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New Strategies for the Detection of Fusarium Infection and Mycotoxin Contamination of Cereals and Maize

dc.contributor.advisorKarlovsky, Petr Prof. Dr.de
dc.contributor.authorBecker, Eva-Mariade
dc.date.accessioned2013-08-13T10:41:09Zde
dc.date.available2013-08-13T10:41:09Zde
dc.date.issued2013-08-13de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0001-BB14-6de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-3986
dc.description.abstractPhytopathogene <i>Fusarium</i> spp.treten weltweit in landwirtschaftlichen Kulturen auf und führen häufig zur Ertragsreduktion, Verschlechterung der Produktqualität sowie Kontaminationen der Erntegüter mit toxischen Sekundärmetaboliten, sog. Mykotoxinen. Die durch <i>Fusarium spp.</i> hervorgerufene partielle Taubährigkeit (FHB) des Weizens und anderer Getreidearten sowie die <i>Fusarium</i> Kolbenfäule an Mais sind aus ökonomischer Sicht von besonderer Bedeutung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Verwendung von volatilen organischen Verbindungen (VOCs) zur Detektion von Fusariosen an Sommerweizen und Hybridmais unter Gewächshausbedingungen untersucht. Maiskolben wurden mit <i>F. graminearum</i>, <i>F. verticillioides</i> und <i>F. subglutinans</i> infiziert, während Weizenähren mit Sporensuspensionen von <i>F. graminearum</i>, <i>F. avenaceum</i> und <i>F. poae</i> inokuliert wurden. Auch Mischinfektionen wurden durchgeführt. Für die Sammlung der VOCs wurde ein statisches Verfahren (Festphasenmikroextraktion, SPME) sowie ein dynamisches Verfahren (open-loop stripping, OLS) eingesetzt. Die Analyse erfolgte in beiden Fällen mittels GC-MS. Ein nichtparametrischer Test (Kruskal-Wallis) wurde zur Identifikation von spezifischen volatilen Markern herangezogen. Auf diese Weise konnte an Mais ein Set aus 27 volatilen Biomarkern für die Infektion mit <i>Fusarium</i> spp. ermittelt werden. Die Kombination der VOCs ermöglichte hier die Unterscheidung zwischen Infektionen mit <i>F. graminearum</i> und <i>F. verticillioides</i>. An Weizen konnte ein Set aus 13 charakteristischen VOCs für den <i>Fusarium</i> Befall ermittelt werden. Die selektierten volatilen Marker beinhalteten sowohl einfache Moleküle mit 5 bis 8 Kohlenstoffatomen (C<sub>5</sub> - C<sub>8</sub>), welche häufig von Pflanzen und Mikroorganismen emittiert werden, als auch infektionsspezifische Sesquiterpene (C<sub>15</sub>H<sub>24</sub>). In Zeitreihenversuchen konnte gezeigt werden, dass ein Großteil der relevanten VOCs bereits nach kurzer Zeit emittiert wird. So waren in Mais volatile Biomarker detektierbar, bevor Symptome am Kolben erkennbar waren (4 – 8 Tage nach der Inokulation). Ein Monitoring von VOC Profilen im Hinblick auf volatile Marker könnte eine schnelle und nicht-destruktive Detektion von <i>Fusarium</i> Infektionen (ggf. auch Risikoabschätzung zur Mykotoxinbelastung), z.B. im Feld oder Lager, ermöglichen. Hierfür stehen transportable Detektoren zur Verfügung. Das makrozyklische Lacton Zearalenon (ZEN) wird von mehreren <i>Fusarium</i> spp. produziert und besitzt eine östrogene Wirkung auf den menschlichen und tierischen Organismus. Schweine gelten diesbezüglich als besonders anfällig. ZEN wird in gemäßigten Klimazonen regelmäßig in Lebens- und Futtermitteln nachgewiesen. Bislang wurden zahlreiche Bioassays für die Detektion von ZEN beschrieben. Sie basieren meist auf den menschlichen Östrogenrezeptoren α und β und reagieren unspezifisch auf eine Vielzahl von östrogenen Substanzen (z.B. Genistein, 17β-Estradiol). Die vorliegende Arbeit beschreibt erstmalig ein Bioassay zur spezifischen Detektion von ZEN sowie dem kritischen Metabolit α-Zearalenol (α-ZOL). Das Assay basiert auf einer <i>zes2::gfp</i> Mutante des Mykoparasiten <i>Gliocladium roseum</i> und ermöglicht eine Detektion von ZEN in Feldproben (z.B. kontaminierter Mais). Schritte zur Probenvorbereitung und Extraktion, einschließlich Aufreinigung mit Immunoaffinitätssäulen, sowie die Kultur des Inditaktorstammes wurden optimiert. Das Assay eignet sich für die qualitative Detektion von ZEN in einem weiten Konzentrationsbereich sowie für eine quantitative ZEN Bestimmung in kontaminierten Mais Feldproben im Bereich zwischen 0,9 mg kg<sup>-1</sup> und 90 mg kg<sup>-1</sup>. Neben der Detektion in Feldproben, konnte das Bioassay erfolgreich für ein Screening von Pilzstämmen zur Identifikation von ZEN-Produzenten eingesetzt werden. Das hier beschriebene <i>G. roseum zes2::gfp</i> Bioassay kann mit einer einfachen Laborausstattung durchgeführt werden und eignet sich möglicherweise für die Anwendung in Entwicklungsländern.de
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/
dc.subject.ddc630de
dc.titleNew Strategies for the Detection of <i>Fusarium</i> Infection and Mycotoxin Contamination of Cereals and Maizede
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereeSchütz, Stefan Prof. Dr.de
dc.date.examination2013-05-14de
dc.description.abstracteng<i>Fusarium</i> diseases occur worldwide in important agricultural crops and lead to the reduction of yield, seed quality and contamination of food commodities with toxic secondary metabolites, so called mycotoxins. The <i>Fusarium</i> head blight (FHB) of wheat and other small-grain cereals and the <i>Fusarium</i> ear rot of maize are of particular importance. In the present work, the use of volatile organic compounds (VOCs) for the detection of <i>Fusarium</i> infections of summer wheat and hybrid maize ears was investigated. Experiments were performed in the greenhouse. Maize ears were infected with <i>F. graminearum</i>, <i>F. verticillioides</i> and <i>F. subglutinans</i>. Wheat ears were infected with <i>F. graminearum</i>, <i>F. avenaceum</i> and <i>F. poae</i>. Apart from single infections, also pairwise mixed infections were conducted. A static procedure (solid-phase microextraction, SPME) and a dynamic procedure (open-loop-stripping, OLS) were used for the collection of volatiles. Analysis was performed by GC-MS. A non-parametric test (Kruskal-Wallis) was employed to identify specific volatile biomarkers for infection. A set of 27 volatile markers for <i>Fusarium</i> infection was found in maize. In this case, the combination of VOCs allowed to distinguish between <i>F. graminearum</i> and <i>F. verticillioides</i> infection. Wheat trials resulted in a set of 13 characteristic VOCs for <i>Fusarium</i> infection. The selected markers included common 5 to 8 carbon containing volatiles (C<sub>5</sub> - C<sub>8</sub>) being widespread among plants and microbes, but also infection-specific sesquiterpenoid markers (C<sub>15</sub>H<sub>24</sub>). Monitoring of the temporal VOCs emission revealed that volatile markers were largely present at early time points. Thus, in maize the detection was possible before symptoms were visible (4 – 8 dpi). Monitoring of volatile profiles with respect to marker compounds, i.e. with portable detectors in the field or in storage facilities, offers the possibility for a fast and non-destructive detection of <i>Fusarium</i> infections and concurrently the prediction of mycotoxin contamination. The macrocyclic acid lactone zearalenone (ZEN), produced by several <i>Fusarium</i> spp., exerts estrogenic effects in animals and humans and occurs frequently in feed and foodstuff in the temperate regions. Especially pigs are highly susceptible. So far, several bioassays have been described for the detection of ZEN. The available assays are largely based on the human estrogen receptors α and β and do not selectively correspond to ZEN, but to a broad spectrum of estrogens (i.e. genistein, 17β-estradiol). This work is the first report of a specific bioassay for ZEN and its most critical metabolite α-zearalenol (α-ZOL). The assay is based on a recombinant strain of the mycoparasite <i>Gliocladium roseum (zes2::gfp)</i> and allows a ZEN detection from field samples (i.e. contaminated maize). The sample preparation, including immunoaffinity clean-up, and conditioning of the indicator strain (i.e. pre-cultivation) were optimized. The assay was suitable for a qualitative detection of ZEN in a broad concentration range and for a quantitative evaluation of ZEN contamination in maize field samples in the range of 0.9 mg kg<sup>-1</sup> to 90 mg kg<sup>-1</sup>. Furthermore, the assay was successfully applied for a qualitative fungal strain screening for ZEN production. The <i>G. roseum zes2::gfp</i> bioassay can be accomplished with common laboratory equipment and might be suitable for the application in developing countries.de
dc.contributor.coRefereeTiedemann, Andreas von Prof. Dr.de
dc.subject.engMycotoxinsde
dc.subject.engGliocladium roseumde
dc.subject.engFusarium head blightde
dc.subject.engFusarium ear rotde
dc.subject.engVolatile organic compoundsde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0001-BB14-6-6de
dc.affiliation.instituteFakultät für Agrarwissenschaftende
dc.subject.gokfullLand- und Forstwirtschaft (PPN621302791)de
dc.identifier.ppn756895316de


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