard L P, Wall M E, Egley G H, Coggon P, Luhan P A, McPhail A T. Germination stimulants II. The structure of strigol-a potent seed germination stimulant for witchweed (Striga lutea Lour.). Journal of the American Chemical Society, 1972, 94(17): 6198–6199

[24] Cook C E, Whichard L P, Turner B, Wall M E, Egley G H. Germination of witchweed (Striga lutea Lour.): isolation and properties of a potent stimulant. Science, 1966, 154(3753): 1189–1190

[25] Siame B P, Weerasuriya Y, Wood K, Ejeta G, Butler L G. Isolation of strigol, a germination stimulant for Striga asiatica from host plants. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1993, 41(9): 1486–1491

[26] Dor E, Yoneyama K, Wininger S, Kapulnik Y, Yoneyama K, Koltai H, Xie X, Hershenhorn J. Strigolactone deficiency confers resistance in tomato line SL-ORT1 to the parasitic weeds Phelipanche and Orobanche spp. Phytopathology, 2011, 101(2): 213–222

[27] Yang C, Hu L Y, Ali B, Islam F, Bai Q J, Xun X P, Yoneyama K, Zhou W J. Seed treatment with salicylic acid invokes defense mechanism of Helianthus annuus against Orobanche cumana. Annals of Applied Biology, 2016, 169(3): 408–422

[28] Akiyama K, Matsuzaki K, Hayashi H. Plant sesquiterpenes induce hyphal branching in arbuscular mycorrhizal fungi. Nature, 2005, 435(7043): 824–827

[29] Gomez-Roldan V, Fermas S, Brewer P B, Puech-Pagès V, Dun E A, Pillot J P, Letisse F, Matusova R, Danoun S, Portais J C, Bouwmeester H, B°Card G, Beveridge C A, Rameau C, Rochange S F. Strigolactone inhibition of shoot branching. Nature, 2008, 455(7210): 189–194

[30] Umehara M, Hanada A, Yoshida S, Akiyama K, Arite T, Takeda-Kamiya N, Magome H, Kamiya Y, Shirasu K, Yoneyama K, Kyozuka J, Yamaguchi S. Inhibition of shoot branching by new terpenoid plant hormones. Nature, 2008, 455(7210): 195–200

Acknowledgements

The authors thank the Xinjiang Production and Construction Corps for the Year 2016 Agricultural and Social Development Science and Technology Program (2016AC007) for financial support.

Compliance with ethics guidelines

Ming Lang, Rui Yu, Yongqing Ma, Wei Zhang, and Christopher S. P. McErlean declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

This article does not contain any studies with human or animal subjects performed by any of the authors.

RIGHTS & PERMISSIONS

The Author(s) 2017. Published by Higher Education Press. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)