Colonization of maize with Fusarium spp. and mycotoxin accumulation | Besiedlung und Mykotoxinbildung durch Fusarium spp. in Mais

Kolbenfusariosen verursacht durch Pilze der Gattung Fusarium spp. stellen ein ernstes Problem beim Maisanbau weltweit dar. Diese Krankheit wird in zwei Typen unterteilt: Gibberella Kolbenfäule (Gibberella ear rot, GER) und Fusarium Kolbenfäule (Fusarium ear rot, FER). Kolbenfäule verursacht nicht nur Ertragsausfälle, sondern schädigt vor allem durch hohe Qualitätseinbußen beim Erntegut. Diese kommen durch die Anreicherung von Mykotoxinen zustande, welche stark gesundheitsschädlich für Menschen und Tiere sind. In Deutschland sind vor allem die Toxine Deoxynivalenol, Zearalenon sowie Fumonisine von Bedeutung. Deoxynivalenol und Zearalenon werden von dem Pilz F. graminearum produziert, dem wichtigsten Erreger der Gibberella Kolbenfäule. Fumonisine dagegen werden von F. verticillioides und F.proliferatum produziert, den Haupterregern der Fusarium Kolbenfäule. Der spezies-spezifische quantitative Nachweis der Biomasse der einzelnen Erreger der Kolbenfusariosen ist für epidemiologische Fragestellungen unabdingbar. Bereits in vorangegangene Arbeiten wurden Real-time PCR Assays für den spezifischen quantitativen Nachweis von F. verticillioides und F. proliferatum etabliert. Für diese beiden Assays wurde in der vorliegenden Arbeit mittels der ROC (Receiver Operation Characteristic Curve)-Analyse der Zusammenhang zwischen Spezifität und Sensitivität untersucht und der optimale Schwellenwert für den Nachweis dieser beiden Pathogene ermittelt. Mais wird in Deutschland zu einem großen Teil als Viehfutter angebaut. Dafür wird oft die gesamte Pflanze zu Silage verarbeitet und dann verfüttert. Aus diesem Grund wurde die Ausbreitung von F. graminearum und die Belastung mit Mykotoxinen von dem inokulierten Kolben ausgehend in den Stängel oberhalb und unterhalb des Kolbens untersucht. Um den Einfluss des Erntezeitpunktes auf die Verlagerung zu untersuchen, wurde die Belastung mit Pilzmyzel und Mykotoxinen zum früheren Ermtezeitpunkt der Silagereife und zur späteren Zeitpunkt der Körnermaisreife erfasst. Es wurde nachgewiesen, daß es zur Silagereife kaum eine Ausbreitung von Pilzmyzel und Mykotoxinen in den Stängel gibt, allerdings konnten zur Körnermaisreife Mykotoxine im Stängel unterhalb und oberhalb des inokulierten Kolbens nachgewiesen worden. Ein Zusammenhang zwischen den Kolbenfäule-Symptomen und der Mykotoxinbelastung der Stängel konnte allerdings nicht gefunden werden. Da sowohl F. graminearum als auch F. verticillioides regelmäßig in Deutschland in Mais nachgewiesen werden können, wurde die Interaktion zwischen diesen beiden Pilzen nach gleichzeitiger Injektion in den Kolben in einer Zeitreihe untersucht. Während F. verticillioides von der Co-Inokulation mit F. graminearum nicht beeinflußt wurde, wurde das Wachstum von F. graminearum durch F. verticillioides erheblich gehemmt. Die Dynamik der Mykotoxinproduktion zeigte, daß Deoxynivalenol und Fumonisine bereits früh im Lauf der Pathogenese gebildet werden, während Zearalenon erst später gebildet wird. Dies deutet darauf hin dass Zearalenon möglicherweise nicht in den Besiedelungsprozeß involviert ist. Fusarium spp. überdauert in Stoppeln und Pflanzenresten, daher besteht die Möglichkeit eines Einflusses von Bodenbearbeitung und Fruchtfolge auf das Auftreten von Kolbenfusariosen. Da es unterschiedliche Bearbeitungsstrategien im ökologischen und konventionellen Maisanbau gibt, wurde ein dreijähriger Anbauvergleich durchgeführt, bei dem unterschiedliche Mais-Genotypen gleichzeitig unter konventionellen und ökologischen Bedingungen angebaut wurden, und der Befall mit Kolbenfusariosen verglichen wurde. Es konnten keine Unterschiede zwischen den beiden Anbausystemen hinsichtlich der Belastung mit Pilzbiomasse und Mykotoxinen festgestellt werden, die eindeutig nur der unterschiedlichen Anbauweise zugeschrieben werden konnte.

Ear rot caused by Fusarium spp. is a serious disease of maize plants worldwide, which can be divided in two types: Red ear rot or Gibberella ear rot (GER), and Pink ear rot or Fusarium ear rot (FER). Apart from impairment of the yield, it leads to quality losses due to accumulation of mycotoxins in food and feed which lead to serious health impairment of human and animals. The most problematic Fusarium mycotoxins occurring in Germany are deoxynivalenol, zearalenone and fumonisins. Deoxynivalenol and zearalenone are produced by F. graminearum, the most important causal agent of Red ear rot, while fumonisins are produced F. verticillioides and F. proliferatum, which are mostly isolated from cobs with Pink ear rot symptoms. For epidemiological studies, species-specific determination of fungal biomass is required. In previous works, a real-time PCR assays for species-specific quantification of the biomass of F. verticillioides and F. proliferatum were established. With the help of receiver operation characteristic (ROC) curve analysis, the relationship between sensitivity and specificity was investigated and the optimal cut off point and was determined. Because whole maize plants are used for silage for livestock feeding, the spread of fungal mycelium of F. graminearum and the presence of mycotoxins in the stem below and above artificially inoculated cobs was investigated. To study the importance of the harvest time points, the accumulation of fungal biomass and mycotoxins was determined at silage maturity and grain maturity. It is shown that mycotoxins did hardly spread in the stems near the cob until silage harvest, but at grain maize maturity mycotoxins were found in the stems above and below the infected cob. In contrast to the mycotoxins, F. graminearum seems to grow more often in the stems above the infected cob. No correlation was found between ear rot symptoms in the cob and mycotoxin contamination in the stems. As both F. graminearum and F. verticillioides occur frequently in maize grown in Germany, the interaction between these fungi when being simultaneous injected in the silk channel at six harvest time points was investigated. F. graminearum was severely reduced both in fungal growth and mycotoxin accumulation, while F. verticillioides was not at all affected by the presence of F. graminearum. The dynamic of mycotoxin accumulation showed that deoxynivalenol and fumonisins were produced relatively early in pathogenesis, while zearalenone occurred at later time points. This is a sign that zearalenone is possibly not involved in pathogenesis. Fusarium spp. survives in plant debris, which leads to the suspicion that tilling practices and crop rotation influences the occurrence of Fusarium caused ear rot. Because organic and conventional cropping systems differ in these practices, different maize genotypes were simultaneous grown in three years under conventional and organic conditions. No significant differences in means of ear rot occurrence and accumulation of fungal biomass and mycotoxins were observed which can clearly be subscribed to the organic or conventional cropping system.