The biological role of Fusarium graminearum mycotoxins

Abstract

F. graminearum ist ein wichtiges Pathogen, welches für die Fusarium-Taubährigkeit und Wurzelfäule an Weizen als auch die Kolben- und Wurzelfäule an Mais verantwortlich ist. Die meisten mit F. graminearum befallenen Pflanzen weisen große Mengen an Mykotoxinen auf. Die Trichothecene Typ B, zu denen Deoxynivalenol (DON), dessen acetylierte Derivate (3ADON und 15ADON) und Nivalenol (NIV) gehören, als auch das estrogene Zearalenon (ZEN), sind die wichtigsten Mykotoxine, die von dem Pilz gebildet werden. DON tritt vor allem in Getreide auf, während NIV und ZEN potentielle Kontaminanten in Mais sind. Die biologische Rolle dieser Mykotoxine ist bislang noch nicht vollständig geklärt. Wir untersuchten Inkubationen von Mischkolonien und die ökologische Funktion von ZEN in der Rhizosphärenkolonisation bei der Infektion von Mais und Weizenwurzeln. Knock-out Mutanten, welche, anders als der Wildtyp von Gliocladium roseum, nicht zur Detoxifikation von ZEN fähig sind, wurden bereits zuvor in unserer Arbeitsgruppe entwickelt und getestet. In Mischinkubationen fingen die Kolonien des Wildtyps G. roseum und der Zes2 Mutante zur selben Zeit auf den YES-Mediumplatten an zu wachsen, als diese bereits von dem Myzel des schnellwachsenden Pathogens F. graminearum bedeckt waren. Die Koloniegröße des Wildtyps jedoch stieg um das Vielfache an und erschien als ausgehöhlte oder eingefallene Stellen auf der Oberfläche des Pathogens. Dabei änderte sich innerhalb von 3-5 Inkubationstagen die Pigmentierung am Rand von blass zu dunkelorange. Im Gegenzug dazu blieb der Durchmesser der Zes2 Kolonien klein und zeigte keine Auffälligkeit. In den Versuchen zur Rhizosphärenk! olonisation wurden fünf aggressive F. graminearum Stämme mit dem Wildtyp von G. roseum und den Zes2 Mutanten an Mais- und Weizenwurzeln co-inokuliert. Dabei wurden signifikante Unterschiede zwischen dem G. roseum Wildtyp und Zes2-Mutanten festgestellt. Die mit dem G. roseum Wildtyp und dem Pathogen zusammen inokulierten Keimlinge wiesen erhöhtes Auflaufen, größere Erträge in Wurzel- und Spross Indices als auch geringere Krankheitssymptome auf im Vergleich zu Keimlingen, welche nur mit dem Pathogen F. graminearum inokuliert wurden. Die Mischinokulation mit den Zes2-Mutanten führte hingegen nur teilweise zu einem Schutz der Keimlinge von Mais und Weizen vor dem Pathogen. Daraus kann geschlossen werden, dass ZEN in der Substratkolonisation beteiligt ist und die Konkurrenzfähigkeit seines Produzenten verstärkt. Insgesamt wurden 22 F. graminearum Stämme im Weizen-Mais-Pathosystem untersucht. Die Ausprägung der Krankheit war an Weizenähren größer; die Wurzelinfektion jedoch stärker an Mais. Die Virulenz der Stämme korrelierte positiv zwischen Weizenähren/Maiskolben und der Wurzelinfektion von Weizen und Mais. Der DON-Gehalt korrelierte ebenfalls positiv mit der Schwere des Befalls sowohl in Weizenähren als auch in Maiskolben. Hingegen konnten in Mais aufgrund verschiedener Chemotypen keine positive Korrelation zwischen den Gehalten an DON und DNA pilzeigener Biomasse gewiesen werden. In Weizen wurde eine enge Korrelation zwischen dem DON- und Pilz-DNA-Gehalt festgestellt. NIV wurde in geringeren Mengen vorgefunden als DON während alle Maiskolben ZEN Akkumulation aufwiesen. In unserer Studie bildeten einige der Stämme an Mais 15ADON, was von besonderer Bedeutung ist. Sowohl in Weizenähren als auch in Maiskolben war der Gehalt an Mykotoxinen ein maßgeblicher Faktor für d! ie Pathogenvirulenz. Hieraus kann geschlossen werden, dass Weizenähren anfälliger als Wurzeln sind, während bei Mais sowohl Kolben als auch Wurzeln für die Fusariuminfektion anfällig sind. Untersuchungen zur Funktion von DON und NIV in der Weizen- und Maiswurzelinfektion. Wir inokulierten die Samen beider Pflanzen mit zwei F. graminearum Wildtyp-Stämmen, die jeweils einem NIV und einem DON Chemotyp zuzuordnen sind, als auch jeweils zwei individuelle Mutanten dieser Chemotypen, welche nicht in der Lage sind, die jeweiligen Toxine zu bilden. Weizen, der mit dem NIV-Wildtyp inokuliert wurde, wies geringe Auflaufraten, reduzierte Wurzel- und Spross Indices und gesteigerte Krankheitsausprägung im Vergleich zu den Mutanten auf. Die DNA-Gehalte von F. graminearum in den mit dem NIV-Wildtyp infizierten Weizenwurzeln- oder Sprossen war deutlich höher als in den mit den Mutanten infizierten Pflanzen. Sofern NIV in nachweisbaren Mengen detektiert wurde, schwankte die Variabilität zwischen den Proben deutlich. In Mais verursachten sowohl der NIV-Wildtyp als auch dessen Mutanten die gleiche Intensität der Krankheit. Inokulation von Weizen mit dem DON-Wildtyp führte ! zu starken Verlusten in der Keimfähigkeit, welche in geringen Biomasse-Indices und stärkerer Krankheitsausprägung resultierten, als bei den Mutanten. Es wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen dem DON-Wildtyp und den jeweiligen Mutanten auf Maiswurzeln detektiert. Daraus kann geschlossen werden, dass NIV und DON Virulenzfaktoren bei der Weizen-, nicht aber bei der Maiswurzelinfektion sind.