English
The use of oats in human nutrition has increased in recent years due to their beneficial
nutritional components. Nonetheless, with the implementation of new legal limits, elevated
levels of mycotoxins in the harvested material have become an issue of concern throughout
oat production in Europe. For this purpose, the occurrence and composition of the
Fusarium spp. spectrum and their associated mycotoxins in German spring oats were
determined over a three-year monitoring period in the present study. The investigation also
focused on analysing the susceptibility of selected cultivars to F. langsethiae and their
reaction to contamination with T-2 toxin in vitro and in field experiments.
Within the framework of the monitoring, samples were collected from fungicide-free plots of
the cultivars Max, Apollon and Lion at multiple locations across Germany from 2020 to 2022.
Samples were analysed by isolation and identification of Fusarium spp. and the detection
of Fusarium DNA by qPCR. For the evaluation of environmental factors and agronomic
practices, site-specific data concerning crop rotation, precipitation, temperature and relative
humidity were collected at each location. Low disease incidence was observed in 2020
(11,4%) and 2022 (12,8%), while the incidence in 2021 (38,4%) nearly tripled. In total, up
to 17 different Fusarium spp. were isolated from oat kernels. Throughout the monitoring
period, F. poae, F. tricinctum and F. avenaceum were found to be the prevalent species.
Important producers of type A or type B trichothecenes on the other hand were isolated with
a lower frequency. qPCR analysis further underlined the high presence of F. poae and
F. tricinctum in naturally infected kernels. While the high presence of F. avenaceum could
not be replicated, the qPCR analysis also revealed a frequent occurrence of F. langsethiae
DNA in infected kernels.
Mycotoxin analysis was performed using HPLC-MS/MS and confirmed the presence of
DON, NIV, T-2 and HT-2. Average concentrations during the monitoring period were
36.8 µg/kg for DON, 33.1 µg/kg for NIV, 31.0 µg/kg for T-2, 7.7 µg/kg for HT-2 and
38.7 µg/kg for the sum of T-2+HT-2. Despite low average concentrations, peak
concentrations of DON (max: 224.53 µg/kg) or the sum of T-2+HT-2 (max: 637.6 µg/kg)
were occasionally detected. In none of the analysed samples, DON, T-2 and HT-2 were
detected at concentrations above the current legal limits.
High annual variation in the disease incidence, the composition of the Fusarium spp.
spectrum and the occurrence of mycotoxins was observed throughout the monitoring
period. Qualitative alterations in the composition of the Fusarium species spectrum
coincided with annual environmental variation concerning precipitation and mean temperature. However, correlations between climatic variables and the level of fungal DNA or the concentrations of mycotoxins were rather low.
Concentrations of F. tricinctum and F. langsethiae DNA measured in infected kernels varied
significantly between different types of preceding crops. Higher concentrations were found
in oats grown after spring and winter cereals. No significant effect of crop rotation was found
for the levels of F. poae DNA. Similarly, higher concentrations of T-2 and HT-2 were found
when the previous crops were cereals, while significant higher DON concentrations were
detected after non-cereal spring crops. The examined cultivars did not show any significant
differences regarding disease incidence, concentration of fungal DNA or mycotoxin content
for any of the analysed Fusarium spp.. All in all, the monitoring revealed a lower risk for
German oat production as the most frequent Fusarium spp. are of a lesser toxicological
relevance and detected mycotoxin concentrations were low.
Resistance to initial infection by F. langsethiae was examined in a set of 32 cultivars in two
field experiments and one greenhouse study. High variation of the concentration of fungal
DNA in infected kernels was observed between the two field trials as well as the greenhouse
study. Nonetheless, some cultivars accumulated consistently low, respectively high,
concentrations of fungal DNA across all environments, while others showed strong variation
between the examined environments. These results indicated that there are already more
resistant cultivars present on the German market.
The interaction of cultivars with the mycotoxin T-2 was evaluated in multiple in vitro
experiments focussing on the uptake of the toxin by roots and leaves of seedlings. Studies
were performed by cultivating seedlings in a solution containing T-2 or the treatment of
leaves with T-2. All samples were analysed using HPLC-MS/MS. Results revealed that all
cultivars were able to take up T-2 through roots and leaves and to metabolize it to HT-2. In
the root uptake experiments, cultivars showed significant differences concerning the uptake,
but also the accumulation of T-2 and HT-2 in the plant. Significant differences concerning
the accumulation of T-2 and HT-2 were also observed after treating leaves with T-2.
Following both treatments, cultivars with low accumulation of T-2 and HT-2 and high
accumulation could be observed.
Furthermore, cultivars varied significantly in the ratio of HT-2/T-2 detected in plants. The
highest ratio was found in the cultivar Symphony indicating a higher turnover rate of T-2 to
HT-2. In seedlings only treated on leaves, low concentrations of T-2 and HT-2 were also
detected in untreated plant parts up to 0.1 µg/g on average indicating that plants were able
to translocate the mycotoxins. Additionally, excretion of T-2 or HT-2 through the roots of up
to 1.55% of the applied amount was observed in both experiments with some variation between cultivars. Overall, both methodologies were able to identify resistant or tolerant
cultivars that are able to contribute to lower mycotoxin accumulation in kernels, by either
low accumulation in treated organs or higher turnover rates.
Mycotoxin analysis of plant material using LC-QTOF, following the treatment of leaves with
13C-labelled T-2, revealed that the major metabolite of T-2 in plants, besides HT-2, was
HT-2-3-G. After leaf treatment, HT-2-3-G was most not only abundant in the treated leaves,
but also the untreated stem, suggesting translocation.
The results of this study offer closer insights into the occurrence of Fusarium spp. and the
threat they may pose to oats produced in Germany through their ability to produce
mycotoxins. These findings can be used to design strategies to manage the risk of Fusarium
for farmers and breeders. The results on cultivar resistance to infection with F. langsethiae
and the uptake of T-2 could be incorporated into future breeding research.
Keywords: Oats; Fusarium; Mycotoxins; T-2
German
Aufgrund seiner ernährungsphysiologischen Vorzüglichkeit und der anhaltenden Nachfrage
ist der Haferanbau in Deutschland in den letzten Jahren kontinuierlich angestiegen.
Allerdings gab es zur gleichen Zeit immer wieder Berichte über die Kontamination von
Erntegut mit Mykotoxinen, hervorgerufen durch den Befall der Rispe mit Fusarium spp.. Um
die Bedeutung der Rispenfusariose für den deutschen Haferanbau zu bewerten, wurden in
der vorliegenden Studie im Rahmen eines dreijährigen Monitorings das Vorkommen und
die Zusammensetzung des Spektrums von Fusarium spp. und der assoziierten Mykotoxine
in deutschem Sommerhafer untersucht. Weiterhin wurde in der vorliegenden Arbeit die
Anfälligkeit ausgewählter Sorten gegenüber F. langsethiae und deren Reaktion auf die
Kontamination mit dem T-2-Toxin in vitro und in Feldversuchen untersucht.
Im Rahmen des Monitorings wurden von 2020 bis 2022 Ernteproben aus fungizid-freien
Parzellen der Hafersorten Max, Apollon und Lion von verschiedenen Standorten in
Deutschland gesammelt und auf den Befall mit Fusarium spp. untersucht. Dazu erfolgte die
Isolation und Identifikation von Fusarium spp. von infizierten Körnern, sowie die
Quantifizierung von Fusarium-DNA mittels qPCR. Zur Bewertung des Einflusses von
Umweltfaktoren und pflanzenbaulichen Praktiken auf die Befallsstärke, wurden zusätzlich
standortspezifische Daten zu Fruchtfolge, Niederschlag, Temperatur und relativer
Luftfeuchtigkeit erhoben. In den Jahren 2020 und 2022 konnte mit 11,4% und 12,8% nur
eine geringe Befallshäufigkeit mit Fusarium spp. festgestellt werden, während sie im Jahr
2021 auf 38,4% anstieg. Insgesamt konnten bis zu 17 verschiedene Fusarium-Arten von
Haferkörnern isoliert werden. Im Untersuchungszeitraum wurden F. poae, F. tricinctum und
F. avenaceum als vorherrschende Arten im deutschen Haferanbau festgestellt. Im
Gegensatz dazu konnten die Produzenten von Typ A oder Typ B Trichothecenen nur mit
geringerer Häufigkeit isoliert werden. Der molekulare Nachweis mittels qPCR-Analyse
zeigte ebenfalls das erhöhte Auftreten von F. poae und F. tricinctum in natürlich infizierten
Körnern. Während das hohe Vorkommen von F. avenaceum in den Ergebnissen der qPCR
nicht bestätigt werden konnte, wurde demgegenüber eine erhöhte Konzentration an
F. langsethiae-DNA in den Körnern nachgewiesen.
Die Analyse des Mykotoxinauftretens erfolgte mittels HPLC-MS/MS und bestätigte das
Vorkommen von DON, NIV, T-2 und HT-2 im deutschen Haferanbau. Die durchschnittlichen
Konzentrationen betrugen dabei 36,8 µg/kg für DON, 33,1 µg/kg für NIV, 31,0 µg/kg für T-2,
7,7 µg/kg für HT-2 und 38,7 µg/kg als Summe aus T-2+HT-2. Trotz durchschnittlich niedriger
Konzentrationen wurden gelegentlich erhöhte Gehalte von DON (max. 224,53 µg/kg) oder
T-2+HT-2 (max. 637,6 µg/kg) nachgewiesen. In keiner der untersuchten Proben wurden Konzentrationen für DON, T-2 und HT-2 nachgewiesen, die die geltenden gesetzlichen
Grenzwerte überschritten.
Die Ergebnisse des Monitorings zeigten starke jährliche Schwankungen in der
Befallshäufigkeit, der Zusammensetzung des Spektrums an Fusarium spp. und dem
Vorkommen von Mykotoxinen. Qualitative Veränderungen in der Zusammensetzung des
Fusarium-Artenspektrums traten dabei in Abhängigkeit von den jährlichen Schwankungen
der monatlichen Niederschlagsmenge und Durchschnittstemperatur auf. Jedoch konnten
nur geringe Korrelationen zwischen klimatischen Faktoren und der Höhe der pilzlichen DNA
einzelner Arten oder der Konzentration einzelner Mykotoxine ermittelt werden.
Die Ergebnisse zeigten zudem einen Einfluss der Vorfrüchte auf die DNA-Konzentrationen
von F. tricinctum und F. langsethiae. Höhere DNA-Gehalte beider Arten wurden in
Haferproben gemessen, die nach Sommer- und Wintergetreide angebaut wurden. Für
F. poae konnte hingegen kein signifikanter Effekt der Fruchtfolge auf den Gehalt an
pilzlicher DNA festgestellt werden. Höhere Konzentrationen von T-2 und HT-2 wurde nach
getreideartigen Vorfrüchten festgestellt werden, während signifikant höhere DON-Werte
nach getreidefreien Sommerungen gemessen werden konnten. Für die untersuchten
Sorten konnten keine signifikanten Unterschiede bezüglich der Befallshäufigkeit, der
Konzentration an pilzlicher DNA oder dem Mykotoxingehalt für die analysierten Fusarium
Arten nachgewiesen werden. Insgesamt zeigte das Monitoring ein geringeres Risiko für die
deutsche Haferproduktion auf, da die wichtigsten Fusarium spp. von geringerer
toxikologischer Relevanz sind und die nachgewiesenen Mykotoxinkonzentrationen niedrig
waren.
Zur Bewertung der Sortenresistenz gegenüber F. langsethiae wurden zwei Feldversuche
und eine Gewächshausstudie mit 32 Genotypen mit künstlicher Inokulation durchgeführt.
Sowohl bei den beiden Feldversuchen als auch bei der Gewächshausstudie konnten große
Unterschiede in der Konzentration der pilzliche DNA in den infizierten Kernen festgestellt
werden. In den Sorten Talkunar, KLAR185 und Apollon wurden in allen Umwelten die
niedrigsten Konzentrationen an F. langsethiae-DNA gemessen, während die Sorten Gabriel
und Magellan durchweg hohe DNA-Konzentrationen aufwiesen. Im Gegensatz dazu
konnten für die Sorten Karl, Simon und Dominik starke Unterschiede zwischen den
Umwelten beobachtet werden. Trotzdem konnten in einigen Sorten niedrige
Konzentrationen bzw. hohe Konzentrationen an F. langsethiae DNA in allen Umwelten
gemessen werden, während für andere Sorten starke Unterschiede zwischen den
Umwelten beobachtet werden konnte Die Interaktion verschiedener Sorten mit dem Mykotoxin T-2 wurde in mehreren in vitro
Experimenten deren Schwerpunkt auf der Aufnahme des Toxins durch die Pflanze lag
untersucht. Die Untersuchung wurde in zwei Ansätzen durchgeführt: der Kultivierung von
Keimlingen in einer T-2 haltigen Lösung und der Applikation von T-2 auf die Blätter von
Keimlingen. Zur Bewertung der Aufnahme wurden alle Proben mittels HPLC-MS/MS
analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass alle Sorten in der Lage waren, T-2 über Wurzeln
und Blätter aufzunehmen und zu HT-2 zu metabolisieren. Bei den Versuchen zur
Wurzelaufnahme zeigten die Sorten zudem nicht nur signifikante Unterschiede bei der
Aufnahme, sondern auch bei der Anreicherung von T-2 und HT-2 in der Pflanze. Ebenso
konnten nach der Behandlung der Blätter mit T-2 signifikante Unterschiede hinsichtlich der
Anreicherung von T-2 und HT-2 beobachtet werden. Nach beiden Behandlungen konnten
Sorten mit geringer Anreicherung von T-2 und HT-2 sowie mit hoher Anreicherung
identifiziert werden. Darüber hinaus unterschieden sich die Sorten erheblich hinsichtlich des
Verhältnisses von HT-2 zu T-2 in den analysierten Pflanzenteilen. Das größte Verhältnis
wurde bei der Sorte Symphony festgestellt, was auf eine höhere Umsatzrate von T-2 zu
HT-2 hinweist. Zudem konnten in den Keimlingen auch niedrige Konzentrationen an T-2
und HT-2 von im Mittel bis zu 0,1 µg/g in den Pflanzenorgane unterhalb des behandelten
Blattes nachgewiesen werden, was auf eine potenzielle Verlagerung der Mykotoxine durch
die Pflanze hindeutet. Weiterhin konnte in beiden Versuchen eine Ausscheidung von T-2
oder HT-2 über die Wurzeln von bis zu 1,55% der applizierten Menge beobachtet werden.
Insgesamt konnten mit beiden Methoden resistente oder tolerante Sorten identifiziert
werden, die zu einer geringeren Mykotoxinakkumulation in den Körnern beitragen können,
indem sie entweder eine geringere Akkumulation in den behandelten Organen oder höhere
Umsatzraten aufweisen
Die Behandlung der Blätter von Keimlingspflanzen mit 13C-markiertem T-2, sowie der
anschließenden Analyse mittels LC-QTOF zeigte, dass als wichtigster Metabolit von T-2
und HT-2 in Pflanzen HT-2-3-G nachgewiesen werden konnte. Nach der Behandlung der
Blätter mit T-2 konnte HT-2-3-G nicht nur in den behandelten Blättern nachgewiesen
werden, sondern auch im unbehandelten Stängel. Diese Beobachtung deutet ebenfalls auf
eine Translokation des Toxins in der Pflanze hin.
Die dargestellten Ergebnisse geben Einblicke in das Auftreten von Fusarium spp. und
assoziierter Mykotoxine im deutschen Haferanbau, sowie der potenziellen Bedrohung, die
sich daraus für die Sicherheit und Qualität von Lebensmitteln ergeben könnten. Die
gewonnenen Erkenntnisse können genutzt werden, um Strategien zur Minimierung des
Fusarium-Risikos für Landwirte und Züchter zu entwickeln. Die Ergebnisse zur Sortenresistenz gegenüber einer Infektion mit F. langsethiae und der Aufnahme von T-2
können in die künftige Züchtungsforschung einfließen.
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11597
