Establishment and application of real-time PCR-based methods to study the epidemiology of Fusarium Head Blight

Abstract

Die Getreidekrankheit „Partielle Weißährigkeit” (Ährenfusariose oder Fusarium head blight, FHB) beeinträchtigt den Weizenanbau weltweit. Neben Ertrags- und Qualitätsverlusten verursacht FHB die Kontamination des Weizens mit Mykotoxinen. Die hauptsächlich an FHB beteiligten Fusarium-Arten sind F. graminearum und F. culmorum, die beide das wichtigste Mycotoxin im Weizen, Deoxynivalenol (DON), bilden. Die relative Bedeutung von F. graminearum und F. culmorum und ihrer Infektionswege hat für epidemiologische Fragestellungen große Bedeutung und konnte für Deutschland bisher nicht abschließend geklärt werden. Für die Unterscheidung wurden zwei Real-time PCR-Methoden entwickelt und angewendet, die den qualitativen und quantitativen Nachweis dieser Pathogene in den verschiedenen Wirtsgeweben ermöglichen, die in Weizenanbaugebieten aus dem Bundesgebiet 2003 bis 2005 entnommen wurden.

F. graminearum und F. culmorum wurden qualitativ in symptomatischen Weizenspindeln mit einer Duplex PCR-Methode bestimmt, wodurch die Identifizierung des Verursachers der FHB-Symptome ermöglicht wurde. Die Methode basiert auf einer Schmelzkurvenanalyse des Amplifikates im Real-time PCR-Gerät. Der quantitative Nachweis beider Pilze im komplexen Pflanzenmaterial, wie Weizenmehl und Ernterückstände, wurde unter Verwendung der Detektion des Fluoreszenzfarbstoffes SYBR Green I in getrennten Real-time PCR-Reaktionen realisiert. Die Spezifität beider Methoden für F. graminearum und F. culmorum wurde bestätigt. Für den Hochdurchsatz geeignete DNA-Extraktionsmethoden wurden für alle Probenarten, wie Weizenspindeln, Getreideproben und Pflanzenrückstände, entwickelt. Für die quantitative PCR reduzierte eine DNA-Extraktionsmethode mit einer homogenen Extraktionseffizienz in größerem Maßstab den Fehler der Probenahme. Neben der Analyse mit der quantitativen PCR wurde auch der DON-Gehalt der Getreideproben gemessen.

Das Ziel der Arbeit war zum einen die Identifizierung des infizierenden Pathogens in Weizenspindeln und zum anderen die Bestimmung der relativen Bedeutung von F. graminearum und F. culmorum im Verhältnis zum DON-Gehalt des Weizens, um ein Modell zur Risikobewertung für FHB zu etablieren. Die Ergebnisse zeigen, dass F. graminearum der Hauptverursacher von FHB und DON-Kontamination in Deutschland ist. F. culmorum wurde in den Weizenspindeln aus 2003 vereinzelt gefunden, spielt aber keine bedeutende Rolle in den Weizenproben aus 2003 bis 2005. Mit den gesammelten Daten sollen außerhalb dieser Arbeit die quantitativen Parameter einer computergestützten Entscheidungshilfe eingestellt werden. Diese soll dazu dienen, das Risiko einer FHB-Infektion und einer Toxinbelastung in Deutschland zu minimieren.