Thesis (PhD(Agric))--Stellenbosch University, 2009. / ENGLISH ABSTRACT: The global movement in agriculture is towards more environmentally friendly, sustainable production practices, since the role of soil microbial functions in ensuring crop production and soil fertility has become more evident in agricultural systems. Furthermore, with the impeding phase-out of methyl bromide, apple replant disease (ARD) is becoming an increasingly important problem and biological management practises are needed. Since microbial activity is generally carbon-limited in agricultural soil, it is widely accepted that management practices providing a range of organic compounds on a regular basis will tend to maintain an active and diverse microbial population. It was hypothesised that the application of various biological amendments can affect soil microbial numbers and function, thereby having a positive effect on fruit tree growth and yield. The effect of continued applications of organic material, various microbial inoculants and biostimulants on tree performance were evaluated in conventional management systems. Field trials were established in a conventional pear orchard, potential apple replant disease sites, as well as an optimally managed, high density apple orchard under controlled fertigation. The use of compost, compost extracts, a Bacillus inoculant and humates were investigated intensively. Furthermore, to improve our understanding of soil biological systems a combination of simple, practical methods were used to evaluate the effect of biological amendments on soil microbial properties and effects were related to tree performance. Regular application of compost extract in combination with compost showed the most significant effect in improving tree performance in commercial pome fruit orchards under various conditions. In the pear orchard, cumulative yield over the first two seasons was improved by more than 50% compared to controls, while in the fertigated orchard yield was improved by 22%. Biological amendments also showed improved growth in orchards suffering from stunted growth symptoms typical of ARD. However, in severe ARD cases methyl bromide fumigation showed the most consistent effects. Other biological amendments which showed positive effects on yield were application of Bacillus inoculants (Biostart®) in combination with a labile C source and a low dosage humate product, as well as a combination of compost and humates. It was clear that a combination of labile organic matter and a diverse group of microorganisms showed most promise. Although for some specific treatments increased microbial numbers and activity may have resulted in improved tree performance, in general, changes in culture-based plate counts, soil enzyme activity and carbon utilisation profiles could not be used as an indicator of yield. It was suggested that improved synchronisation of nutrient release and plant uptake, as well as microbial phytohormone production, may play an important role in improving tree performance with application of biological amendments. More research is needed on the exact mechanisms through which compost extracts improve yield and studies on root growth proliferation, as well as effects in the rhizosphere are recommended. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Binne lanbouverband is daar tans wêreldwyd die neiging om die uitwerking van produksie-praktykte op die omgewing in ag te neem en sodoende meer verantwoordelik op te tree. Omdat die belangrike rol wat grondmikro-organisme funksionering in volhoubare verbouingspraktyke speel nou deeglik besef word, word meer volhoubare bestuurspraktyke bepleit. Hiermee saam, noodsaak aspekte soos die uitfasering van metielbromied vir die beheer van appelhervestigingsiekte, dat biologiese bestuurspraktyke meer aandag geniet. Daar word geredelik aanvaar dat gereelde toediening en aanvulling van organiese materiaal ‘n aktiewe, diverse mikrobe populasie in die grond tot gevolg sal hê. Die hipotese is gestel dat die toediening van ‘n verskeidenheid biologiese produkte grondmikrobe getalle en werking gunstig kan beïnvloed. Dit kan moontlik weer aanleiding gee tot positiewe reaskies wat die groei en drag van vrugtebome betref. In hierdie studie is die uitwerking van voortgesette toedienings van organiese materiaal, mikrobiese inokulante, asook biostimulante, op die prestasievermoë van vrugtebome ondersoek. Veldproewe is uitgelê in ‘n konvensionele peerboord, verskeie boorde met moontlike appelhervestigingsiekte probleme, asook ‘n hoëdigtheidsaanplanting appelboord onder optimale bestuur. ‘n Deeglike ondersoek is gedoen met betrekking tot die gebruik van kompos, komposekstrak, Bacillus-inokulante en humate. Eenvoudige, praktiese metodes is aangewend om vas te stel hoe biologiese toevoegings grondmikrobe eienskappe beïnvloed en of dit verband hou met veranderinge in boomprestasie. Die studie het aangetoon dat die gereelde toediening van komposekstrak saammet kompos, betekenisvolle verbetering in boomprestasie van kernvrugboorde teweeg bring onder verskeie omstandighede. Die kumulatiewe opbrengs van ‘n peerboord is oor twee seisoene met meer as 50% verhoog teenoor die kontrole. In ‘n optimaal bestuurde appelboord onder sproeibemesting, is opbrengs met 22% verhoog in vergelyking met die kontrole. Biologiese toevoegings het ook groei verbeter in boorde waar appelhervestigingsiekte bome se groei vertraag het. In die geval van ernstige appelhervestigingsimptome het metielbromied egter steeds die mees konstante positiewe uitwerking gehad. Ander biologiese toevoegings wat ‘n gunstige uitwerking op opbrengs getoon het, was ‘n kombinasie van Bacillus inokulante, ‘n lae dosis humaat en ‘n aktiewe koolstofbron, asook kompos in kombinasie met humate. Dit is duidelik dat ‘n kombinasie van ‘n maklik afbreekbare koolstofbron (soos kompos) tesame met ‘n diverse groep mikroorganismes mees belowend is vir gebruik in biologiese verbouingssisteme. Resultate toon dat veranderings in aantal organismes gemeet deur plaattellings, die aktiwiteit van grondensieme, en verbruikspotensiaal van verskillende koolstofbronne, nie as ‘n aanduiding van boomprestasie gebruik kan word nie. Daar is voorgestel dat verbeterde sinkronisasie van voedingselementvrystelling en plantopname, sowel as produksie van plantgroeihormone deur mikrobe, moontlik ‘n rol speel by boomreaksies op biologiese toevoegings. Meer navorsing wat verband hou met die meganisme waardeur komposekstrak opbrengs verbeter, is nodig. Verder word studies op fynwortelontwikkeling sowel as aspekte van die wortelrisosfeer aanbeveel.

Die pilzlichen Erreger der Tomate Alternaria solani und des Manioks Colletotrichum gloeosporioides f.sp. manihotis verursachen große Ertragsausfälle in Westafrika. In der vorliegenden Arbeit wurden die Blattkrankheiten nach Applikationen mit wässerigen Extrakten aus Westafrika (Ausgangsmaterial: organischer Haushaltsmüll) unter kontrollierten Bedingungen unterdrückt. Im Pathosystem Tomate - A. solani erzielten die Extrakte eine Befallsverminderung um bis zu 94 % im Vergleich zur Kontrollvariante und im Maniok - C. gloeosporioides wurde die Anzahl der gebildeten Acervuli/cm² Blattoberfläche bis um 87 % reduziert. Der primäre Wirkmechanismus der Extrakte gegen die Pathogene ist Antagonismus, hervorgerufen von den Mikroorganismen in den Extrakten. Isolierte Bakterien aus den Extrakten hemmten das Wachstum der Pathogene in Plattentests, was auf die Bildung von fungistatischen Substanzen zurückzuführen war. Die Bakterien, die aus den Extrakten isoliert und identifiziert wurden, gehörten überwiegend zu den Bakteriengattungen Pseudomonas und Bacillus. Die Extraktionsbedingungen nahmen in Hinblick auf die Wirksamkeit der Extrakte gegen die Pathogene eine wichtige Stellung ein. Die Untersuchungen zeigten einen Zusammenhang zwischen gestiegener Mikroorganismenanzahl und Befallsreduktion. Durch die Auswahl optimaler Extraktionsbedingungen erhöhte sich die Anzahl der Koloniedichte in den Extrakten; dies führte zur einer stärkeren Befallsreduzierung an der Tomate und am Maniok. Hierbei waren die Umgebungstemperatur und die Häufigkeit des Durchmischens des Kompost-Wasser-Gemisches von besonderer Bedeutung. Extrakte, die während der Extraktionszeit einer Temperatur von 20°C ausgesetzt waren, erzielten eine stärkere Befallsreduzierung von A. solani an der Tomate und wiesen eine höhere Mikroorganismendichte auf als Extrakte, die einer Temperatur von 30°C und 35°C ausgesetzt waren. Tägliches Durchmischen des Wasser-Kompost-Gemisches während der Extraktionszeit erhöhte die Mikroorganismendichte um das Siebenfache in den Extrakten und die Wirksamkeit gegen A. solani und C. gloeosporioides im Vergleich zu den Extrakten, die nur zu Beginn durchmischt wurden. Die Lagerungszeit der fertigen Komposte hatte einen Einfluß auf die Mikroorganismendichte der wässerigen Extrakte sowie auf deren Wirksamkeit. Extrakte, die aus frischen Komposten hergestellt wurden, zeigten einen besseren suppressiven Effekt gegen die Pathogene und wiesen eine höhere Mikroorganismenanzahl auf als Extrakte, deren Komposte schon länger gelagert worden waren. Die Anreicherung der Extrakte mit dem Formulierungshilfsstoff Xanthan steigerte die Wirksamkeit der Extrakte gegen A. solani an Tomatenpflanzen und gegen C. gloeosporioides f.sp. manihotis an abgetrennten Maniokblättern. Angereicherte Extrakte reduzierten den Befall um bis zu 46 % mehr als der Extrakt ohne Formulierungshilfsstoffe, während die Steigerung der Wirksamkeit nach Anreicherung mit Alginat oder Zellulose eine Abhängigkeit von der Herkunft der Komposte zeigte. Eine erhöhte ß-1,3-Glucanase-Aktivität wurde am vierten Tag nach der Applikation von Extrakten an der Tomate und an der Batate festgestellt. Diese Ergebnisse belegen die Bedeutung von Spritzbehandlungen mit wässerigen Kompostextrakten gegen die Pathogene A. solani und C. gloeosporioides f.sp. manihotis und stellen eine erfolgversprechende Alternative zur Bekämpfung von Pilzkrankheiten in Westafrika dar. / Great yield losses of cassava in West Africa are caused by fungal pathogens that also affect tomato, e.g. Alternaria solani and Colletotrichum gloeosporioides f sp. manihotis. In the present study these foliar diseases were effectively suppressed under controlled conditions after application of watery compost extracts to tomato and cassava The disease incidence of A. solani on tomato was reduced up to 94 % and the number of the acervuli produced on the surface of cassava leaves was reduced up to 87% compared to the control treatment. Reduction is due to antagonistic effects of the microorganisms in the extracts towards the pathogens. Bacterial strains isolated from the extracts suppressed the growth of the pathogens in dual-culture-tests due to the production of antibiotics. Bacteria isolated and identified from the extracts were mostly pseudomonas and bacillus strains. The conditions used for extraction of compost played a significant role for their effectiveness against different pathogens. The investigations showed that optimisation of extract conditions increased the density of microorganisms in the extracts and led to a higher disease reduction on tomato and cassava plants. Temperature and stirring frequency of the compost - water mixture during the extraction period were very important factors for increased effectiveness. Extracts incubated at 20 °C during the extraction period caused a higher disease reduction on tomato and showed a higher density of microorganisms, than extracts that were incubated at 30 or 35 °C. Daily stirring of the compost - water mixture during the extraction period increased the density of microorganisms in the extracts sevenfold and increased the effectiveness against A. solani and C. gloeosporioides compared to the extract that was stirred only once at the beginning. The Effectiveness as well as the density of the microorganisms were depended on the incubation time of the compost extracts. Extracts produced from fresh composts showed greater suppressive effects against pathogens and higher densities of microorganisms than extracts of composts that were stored for a longer time. Enrichment of the extracts with the formulate substance xanthan increased the effectiveness against A. solani on tomato plants and against C. gloeosporioides on detached leaves of cassava and reduced the disease incidence up to 46% compared to the extract without formulate substances. The increase of the effectiveness after enriching with alginate was depended on the origin of the compost. An increased ß-1,3- glucanase activity were determined on tomato and sweet potato leaves 4 days after the application of the extracts onto the plants. The results of this study show that watery compost extracts can be successfully applied against the cassava and tomato pathogens A. solani and C. gloeosporioides f. sp. manihotis and offers easily applicable methods for the reduction of fungal diseases in West Africa.