Fusarium-Befall bei Emmer und Nacktgerste | Fusarium infektion in emmer and naked barley

Die Untersuchungen von Emmer und Nacktgerste zeigten, dass Emmer im Vergleich zu Nacktgerste sehr anfällig gegenüber einer Infektion mit F. graminearum und F. culmorum ist. Die Anfälligkeit wurde anhand von Fusarium-DNA und Fusarium- Toxinen charakterisiert. Künstlich mit Fusarium infizierte Emmer- und Nacktgerstekörner wiesen im Vergleich zu einer natürlichen Infektion signifikant höhere Gehalte von Fusarium-DNA und Fusarium-Toxinen (DON, 3-Ac-DON) auf. Der größte Teil der Fusarium-DNA und Trichothecene in Emmer und Sommergerste befand sich in den Spelzen. Obwohl Nacktgerste keine Spelze besitzt, welche als mechanische Eintrittsbarriere gegen Fusarium-Infektion dienen kann, waren fünf von sieben Sorten weniger anfällig für eine Fusarium-Infektion als Emmer. Die künstliche Fusarium-Infektion führte in beiden Kulturarten im Vergleich zu natürlicher Infektion zu einer signifikanten Reduzierung von Ferulasäure, die den Hauptteil der phenolischen Verbindungen in Getreide ausmacht. Der Vergleich von Emmer und Nacktgerste zeigte, dass Nacktgerste mehr Arabinoxylane und Arabinose enthält als Emmer. Dies kann in Nacktgerste dazu führen, dass der Selbstvernetzungsgrad der Arabinoxylane und die Vernetzung mit anderen Zellwandbestandteilen bspw. Zellulose oder Lignin über Phenole und Arabinose erhöht ist. Nacktgerste enthielt im Gegensatz zu Emmer in der löslichen Fraktion der Phenole das Flavonoid Catechin, das nach künstlicher Fusarium-Infektion verstärkt gebildet wurde. Dass Catechin in Emmer nicht vorhanden ist, könnte neben anderen Faktoren, bspw. der Zusammensetzung der Arabinoxylane, die höhere Anfälligkeit gegenüber einer Fusarium-Infektion im Vergleich zu Nacktgerste erklären. Fusarium-Infektion veränderte auch die Zusammensetzung der Speicherproteine (Gliadin, Glutenin) in Emmer und Weizen. In beiden Kulturarten konnte eine Abnahme spezifischer Speicherprotein-Fraktionen (ωb-Glutenin, HMW-GS, LMW-GS) nach künstlicher Fusarium-Infektion festgestellt werden. Über die Fusarium-Infektion hinaus beeinflussten die Standortbedingungen die Gliadin/Glutenin-Verhältnisse von Emmer und Nacktgerste. Beide Orte unterschieden sich vor allem im Hinblick auf die Stickstoffversorgung, so dass dieser Faktor offensichtlich von Einfluss ist. Bei höherer Stickstoffversorgung nahmen Gliadine und Glutenine in Emmer und Weizen zu. Gliadine wurden in Emmer demnach stärker durch die Stickstoffverfügbarkeit beeinflusst als in Weizen, die Glutenin-Fraktionen wurden in beiden Arten gleich stark beeinflusst, dies führte zu einem engeren Gliadin/Glutenin-Verhältnis, vermutlich beeeinflusst durch höhere Stickstoffversorgung.In Nacktgerste waren im Vergleich zu den vorher bei Emmer beschriebenen Effekten nach künstlicher Fusarium-Infektion keine Veränderungen in der Zusammensetzung der Speicherproteine erkennbar. Die unterschiedliche Stickstoffversorgung an den beiden Standorten schienen jedoch einen signifikanten Einfluss auf die Speicherproteine der Nacktgerste zu haben. Höhere Stickstoffverfügbarkeit führte zu höheren Gehalten an CHordeinen, γ-Hordeinen and D-Hordeninen, aber auch zu einem leicht geringeren Gehalt an B-Hordeninen.Ein in vitro-Modelversuch zum Abbau von Gliadin und Glutenin mit Proteasen von F. graminearum unterstützt die Vermutung, dass glutenbildene Proteine im Korn bereits auf dem Feld durch pilzliche Proteasen wie Trypsin-like Serineproteasen abgebaut werden können. Wie zuvor an Feldproben von künstlich mit Fusarium infizierten Emmer und Nacktgerste gezeigt werden konnte, war auch in vitro ein stärkerer Abbau der Glutenin-Fraktionen im Vergleich zu den Gliadin-Fraktionen zu beobachten. HMWGS der Glutenine wurden stärker abgebaut als die LMW-GS, was möglicherweise auf ihren höheren Lysingehalt zurückgeführt werden kann. Der isolierte Abbau von Gliadin und Glutenin bestätigte diese Ergebnisse und zeigte, dass nicht nur Glutenine, sondern auch Gliadine durch Fusarium-Proteasen vollständig abgebaut werden wurden. Darüber hinaus konnte in diesem Versuch gezeigt werden, dass durch den Abbau der Glutenine Protein-Fragmente entstehen, die bei einem traditionellen Extraktionsverfahren (bspw. nach Osborne) aufgrund ihrer erhöhten Löslichkeit bereits mit der Gliadin-Fraktion extrahiert werden. Dadurch kann der eigentliche Abbau der Gliadine maskiert werden. Untersuchungen des Proteoms einer ausgesuchten Emmer- und einer Nacktgerstesorte zeigten nach künstlicher Fusarium-Infektion die Veränderung verschiedener Proteine im Korn, insbesondere von Proteinen, die eine Rolle in der Pathogenabwehr spielen können. Beide Kulturarten zeigten nach Fusarium-Infektion eine Hochregulierung von Serin-Protease-Inhibitoren der Serpin-Gruppe, die Pilzproteasen hemmen und so den Infektionserfolg des Pilzes reduzieren können. Daneben zeigten sich pathogenesis related proteins (thaumatin-like protein, NBS-LRR-disease-resistant protein) hoch reguliert. Diese können mit dem Pilz interagieren und das Hyphenwachstum sowie die Sporulation hemmen. Peroxidasen als Enzyme des Zellredoxsystems bilden als Antwort auf eine Infektion reaktive Sauerstoffspezies. Sie waren in Emmer nach künstlicher Fusarium-Infektion herunter reguliert. Studien zur Fusarium-Infektion, die wenige Tage nach Infektion durchgeführt wurden, beschreiben im Gegensatz dazu eine Induzierung von Peroxidasen. Dies legt nahe, dass zu unterschiedlichen Entwicklungsstadien in der Ähre verschiedene Abwehrstrategien von Bedeutung sind. Auch in der Proteom-Analyse zeigte sich nach künstlicher Infektion ein Abbau von Speicherproteinen in Emmer (α-Gliadin) und Nacktgerste (D-Hordenin), wie in den Feldproben von Emmer nach Fusarium-Infektion und im in vitro-Versuch mit Fusarium-Proteasen festgestellt werden konnte.

The results of the thesis showed that emmer was highly susceptible to F. graminearum and F. culmorum infection and trichothecene accumulation, but naked barley had a relatively low susceptibility. Most of the fungal biomass and trichothecenes found in emmer and spring barley was located in the glume. Although naked barley does not possess this protective organ, it was in general less susceptible to Fusarium infection than emmer. The phenolic acid contents in the grains of both emmer and naked barley were influenced by Fusarium infection, leading to a significant reduction in the total content of ferulic acid as the predominant phenol in the grains. Comparing the two types of cereals, we found higher arabinoxylane contents in naked barley than in emmer and more arabinose providing a possible site for a phenol involved crosslinking between arabinoxylane backbone and other cell wall compositions. In addition, naked barley grains contained the flavonoid catechin which was significantly higher concentrated after artificial Fusarium infection in comparison to naturally infected samples. Catechin is lacking in emmer and this might be one of the reasons for the higher susceptibility of this species to the fungus.Emmer showed in addition to the basic findings in wheat, new cognitions on the degradation and changes of storage protein subunits by Fusarium infection. Therefore fungal treatment and nitrogen supply led to a species specific effect of the gliadin/glutenin ratio. Comparison of emmer and wheat showed that emmer gliadin proteins were more affected by nitrogen supply as in wheat, in contrast the wheat glutenin fraction changed in the same range as in emmer.Gliadin and glutenin digestion by Fusarium graminearum trypsin-like serine protease investigated in a model system showed a preference for the glutenin subunits in the degradation of gluten. Here the HMW-GS were the most effected fraction resulting from the higher lysine content in this fraction in comparison to LMW-GS. Isolated digestion of gliadin and glutenin by F. graminearum proteases confirmed former results, i.e. showed clearly a strong effect also on gliadin degradation. These digestion affected the yield and composition of proteins extracted according to the traditional solvent procedure (Osborne) because glutenin fragments were found in the gliadin extraction solution after digestion. In contrast to the effects visible in emmer naked barley, showed no characteristic changes in protein composition as a reaction to Fusarium infection. The influence of the growing location and nitrogen availability present characteristic changes in the synthesis of barley protein types in response to increased nitrogen. The increasing nitrogen supply resulted in a significantly positively affected C-hordeins, γ-hordeins and D-hordenins but a negatively influenced B-hordenin content. The proteome analysis of a selected emmer and naked barley cultivar showed in connection to Fusarium infection the significant change of specific proteins i.e. involved in defence strategies in late development stages of the grain. In both cultivars the infection leads to an up-regulation of serine protease inhibitors from the serpin group that can inhibit fungal protease and infection success. It also results in the up-regulation of pathogenesis related proteins that can interact with the fungus and inhibit hyphal growth and sporulation. A down regulation of proteins involved in molecular redox regulation in emmer indicated a time dependent management of specific defence mechanisms after fungal infection. Additionally an infection depending degradation of storage proteins is visible in both cultivars and underlines the degradation potential of Fusarium proteases. Nevertheless more studies about the influence of fungal infection for emmer and naked barley cultivars are necessary to enhance the knowledge about plant fungal interaction to clarify practice relevant changes beside extreme artificially infection conditions for grains in general.