Einflussfaktoren der Mykotoxinbildung durch Ährenbefall mit Fusarium spp. in verschiedenen Winterweizenfruchtfolgen | Effect of different agronomic factors on mycotoxin contamination in different winter wheat crop rotations

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde unter Klimakammer- und Freilandbedingungen der Einfluß von Witterung, Standort, Sorte, Vorfrucht und Blattapplikation mit verschiedenen Fungizidklassen auf die Mykotoxinbildung von Fusarium spp. für den Klimaraum Niedersachsen überprüft. Erstmalig wurde dabei die spezifische Mykotoxinbildung, d.h. die Menge Mykotoxin die pro Einheit F. graminearum DNA gebildet wird im Feld und im Gewächshaus ermittelt. Vorherige Untersuchungen stellten für die spezifische Mykotoxinbildung große Schwankungsbreiten in verschiedenen Versuchsjahren fest, die bisher nur unzureichend mit Witterungseinflüssen erklärt wurden. Im Verlauf dieser Arbeit wurden verschiedene Umweltfaktoren in Versuchen unter kontrollierten Umweltbedingungen identifiziert, die diese komplexen Interaktionen zwischen Mykotoxinmenge und Pilzbiomasse teilweise erklärten. Haupteinflussfaktor auf die Mykotoxinbildung im FAEN-Feldversuch war erwartungsgemäß der Jahres- bzw. Witterungseffekt mit einem Anteil von ca. 20% an der Gesamtvariation. Dies beruhte auf der notwendigen Koinzidenz von Weizenpflanzen, die sich im Entwicklungssta-dium der Vollblüte befanden mit einer relativ lang anhaltenden, feucht warmen Witterung mit Niederschlagsereignissen. Mit 12% Anteil an der Gesamtvariation des DON-Gehaltes stellte die Vorfrucht den zweitbedeutendsten Versuchsfaktor dar. Neben der Förderung des Ährenbefalls durch F. graminearum führten die Vorfruchtvarianten Mais in allen drei Versuchsjahren zu den höchsten Mykotoxinkontaminationen im Ernteprodukt. Für die Vorfruchtvarianten Winterweizen und Zuckerrübe waren die Effekte nicht eindeutig, sie waren von der Befallsstärke des jeweiligen Jahres abhängig. Unter schwachen bis mittleren Befallsbedingungen galt für die drei Versuchsjahre die Abstufung: Mais > Winterweizen > Zuckerrübe; hingegen bei Starkbefall: Mais > Winterweizen = Zuckerrübe. Ursache dieser Verschiebungen sind wahrscheinlich luftbürtige Infektionen durch Askosporenwolken, die in Starkbefallsjahren flächenbezogene Vorfruchteffekte überlagern. Die Mykotoxingehalte der Sorte Centrum unterschieden sich bei Ährenbefall signifikant von der Sorte Ritmo. Der ermittelte Anteil der Sortenresistenz an der Gesamtvarianz aller drei Versuchsjahre war mit einem Anteil von 8% im Vergleich zu den Erfahrungswerten aus der Literatur von bis zu 40% überraschend gering. Wurden diese Analysen nur auf Ebene der einzelnen Versuchsjahre durchgeführt, stieg der Anteil der Sortenresistenz an der Jahresvarianz jedoch deutlich an. Der Einfluß der Sortenresistenz war als einziger der Versuchsfaktoren im Feldversuch unabhängig vom spezifischen Befallsniveau des Versuchsjahrs. Im Gegensatz dazu war der Einfluß von Standort und Vorfrucht auf den Mykotoxingehalt nur in Jahren mit hohem Befallsniveau wie 2007 und 2009 signifikant. Bis zu 70% der Varianz des Deoxynivalenolgehaltes im jeweiligen Versuchsjahr ließ sich mittels der vier Versuchsfaktoren Vorfrucht, Sorte, Standort und Fungizidapplikation erklären. Der Anteil der Fungizidapplikationen an der Gesamtvariation des DON-Gehaltes war nur gering, jedoch war dieser Effekt über die drei Versuchsjahre signifikant. Eine Blattapplikation von Fungiziden wie Strobilurinen, die die Pflanzenphysiologie beeinflussen, führte zwar nicht zu einer signifikanten Erhöhung der Mykotoxinkonzentration im Korn, jedoch konnte in jedem Versuch dieser Arbeit eine solche Tendenz festgestellt werden. Unter Freilandbedingun-gen wiesen mit Strobilurinen behandelte Weizenpflanzen eine später einsetzende Seneszenz auf. Möglicherweise stand auf solchen Pflanzen dem Pathogen bei günstigeren Wassergehal-ten ein längerer Zeitraum für die Mykotoxinproduktion zur Verfügung, was eine der Ursachen für die erhöhten DON-Mengen in den Strobilurinvarianten sein könnte. Andererseits könnte juvenileres Gewebe auch eine partielle Resistenz gegen nekrotrophe Pathogene besitzen, so dass der erhöhte Stress des Pathogens bei der Gewebebesiedlung zu einer Erhöhung der Mykotoxinbildung beitrug. Die spezifische Mykotoxinbildung war im Feld hochgradig abhängig von den Jahres- bzw. Witterungseffekten. Es bestätigte sich, dass hohe Mykotoxingehalte im Erntegut, aufgrund günstiger Infektions- und feuchter Abreifebedingungen, i.d.R. mit geringeren spezifischen Mykotoxinbildungen assoziiert sind. Das Pilzwachstum reagierte sensitiver auf veränderte Umweltbedingungen als die Mykotoxinproduktion, was in Klimakammerexperimenten bestätigt wurde. Günstige Umweltbedingungen mit hohen Tagesdurchschnittstemperaturen und Luftfeuchten führten in planta zu einem verhältnismäßig stärkeren vegetativen Wachstum des Pathogens und somit der DNA-Menge von F. graminearum im Vergleich zu den Mykotoxinmengen. Resistentere Sorten wiesen in dieser Arbeit in allen Versuchen unter Freilandbedingungen eine signifikant geringere spezifische Mykotoxinbildung auf als anfälligere Sorten, was im Gegensatz zu bisherigen Ergebnissen aus der Literatur steht. In Feldversuchen sanken mit zunehmender Sortenresistenz die Mengen der Pilzbiomasse und der DON-Gehalte linear ab. Die Mykotoxinmengen verringerten sich dabei deutlich schneller, was zu der geringeren spezifischen Mykotoxinbildung in den resistenten Sorten führte. Unter kontrollierten Umweltbedingungen kehrte sich diese Tendenz jedoch um und führte zu höheren spezifischen Mykotoxinbildungen in den resistenteren Sorten. Als Konsequenz dieser distinkten Wechselwirkungen wurden zwei Modelle einerseits für Versuche unter kontrollierten Umweltbedingungen z.B. im Gewächshaus und andererseits für Feldversuche entwickelt, die den Verläufen der spezifischen Mykotoxinbildung Rechnung tragen. Darüber hinaus zeigten die Pathogenitätstests der aus Zuckerrüben isolierten Fusarium-Arten, dass auch diese in der Lage waren Weizenähren zu besiedeln und erhebliche Mengen an Mykotoxinen in Körnern zu bilden. Klassische FHB-Bildner wie F. graminearum und F. culmorum besiedelten die inokulierten Ähren systemisch und führten zur Entwicklung der fusarientypischen weißlichen Schmachtkörner. Die Pathogense von F. tricinctum, F. equiseti, F. redolens und F. oxysporum blieb auf einzelne infizierte Ährchen beschränkt und verursachte dort atypische Verbräunungen an den Deck- und Hüllspelzen. Dort kam es auch zu der Ausbildung des sogenannten Black Point Symptoms an ansonsten normal entwickelten Körnern. Im Vergleich zu symptomlosen Körnern wies diese Kornfraktion einen deutlich erhöhten Gehalt an Mykotoxinen auf. br/> Mit den Ergebnissen dieser Arbeit wird es in Zukunft möglich sein unter verschiedenen Witterungsszenarien den Einfluss agronomischer Faktoren wie der Vorfrucht, dem Standort und der Sortenresistenz auf die Pathogenentwicklung von F. graminearum und die Mykotoxingehalte im Getreidekorn exakter zu bewerten.

In the present study agronomic and climatic factors contributing to mycotoxin production in wheat ears by Fusarium spp. were examined under controlled and field conditions. Particular attention was paid to the amount of mycotoxins per unit Fusarium DNA, the so called specific mycotoxin production, which was calculated for all experiments. Previous studies have reported large variations in the ratio of fungal biomass and mycotoxin production in different experimental years, which were explained with the different weather conditions. In the present experiments under controlled conditions various environmental factors such as temperature and humidity were studied in order to explain the complex interactions between the amount of mycotoxins and fungal biomass. The main factor influencing mycotoxin formation in the FAEN field trial was the effect of year, accounting for about 20% of total variation in grain mycotoxin content. A coincidence of wheat plants in susceptible growth stage of full anthesis and relatively long-lasting, warm, humid weather with precipitation events led to an occurrence of FHB. With 12% of total variation of DON content, the pre-crop represented the second most impor-tant influential factor. Besides boosting infections with F. graminearum, in all three years the pre-crop maize led to the highest mycotoxin contamination in harvested wheat products. Pre-crop effects for winter wheat and sugar beet were not consistent. Under low to medium infes-tation conditions a proper order seemed to be: maize > winter wheat > sugar beet. Whereas under high infestation conditions the order shifted to maize > winter wheat = sugar beet. Most likely, airborne infections via ascospores being prevalent in years with high disease pressure are a possible cause for these effects. Mycotoxin levels of the variety Centrum differed significantly from cultivar Ritmo. The im-pact of cultivar resistance had a share of 8% of the total variance for all three experimental years. This was surprisingly low, compared to the empirical values of 40% from former stu-dies. When each year was analysed individually the proportion of cultivar resistance to the total variance increased. In contrast, location and pre-crop had a significant influence on the mycotoxin level only in years with high disease pressure like in 2007 and 2009. Up to 70% of the annual variance of the deoxynivalenol content was explained by the four experimental factors, pre- crop, variety, location, and fungicide application. The impact of fungicide applications on the total mycotoxin variation was negligible but this effect was significant across the three trial years. A foliar application of fungicides such as strobilurin that affect plant physiology, led to a slight increase of mycotoxins in grains. Under field conditions strobilurin treated plants showed delayed maturation and a delayed senes-cence. This might be one reason for an increasing DON accumulation. On the one hand on such plants the pathogen probably may grow for a longer period of time and therefore more mycotoxins can be produced. On the other hand more juvenile tissue could also act as a partial resistance factor against the necrotrophic Fusarium pathogens and thus lead to increased mycotoxin formation due to higher stress of the pathogen. Specific mycotoxin formation was highly dependent on the season and weather effects. High levels of mycotoxins in grains were associated with low values of specific mycotoxin produc-tion. Particularly, the formation of fungal biomass seemed to be more responsive to environ-mental changes than the production of mycotoxins, which was confirmed in climate chamber experiments. Favorable environmental conditions enhanced vegetative growth of the pathogen in comparison to the amount of mycotoxins. Under field conditions specific mycotoxin production in resistant cultivars was significantly lower than in susceptible ones, which was in contrast to results from earlier studies. In resis-tant varieties the amount of fungal biomass and DON level decreased linearly. DON content decreased significantly faster, resulting in a decreased specific mycotoxin formation in the more resistant cultivars. Under controlled environmental conditions, this trend reversed and therefore led to higher specific mycotoxin formation in the resistant varieties. As a conse-quence, two modified models for tests were developed, on the one hand under controlled environmental conditions and for field trials the other hand. In addition pathogenicity tests with Fusarium spp. isolated from sugar beets showed that these were able to colonize wheat ears and produce large quantities of mycotoxins. FHB producers such as F. graminearum and F. culmorum colonized the inoculated ears systemically and led to the development of typical whitish scabby grains. Pathogenesis of F. tricinctum, F. equiseti, F. oxysporum and F. redolens remained limited to individual infected spikelets and caused atypical browning at the glumes. Infected grains showed formation of "black point" symptoms on normally developed grains. Compared with symptomless grains this fraction had a significant higher content of mycotoxins. The results of this study will serve to predict the impact of agronomic factors such as pre- crop, location and type of resistance under different weather scenarios on FHB development and mycotoxin formation more accurately.