Colonization of maize with Fusarium spp. and mycotoxin accumulation
Besiedlung und Mykotoxinbildung durch Fusarium spp. in Mais
von Sabine Nutz
Datum der mündl. Prüfung:2010-07-15
Erschienen:2012-01-06
Betreuer:Prof. Dr. Petr Karlovsky
Gutachter:Prof. Dr. Petr Karlovsky
Gutachter:Prof. Dr. Elke Pawelzik
Gutachter:Prof. Dr. Heiko C. Becker
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Format:PDF
Zusammenfassung
Englisch
Ear rot caused by Fusarium spp. is a serious disease of maize plants worldwide, which can be divided in two types: Red ear rot or Gibberella ear rot (GER), and Pink ear rot or Fusarium ear rot (FER). Apart from impairment of the yield, it leads to quality losses due to accumulation of mycotoxins in food and feed which lead to serious health impairment of human and animals. The most problematic Fusarium mycotoxins occurring in Germany are deoxynivalenol, zearalenone and fumonisins. Deoxynivalenol and zearalenone are produced by F. graminearum, the most important causal agent of Red ear rot, while fumonisins are produced F. verticillioides and F. proliferatum, which are mostly isolated from cobs with Pink ear rot symptoms. For epidemiological studies, species-specific determination of fungal biomass is required. In previous works, a real-time PCR assays for species-specific quantification of the biomass of F. verticillioides and F. proliferatum were established. With the help of receiver operation characteristic (ROC) curve analysis, the relationship between sensitivity and specificity was investigated and the optimal cut off point and was determined. Because whole maize plants are used for silage for livestock feeding, the spread of fungal mycelium of F. graminearum and the presence of mycotoxins in the stem below and above artificially inoculated cobs was investigated. To study the importance of the harvest time points, the accumulation of fungal biomass and mycotoxins was determined at silage maturity and grain maturity. It is shown that mycotoxins did hardly spread in the stems near the cob until silage harvest, but at grain maize maturity mycotoxins were found in the stems above and below the infected cob. In contrast to the mycotoxins, F. graminearum seems to grow more often in the stems above the infected cob. No correlation was found between ear rot symptoms in the cob and mycotoxin contamination in the stems. As both F. graminearum and F. verticillioides occur frequently in maize grown in Germany, the interaction between these fungi when being simultaneous injected in the silk channel at six harvest time points was investigated. F. graminearum was severely reduced both in fungal growth and mycotoxin accumulation, while F. verticillioides was not at all affected by the presence of F. graminearum. The dynamic of mycotoxin accumulation showed that deoxynivalenol and fumonisins were produced relatively early in pathogenesis, while zearalenone occurred at later time points. This is a sign that zearalenone is possibly not involved in pathogenesis. Fusarium spp. survives in plant debris, which leads to the suspicion that tilling practices and crop rotation influences the occurrence of Fusarium caused ear rot. Because organic and conventional cropping systems differ in these practices, different maize genotypes were simultaneous grown in three years under conventional and organic conditions. No significant differences in means of ear rot occurrence and accumulation of fungal biomass and mycotoxins were observed which can clearly be subscribed to the organic or conventional cropping system.
Keywords: maize; Real-time PCR; Fusarium verticillioides; Fusarium proliferatum; Fusarium graminearum; ROC; organic; spread; mycotoxins; interaction
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Kolbenfusariosen verursacht durch Pilze
der Gattung Fusarium spp. stellen ein ernstes Problem beim
Maisanbau weltweit dar. Diese Krankheit wird in zwei Typen
unterteilt: Gibberella Kolbenfäule (Gibberella ear rot, GER) und
Fusarium Kolbenfäule (Fusarium ear rot, FER). Kolbenfäule
verursacht nicht nur Ertragsausfälle, sondern schädigt vor allem
durch hohe Qualitätseinbußen beim Erntegut. Diese kommen durch die
Anreicherung von Mykotoxinen zustande, welche stark
gesundheitsschädlich für Menschen und Tiere sind. In Deutschland
sind vor allem die Toxine Deoxynivalenol, Zearalenon sowie
Fumonisine von Bedeutung. Deoxynivalenol und Zearalenon werden von
dem Pilz F. graminearum produziert, dem wichtigsten Erreger der
Gibberella Kolbenfäule. Fumonisine dagegen werden von F.
verticillioides und F.proliferatum produziert, den Haupterregern
der Fusarium Kolbenfäule.
Der spezies-spezifische quantitative Nachweis der Biomasse der
einzelnen Erreger der Kolbenfusariosen ist für epidemiologische
Fragestellungen unabdingbar. Bereits in vorangegangene Arbeiten
wurden Real-time PCR Assays für den spezifischen quantitativen
Nachweis von F. verticillioides und F. proliferatum etabliert. Für
diese beiden Assays wurde in der vorliegenden Arbeit mittels der
ROC (Receiver Operation Characteristic Curve)-Analyse der
Zusammenhang zwischen Spezifität und Sensitivität untersucht und
der optimale Schwellenwert für den Nachweis dieser beiden Pathogene
ermittelt.
Mais wird in Deutschland zu einem großen Teil als Viehfutter
angebaut. Dafür wird oft die gesamte Pflanze zu Silage verarbeitet
und dann verfüttert. Aus diesem Grund wurde die Ausbreitung von F.
graminearum und die Belastung mit Mykotoxinen von dem inokulierten
Kolben ausgehend in den Stängel oberhalb und unterhalb des Kolbens
untersucht. Um den Einfluss des Erntezeitpunktes auf die
Verlagerung zu untersuchen, wurde die Belastung mit Pilzmyzel und
Mykotoxinen zum früheren Ermtezeitpunkt der Silagereife und zur
späteren Zeitpunkt der Körnermaisreife erfasst. Es wurde
nachgewiesen, daß es zur Silagereife kaum eine Ausbreitung von
Pilzmyzel und Mykotoxinen in den Stängel gibt, allerdings konnten
zur Körnermaisreife Mykotoxine im Stängel unterhalb und oberhalb
des inokulierten Kolbens nachgewiesen worden. Ein Zusammenhang
zwischen den Kolbenfäule-Symptomen und der Mykotoxinbelastung der
Stängel konnte allerdings nicht gefunden werden. Da sowohl F.
graminearum als auch F. verticillioides regelmäßig in Deutschland
in Mais nachgewiesen werden können, wurde die Interaktion zwischen
diesen beiden Pilzen nach gleichzeitiger Injektion in den Kolben in
einer Zeitreihe untersucht. Während F. verticillioides von der
Co-Inokulation mit F. graminearum nicht beeinflußt wurde, wurde das
Wachstum von F. graminearum durch F. verticillioides erheblich
gehemmt. Die Dynamik der Mykotoxinproduktion zeigte, daß
Deoxynivalenol und Fumonisine bereits früh im Lauf der Pathogenese
gebildet werden, während Zearalenon erst später gebildet wird. Dies
deutet darauf hin dass Zearalenon möglicherweise nicht in den
Besiedelungsprozeß involviert ist.
Fusarium spp. überdauert in Stoppeln und Pflanzenresten, daher
besteht die Möglichkeit eines Einflusses von Bodenbearbeitung und
Fruchtfolge auf das Auftreten von Kolbenfusariosen. Da es
unterschiedliche Bearbeitungsstrategien im ökologischen und
konventionellen Maisanbau gibt, wurde ein dreijähriger
Anbauvergleich durchgeführt, bei dem unterschiedliche
Mais-Genotypen gleichzeitig unter konventionellen und ökologischen
Bedingungen angebaut wurden, und der Befall mit Kolbenfusariosen
verglichen wurde. Es konnten keine Unterschiede zwischen den beiden
Anbausystemen hinsichtlich der Belastung mit Pilzbiomasse und
Mykotoxinen festgestellt werden, die eindeutig nur der
unterschiedlichen Anbauweise zugeschrieben werden konnte.
Schlagwörter: Mais; Real-time PCR; Fusarium verticillioides; Fusarium proliferatum; Fusarium graminearum; ROC; ökologisch; Ausbreitung; Mykotoxine; Interaktion