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Übersichtsarbeit

Die in vitro-Zuchten von Bursaphelenchus spp. am Referenzlaboratorium für Quarantäneschadorganismen am Julius Kühn-Institut in Braunschweig

The in vitro cultivation of Bursaphelenchus spp. at the reference laboratory for quarantine pests at Julius Kühn-Institut in Braunschweig

Björn Hoppe1, Helen Braach2*, Silvia Urban1 und Thomas Schröder3
Affiliationen
1 Julius Kühn-Institut (JKI) – Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen, Institut für nationale und internationale Angelegenheiten der Pflanzengesundheit, Braunschweig
2 Julius Kühn-Institut /JKI) – Institut für nationale und internationale Angelegenheiten der Pflanzengesundheit, 14532 Kleinmachnow
3 BMEL – Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft, Bonn
* 14471 Potsdam, Kantstr. 5 (im Ruhestand)

Journal für Kulturpflanzen, 72 (8). S. 415–420, 2020, ISSN 1867-0911, DOI: 10.5073/JfK.2020.08.12, Verlag Eugen Ulmer KG, Stuttgart

Kontaktanschrift
Dr. Björn Hoppe, Julius Kühn-Institut (JKI) – Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen, Institut für nationale und inter­nationale Angelegenheiten der Pflanzengesundheit, Messeweg 11/12, 38104 Braunschweig, E-Mail: bjoern.hoppe@julius-kuehn.de
Zur Veröffentlichung angenommen
8. Juni 2020
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Zusammenfassung

Das Forstquarantänelabor des Julius Kühn-Instituts in Braunschweig (Deutschland) kuratiert eine einzigartige Sammlung lebender Bursaphelenchus-Arten, zudem Dauer­präparate und ITS-RFLP Muster dieser Arten. Die Sammlung wurde von Dr. Helen Braasch gegründet und umfasst derzeit 48 Arten in 305 verschiedenen Isolaten. Diese Isolate wurden über 30 Jahre hinweg weltweit aus verschiedenen Habitaten (Bäumen) und anderen Bezugs­quellen, wie Holzimporten einschließlich Holzverpackungsmaterial, gesammelt. Die Aufzucht der Nema­toden auf sporulierenden und nicht sporulierenden Botrytis cinerea – Kulturen ist anspruchsvoll, arbeitsintensiv und erfordert sowohl Erfahrung als auch Geduld.

Stichwörter: Bursaphelenchus xylophilus, in vitro-Zucht

Abstract

The Forest quarantine laboratory at Julius Kühn-Institut in Braunschweig (Germany) curates a unique collection of living Bursaphelenchus species, permanent slides and ITS-RFLP profiles. The collection was initiated by Dr. Helen Braasch and currently comprises 48 species in 308 different isolates. These isolates were collected over 30 years across the globe from various habitats and sources, like forest trees and wood imports including wooden packaging material. Cultivation of the nematodes on sporulating and non-sporulating Botrytis cinerea is sophisticated, labor-intensive and requires both, experience and patience.

Key words: Bursaphelenchus xylophilus, in vitro-breeding

Der Kiefernholznematode Bursaphelenchus xylophilus

Der Kiefernholznematode Bursaphelenchus xylophilus (Steiner und Buhrer, 1934) Nickle, 1970 gehört neben dem „Red Ring Nematode“ der Kokospalmen, Bursaphelenchus [Rhadinaphelenchus] cocophilus (Cobb) Baujard, zu den einzigen nachweislich hochpathogenen Arten der mittlerweile ca. 125 Arten (Gu et al., 2019) umfassenden Gattung Bursaphelenchus. Dieser durch Bockkäferarten der Gattung Monochamus übertragene Nematode verursacht an verschiedenen wirtschaftlich bedeutsamen Pinus-Arten unter ausreichenden klimatischen Bedingungen (> 20°C Durchschnittstemperatur in den Sommermonaten) die verheerende Kiefernwelke, die sich weiter ausbreitet und bisher nicht ausreichend erfolgreich bekämpft werden konnte.

Die Art stammt aus Nordamerika, wo sich im Laufe der Evolution Wirtsbäume und Nematode aneinander angepasst haben, sodass heimische Koniferenarten nicht geschädigt werden. Demgegenüber verursacht der Nema­tode an gebietsfremden Pinus-Arten sowie in Ländern, in die er eingeschleppt wurde (z. B. China, Japan, Korea, Portugal), schwere Schäden (EFSA, 2020). Anfang des 20. Jahrhunderts wurde der Nematode wahrscheinlich mit Holzexporten von Nordamerika nach Japan verschleppt. Es folgten weitere Ein- und Verschleppungen in Asien, bevor das erste Auftreten in Europa in Portugal im Jahr 1999 bestätigt wurde (Mota et al., 1999). Der Kiefernholznematode ist im Rahmen der neuen EU-Pflanzengesundheitsverordnung als sogenannter prioritärer Schad­organismus gelistet, und es bestehen phytosanitäre Vorschriften für die Einfuhr von Wirtspflanzen und Holz sowie für seine Bekämpfung im Falle eines Auftretens in einem EU-Mitgliedstaat (EU, 2012; 2019a).

Geschichte der Sammlung

Die Begründung der Bursaphelenchus-Kulturensammlung durch Dr. Braasch in der Dienststelle für wirtschaftliche Fragen und Rechtsangelegenheiten im Pflanzenschutz der Biologischen Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft (BBA) (Außenstelle Kleinmachnow) begann mit der Wiedervereinigung Deutschlands und der zunehmenden Relevanz des durch Nematoden verursachten Problems der Kiefernwelke in Ostasien. Dr. Braasch hatte dieses Problem bereits in Betracht gezogen, als sie das Quarantänelabor im Zentralen Pflanzenschutzamt der DDR leitete (Braasch, 1983). Der erste wissenschaftliche Kontakt mit „westdeutschen“ Fach­kolleg* Innen fand im Institut für Nematologie und Wirbeltierforschung der BBA in Münster statt. Einige Kollegen dort befassten sich bereits mit einer Bursaphelenchus-Art in Laubbäumen und verfügten über einige Kulturen, darunter B. xylophilus aus Japan. Dr. Braasch erhielt 1991 die Bursaphelenchus-Kulturen aus Münster und konnte nunmehr den Kiefernholznematoden B. xylophilus endlich „persönlich“ studieren. Dies war der Beginn der Sammlung zahlreicher Bursaphelenchus-Arten, um eine mögliche Inzidenz oder Verschleppung des gefährlichen Kiefernholznematoden und verwandter Arten zu überprüfen, die mit B. xylophilus verwechselt werden könnten. Ein weiterer Grund für die Kultivierung war die Notwendigkeit einer großen Anzahl von Individuen für morphologische und molekulare Untersuchungen (Burgermeister et al., 2009) sowie für Pathogenitätstests und Untersuchungen der Umweltanforderungen dieser Art (z. B. Braasch, 1994; Daub, 2008; Hopf-Biziks et al., 2016; Hopf-Biziks & Schröder, 2019).

Die phtytosanitären Einfuhranforderungen von Nadelholz in die EU aus Nordamerika, wo B. xylophilus natürlich vorkommt, ohne die einheimischen Nadelbäume zu schädigen, erforderten zudem besonders intensive Maßnahmen. Dies führte zum zweiten Schritt beim Aufbau der Sammlung: Französische Kollegen (de Guiran, INRA), die Dr. Braasch auf einem internationalen nematologischen Treffen kennenlernte, stellten Bursaphelenchus-Kulturen von nordamerikanischen Abies-, Pinus- und Picea-Arten, sowie weiteren japanischen Isolaten (von Mamiya) zur Verfügung. Während des EU-RISKBURS-Forschungsprojektes (1996–2000) (https://cordis.europa.eu/project/id/FAIR950083) wurden von den Projektpartnern in Österreich, Griechenland, Italien und Deutschland zahlreiche Nematodenproben aus Pinus spp. gesammelt und verschiedene Bursaphelenchus-Arten in die Kulturensammlung aufgenommen. Dr. Braasch hatte bereits seit 1992 Nematoden aus importiertem Holz isoliert und kultiviert. Kolleg* Innen deutscher Pflanzenschutzdienste und Länderforstbehörden leisteten zudem einen wesentlichen Beitrag zur Erweiterung der Sammlung.

Ab 1999 erweiterte und intensivierte sich durch das Euro­päische Erstauftreten des Kiefernholznematoden die Zusammenarbeit mit Portugal und führte zu weiteren wertvollen Sammlungsbeiträgen. Andere Kooperationen mit Instituten in Kanada, China, Zypern, Korea, USA, Russland, der Türkei, Südafrika, der Schweiz und eigene Sammel­tätigkeiten in Deutschland und im Ausland (z. B. Nordamerika, China, Thailand und Malaysia) haben die Bereitstellung von Arten für die Sammlung vorangetrieben.

Nach Dr. Braaschs Pensionierung erfolgte die Betreuung der Sammlung ab 2001 durch Dr. Thomas Schröder und Silvia Urban am heutigen Institut für nationale und internationale Angelegenheiten der Pflanzengesundheit in Braunschweig. Hier standen vor allem Bekämpfungsmaßnahmen und Pathogenitätsversuche im Fokus der wissenschaftlichen Aktivitäten, die unter anderem durch zwei Dissertationen belegt sind (Daub, 2008; Hopf-Biziks & Schröder, 2019). Des Weiteren wurden internationale Kooperationen intensiviert und Netzwerke aufgebaut. Die Sammlung wurde durch internationale Kontakte ständig um neue Arten erweitert. Neben der Referenzfunktion wird die Sammlung auch zum Hinterlegen von Typenmaterial bei Neubeschreibungen von Bursaphelenchus-Arten genutzt (z. B. Tomalak & Filipiak, 2010; Tomalak & Filipiak, 2014; Tomalak & Malewski, 2014) und dient der Unterstützung bei der Durchführung von Bestimmungsprak­tika. Die Sammlung wird auch international von Wissenschaftlern außerhalb der EU anerkannt und als Referenz sowie als Basis für morphologische und molekulare Unter­suchungen genutzt (z. B. Leal et al., 2013). Sie wird seit 2013 bzw. 2016 als Referenz in internationalen Diagnoseprotokollen der Europäischen und Mediterranen Pflanzenschutzorganisation (EPPO) und dem Internationalen Pflanzenschutzübereinkommen (IPPC) genannt (EPPO, 2013; 2014; FAO, 2016).

Seit 2016 wird das Quarantänelabor und somit auch die Sammlung von Dr. Björn Hoppe und Silvia Urban betreut. Mit der Verordnung zur Zuweisung der Funktion eines nationalen Referenzlaboratoriums für Schadorganismen der Pflanzen (PflSchadORZV) vom 10.04.2019 wurde dem Labor die Aufgabe als Referenzlabor für die Diagnose des Kiefernholznematoden übertragen (BGBl, 2019). Zu den Aufgaben gehören in diesem Zusammenhang beispielsweise die Bereitstellung von Lebendmaterial und Durchführung von Laborvergleichsuntersuchungen für und mit den Pflanzenschutzdiensten der Länder.

In gewohnter Weise wird zudem, auf Anfrage, nationalen und internationalen Instituten Material zu Forschungszwecken bereitgestellt. Des Weiteren soll die Sammlung entsprechend der bereits beschriebenen, vor allem in Holz lebenden, Bursaphelenchus-Arten schrittweise erweitert werden.

Die Zucht und ihre Erhaltung

Die Sammlung umfasst gegenwärtig 48 Arten aus 305 verschiedenen Isolaten (Tab. 1, Abb. 1). Die Erhaltung der Kulturen erfordert viel Arbeit, und nicht alle Arten können gleichermaßen gut kultiviert werden.

Tab. 1. In Laborzucht kultivierte Bursaphelenchus-Arten am JKI in Braunschweig

Art

Anzahl Isolate

Herkünfte aus

isoliert aus

in der Samm­lung seit

B. abietinus

3

Österreich

Pityokteines vorontzowi aus Abies alba

1997

B. abruptus

1

USA

Anthophora abrupta

1998

B. africanus

1

Südafrika

Verpackungsholz (VPH)

2006

B. anamurius

2

Türkei

Pinus brutia

2006

B. andrassyi

1

Türkei

Abies spp.

2012

B. antoniae

1

Portugal

Hylobius (Pinus pinaster)

2007

B. arthuri

3

China, Südkorea, Taiwan

VPH

2004

B. braaschae

1

Thailand

VPH

2009

B. burgermeisteri

1

Japan

VPH

2006

B. chengi

1

Taiwan

VPH

2007

B. conicaudatus

4

China (Hongkong), Japan, Taiwan

Ficus carica

2001

B. corneolus taiwanen­sis ssp.

1

Taiwan

VPH

2005

B. corneolus (syn. B. curvicaudatus)

1

Mexiko

VPH

2002

B. dietrichi

5

Frankreich, Italien, Portugal, Türkei

Pinus pinaster, P. nigra

1997, 2019

B. doui

5

Südkorea, Taiwan

VPH, Pinus massoniana

2004

B. eggersi

4

Deutschland, Österreich

Hylurgops palliatus, Pinus spp.

1999

B. eremus

3

Deutschland

Scolytus intricatus, Quercus spp.

2004

B. fraudulentus

15

Deutschland, Österreich, Polen, Russ-land, USA, Ungarn

Betula pendula, Larix spp. (auch Schnit­tholz), Picea spp. (Sägespäne) Pinus mon­ticola, Prunus avium, Prunus cerases, Quercus robur, Quercus spp., Thuja plicata

1990

B. fuchsi

2

Deutschland

Dryocoetes autographus, Pinus sylvestris

1996

B. fungivorus

7

China, Deutschland, Portugal, Südkorea, Tschechische Republik

VPH, Koniferenrinde/Rindenmulch (unbestimmt)

1998

B. gerberae

1

Trinidad

Rhynchophorus palmarum

1998

B. gillanii

2

China, Frankreich

VPH

2008

B. hellenicus

2

Griechenland, Türkei

Pinus brutia

1996

B. hildegardae

2

Deutschland

Ips sexdentatus, Pinus spp.

2000

B. hofmanni

4

Deutschland, Österreich, Tschechische Republik

Picea abies, Pinus sylvestris, Salix spp.

1996

B. hylobianum

4

Japan, Russland, Thailand

VPH, Larix sibirica, Pinus sylvestris, P. merkusii

1998

B. luxuriosae

1

Japan

Acalolepta luxuriosae

2004

B. macromucronatus

2

Taiwan

VPH

2007

B. mucronatus (europ. Typ – B. mucronatus kolymensis, ostasiat­ischer Typ – B. mucro­natus mucronatus, Mischtyp)

125

China, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, Japan, Norwegen, Österreich, Russland, Schweiz, Südkorea, Tschechische Republik, Türkei, Ukraine

VPH, Monochamus galloprovincialis, Larix decidua, L. sibirica, (Laris spp.) Picea abies (Picea spp.), P. desnisflora, P. massoniana, P. nigra, P. koraiensis, P. koraiensis, P. strobus, P. sylvestris, Pinus thunbergii, (Pinus spp.)

1999

B. obeche

2

Indonesien

VPH, Triplochiton scleroxylon

2007

B. paracorneolus

3

Deutschland, Russland

Larix decidua, Picea abies, Pinus sylvestris

1997

B. paraluxuriosae

1

Indonesien

VPH

2011

B. paraparvispicularis

1

China (Hongkong)

VPH

2009

B. pinasteri

1

Deutschland

Pinus sylvestris

2005

B. platzeri

1

USA

Carpophilus humeralis

1998

B. poligraphi

1

Deutschland

Picea spp.

1998

B. populi

2

Polen, Russland

Populus tremula

2009

B. rainulfi

5

China, Malaysia, Südkorea, Tai­wan

VPH, Pinus caribiae, P. massoniana

2000

B. seani

1

USA

Anthophora bomboides

2000

B. sexdentati

2

Deutschland

Pinus sylvestris

2001

B. sinensis

2

China

VPH

2008

B. singaporensis

3

Malaysia, Singapur

VPH, Agathis spp.,

2004

B. thailandae

5

Japan, China, Südkorea

VPH, Pinus densiflora, P. thunbergii

1999

B. trypophloei

1

Polen

Trypophloeus asperatus (aus Populus tremula)

2011

B. tusciae

1

Italien

Pinus pinaster

1997

B. vallesianus

13

Griechenland, Schweiz, Türkei

k.A.*, Pinus nigra, P. sylvestris

1997

B. willibaldi

3

Deutschland

„Koniferen“-Hackschnitzel, Quercus spp.

2005

B. xylophilus

52

China, Japan, Kanada, Portugal, Spanien, Südkorea, Taiwan, USA

VPH, Abies balsamea, Pinus banksiana, P. densiflora, P. halepensis, P. marssoniata, P. pentaphylla, P. pinaster, P. palustris, P. ra­diate, P. sylvestris, P. taeda, P. thunbergii

1990

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Abb. 1. Ein Blick ins Labor. A) Arbeitsbereich zum Um­setzen der Zuchten auf neue „Pilzrasen“ (z. B. Zuchtplatten mit sporulierenden Botrytis cinerea – Kulturen; B) Diverse Zuchtplatten zur Lagerung in Hartplastik-Fotoschalen; C) Stereomikroskop zur Vitalitätsbeurteilung der Nematoden; D) ausge­wählte Zuchtplatte: Bursaphelenchus mucronatus isoliert aus chinesischem VPH, dass in Österreich beanstandet wurde.

Zur Erhaltung der Bursaphelenchus-Zuchten müssen diese regelmäßig auf neue Botrytis cinerea-Platten (Ascomy­cota: Helotiales) umgesetzt und visuell kontrolliert werden. Hierbei wird zwischen sporulierenden Botrytis cinerea (Umsetzung aller 2–4 Monate) und nichtsporulierenden Botrytis cinerea – sog. Harmey-Platten (Umsetzung aller 2–4 Wochen) unterschieden. Es gibt Arten, die sich vornehmlich auf nichtsporulierender Botrytis vermehren (z. B. Arten der sexdentati-Gruppe), daher werden bei jedem Start einer neuen Kultur beide Pilzvarianten auf die jeweilige Eignung getestet. Der Futterpilz Botrytis cinerea wird auf 2 %igem Malzextrakt­agar (pH-Wert 7) kontinuierlich vermehrt.

Zum Schutz vor Milben finden alle Arbeiten an den Zuchten auf nassen Vliestüchern statt (ins Wasser werden ein paar Tropfen Spülmittel geben, um die Oberflächenspannung zu verringern). Zudem werden die Zuchtplatten einzeln in Tüten geschweißt gelagert. Während der Anzuchtphase erfolgt die Lagerung zunächst bei Raumtemperatur und dann bei 10°C für die Zeit bis zur Neukultivierung. Der Schwierigkeitsgrad der Kultivierung ist artabhängig unterschiedlich. Die Arten der sexdentati-Gruppe beispielsweise vermehren sich in der Regel schneller als andere Bursaphelenchus-Arten. Manche Arten, wie z. B. B. leoni, bereiten häufig Schwierigkeiten bei der Kultivierung.

In regelmäßigen Abständen werden die Isolate auf ihre Reinheit kontrolliert. Hierzu werden den Zuchtplatten Wassertröpfchen, die am Deckelrand der Petrischalen kondensieren, abgenommen und die darin enthaltenen Nematoden morphologisch begutachtet. Aus den vom Deckel gespülten Nematoden wird außerdem DNA extrahiert, die anschließend mittels PCR spezifisch amplifiziert wird. Mit der am Institut etablierten ITS-RFLP-Methode lassen sich anschließend (nach Restriktionsverdau der amplifizierten DNA-Fragmente) für jede sich in der Sammlung befindende Bursaphelenchus-Art spezifische Bandenmuster gelelektrophoretisch auftrennen (Burgermeister et al., 2009). Diese Bandenmuster sind gut dokumentiert und geben unmittelbar Auskunft darüber, ob die analysierten Isolate in Reinkultur vorliegen.

Zudem wird die Sammlung auf ihre taxonomische Integrität überwacht; so konnten unlängst südeuropäische Isolate von Bursaphelenchus sexdentati aufgrund morphologischer und molekulargenetischer Kriterien als neue Art Bursapehenlenchus dietrichi sp. n. (Tylenchina: Aphelenchoididae) neu beschrieben werden (Gu et al., 2019).

Abgabe von Lebendmaterial an Dritte

Es besteht jederzeit die Möglichkeit zur Abgabe von Lebend­material zu Forschungszwecken an Dritte. Hierzu wird ein Vertrag, ein sogenanntes „MTA – Material Transfer Agreement“ zwischen den Vertragspartnern (JKI und Empfänger) geschlossen, dass die zu versendenden Isolate referenziert und den Empfängern den Umgang, unter Angabe der Herkunft, zugesteht. Ein entsprechendes Doku­ment ist verlinkt. Des Weiteren setzt die Versendung von geregelten Quarantäneschadorganismen (betrifft Bursaphelenchus xylophilus) innerhalb der EU bzw. beim Import aus Drittstaaten gemäß der Delegierten Verordnung (EU) 2019/829 eine durch die zuständigen Pflanzenschutzdienste der Vertragspartner unterzeich­nete Ermächtigung zum Verbringen von Schädlingen für wissenschaftliche Zwecke voraus (EU, 2019b). Bei Versand in Drittländer sind deren phytosanitäre Einfuhrvorschriften zu beachten.

Danksagung

Besonderer Dank gilt der AG Phytonematologie am Julius Kühn-Institut

Erklärung zu Interessenkonflikten

Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.

Literatur

BGBl, 2019: Verordnung zur Zuweisung der Funktion eines nationalen Referenzlaboratoriums für Schadorganismen der Pflanzen (Pflanzenschadorganismenreferenzlaborzuweisungsverordnung – PflSchadORZV)1 vom 10. April 2019. Bundesgesetzblatt Jahrgang 2019 Teil I Nr. 13: 485.

Burgermeister, W., Braasch, H., Metge, K., Gu, J., Schröder, T., Woldt, E., 2009: ITS-RFLP analysis, an efficient tool for differentiation of Bursaphelenchus species. Nematology 11 (5), 649-668.

Braasch, H., 1983: Der Kiefernholznematode, Bursaphelenchus xylophilus (Steiner und Buhrer, 1934) Nickle, 1970, im Blickpunkt der Pflanzenquarantäne. Nachrichtenblatt für den Pflanzenschutz in der DDR 37, 227-230.

Braasch, H., 1994: Untersuchungen zur Pathogenität des Kiefernholznematoden (Bursaphelenchus xylophilus) für verschiedene Koniferenarten unter mitteleuropäischen Freilandbedingungen. Abstr. 22. Tagung des Arbeitskreises Nematologie. Mitt. Deut. Phytomed. Ges. 24, 29-30.

Daub, M., 2008: Investigations on pathogenicity, invasion biology and population dynamics of the Pine Wood Nematode Bursaphelenchus xylophilus (Steiner und Buhrer 1934) Nickle 1970 in Euro­pean conifers. Dissertationen aus dem Julius Kühn-Institut. Julius Kühn-Institut, Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen, Quedlinburg, Deutschland: 121 S.

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EU, 2019a: Delegierte Verordnung (EU) 2019/1702 der Kommission vom 1. August 2019 zur Ergänzung der Verordnung (EU) 2016/2031 des Europäischen Parlaments und des Rates durch die Aufstellung einer Liste der prioritären Schädlinge. ABl der EU - L 260: 8-10.

EU, 2019b: Delegierte Verordnung (EU) 2019/829 der Kommission vom 14. März 2019 zur Ergänzung der Verordnung (EU) 2016/2031 des Europäischen Parlaments und des Rates über Maßnahmen zum Schutz vor Pflanzenschädlingen zwecks Ermächtigung der Mitgliedstaaten, befristete Ausnahmen für amtliche Tests, für wissenschaftliche Zwecke oder für Bildungszwecke, Versuche, Sortenauslese bzw. Züchtungsvorhaben zuzulassen. ABl der EU - L 137: 15-25.

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