Einfluss von Inokolumpotential, Inkubationszeit und postinfektioneller Zusatzbefeuchtung auf die Schadrelevanz von "Fusarium graminearum"

Inhaltsverzeichnis

  Inhaltsverzeichnis  2

Tabellenverzeichnis 3   

  Abbildungsverzeichnis  3

  Abkürzungsverzeichnis  4

1  Einleitung  6

2  Literaturübersicht  8

2.1  Systematik und Biologie von Fusarium graminearum  8

2.2  Biologie von Giberella zea und wirtschaftliche Bedeutung  9

2.3  Synopse der bestehenden Fusarium-Befallsprognosemodelle  11

3  Material und Methoden  14

3.1Versuchsfaktoren.............................................................................................................   14

3.1.1  Beschreibungen der Einflussvariablen  14

3.1.2  Beschreibung und Erfassung der Zielvariablen  15

3.2  Versuchsglieder  17

3.3  Weizenanzucht und Kultivierung  19

3.4  Anzucht des Erregers und Erstellung des Inokulums  21

3.5  Inokulum und Inkubation  22

3.6  Datenauswertung  22

4  Ergebnisse  24

4.1.  Einfluss des Inokolumpotentials auf Befall und Ertrag  24

4.2  Einfluss der Inkubationszeit auf Befall und Ertrag  27

4.3  Einfluss der postinfektionellen Zusatzbefeuchtung auf Befall und Ertrag  31

5  Diskussion der Ereignisse  37

6  Zusammenfassung  39

  Referenzen  41

Anhang   43

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Tabellenverzeichnis

Tabelle 1  Versuchsglieder zur Fragestellung des Einflusses einer postinfektionellen  

  Zusatzbefeuchtung  18

Tabelle 2  Versuchsglieder zur Fragestellung des Einflusses des Inokulumpotentials  19

Tabelle 3  Versuchsglieder zur Fragestellung des Einflusses der Inkubationszeit  19

  Abbildungsverzeichnis  

  Abbildung 1 Zentralwerte Deoxynivalenol in Bayern  11

  Abbildung 2 Erläuterung zur Berechnung des AUDPC-Wertes Quelle: Eigene Anfertigung  17

  Abbildung 3 Weizenpflanzen des Versuchs in der Vegetationshalle Quelle: Eigene  

  Aufnahme  20

  Abbildung 4 Fusariummycel auf Hafermehlagar-Medium Quelle: Eigene Aufnahme  21

  Abbildung 5 Konidie von Fusarium graminearum Quelle: Eigene Aufnahme  21

  Abbildung 6 FS unter Einfluss eines gestaffelten Inokulumpotentials  24

  Abbildung 7 Effekt des var. Inokulumpotentials auf den EÄE  25

  Abbildung 8 Befallshäufigkeit auf Grund unt. Inokulumpotentiale  26

  Abbildung 9 AÄN nach unt. Inokulumpotentiale  27

  Abbildung 10 FS in Folge var. Inkubationszeiten  28

  Abbildung 11 EÄE als Resultat var. Inokulumzeiten  29

  Abbildung 12 BH nach unt. Inokulumzeiten  30

  Abbildung 13 Einfluss gestaffelter Inokulumzeiten auf die AÄN  31

  Abbildung 14 FS als Reaktion auf die Zusatzbefeuchtung  32

  Abbildung 15 Reaktion des EÄE auf die Zusatzbefeuchtung  33

  Abbildung 16 Einfluss der Zusatzbefeuchtung auf die BH  34

  Abbildung 17 AÄN nach Behandlung mit einer Zusatzbefeuchtung  35

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Abkürzungsverzeichnis

Ä Ähre  

AÄN Anteil Ährennekrosen  

Ächbef Ährchenbefall  

AUDPC Area Disease Progression Curve  

BBCH Gemeinschaftsarbeit von BBA, BSA, IGZ, IVa  

BH Befallshäufigkeit  

bzw. beziehungsweise  

ca. Zirka  

cm Zentimeter  

d.h. das heist  

DON Desoxynivalenol  

EÄE Einzelährenertrag  

EG Europäische Gemeinschaft  

EU Europäische Union  

F-1 Fahnenblatt minus eins  

FS Frischsubstanz  

FM Frischmasse  

Fus. gram. Fusarium graminearum  

g Gramm  

GHz Gigahertz  

G. zeae Giberella zeae  

h Stunden  

ha Hektar  

H 2 0bidest Bi-Destilliertes Wasser  

H 2 Odest Destilliertes Wasser  

IARC International Agency fort he Research on Cancer  

kg Kilogramm  

4

l Liter

MB m ml mm N Nek. Nr.

Pf.

RAM rLf Std.

TDI TG T2-Toxin u.

u.a.

unt.

UV Ultraviolett var. variabel WH Wiederholung µg Mikrogramm ^o C % Prozent

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Einleitung

1 Einleitung

Seit den schweren Mutterkornepidemien des Mittelalters und der Identifizierung der Aflatoxine vor mehr als vierzig Jahren ist die Problematik der Kontamination von Getreide durch Mykotoxin- bildende Schadpilze bekannt. Im Laufe der letzten Jahre hat sich die Forschung intensiv mit dieser Thematik befasst und neben den oben erwähnten Aspergillus flavus und Claviceps purpurea viele weitere Pilze, u.a. auch einige aus der Gattung Fusarium, als Toxinproduzenten identifiziert.

Unter der sehr großen Vielzahl der Fusarien, derzeit sind 15 Gruppen mit mehr als 140 Vertretern (Summerell u. Leslie, 2001) bekannt, nehmen Fusarium culmorum und Fusarium graminearum (anamorph Giberella zea) vor allem in Europa in ihrer Erforschung eine besondere Stellung ein. Hier sind sie die Hauptverursacher von Kontaminationen des Getreides mit Mykotoxinen, insbesondere mit Trichothecenen, wie Deoxynivalenol (DON) mit seinen acetylierten Derivaten 3- bzw. 15-Acetyl-DON, Nivalenol (NIV) und dem Östrogenderivat Zearalenon (ZEA) (Magan 2006; Miedaner u. Schneider, 2001). Seit dem Jahr 2005 gelten in Europa Grenzwerte von 500-200 µg/kg FM für DON und 50-20 µg/kg FM für ZEA (EG Nr.856/2005), um einer von kontaminiertem Getreide ausgehenden Gefahr für Mensch und Tier entgegenzuwirken. Dadurch hat sich aber für Landwirte das von diesen Pilzen ausgehende Risiko erhöht, da ein Befall nicht nur zu einer Minderung des Ertrages, sondern beim Überschreiten der Grenzwerte zu einem Verlust der Marktfähigkeit der betreffenden Getreidepartie führen kann. Daher besteht eine große Notwendigkeit, die Getreidepflanzen vor diesem Pathogen zu schützen, oder bei Befall die Produktion der Toxine zu reduzieren.

Dennoch kann die Forschung, obwohl die Biologie der Erreger nahezu aufgeklärt ist, den Landwirten noch keine befriedigende Lösung zur Vermeidung oder Bekämpfung dieser Pathogene aufzeigen. Noch zu rudimentär ist derzeit das Wissen bezüglich der Infektion, der Toxinakkumulation und insbesondere der Interaktion von Erreger, Wirtspflanze, Witterung und der aus dieser Koinzidenz resultierenden Epidemie.

Zwar können geeignete vorbeugende pflanzenbauliche Maßnahmen, wie eine optimierte Fruchtfolge und eine wendende Bodenbearbeitung vor Getreide, das Risiko einer Belastung der Getreideernte mit Mykotoxinen reduzieren (LfL Doleschel, 2000), nicht aber ausschließen. Auch wird eine zukünftige Intensivierung des Maisanbaus wegen der steigenden Nachfrage der Biogasanlagen die Problematik verstärken.

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Einleitung

Neben pflanzenbaulichen Maßnahmen stehen den Getreideproduzenten gegen die Erreger nur wenige Pflanzenschutzmittel zu Verfügung. Diese Spezialfungizide, wie Metconazol und Tebuconazol, reduzieren zwar den Ährenbefall bei Weizen zwischen 30% und 90%, haben jedoch Wirkungslücken bei anderen Weizenpathogenen, wie Drechslera tritici-repentis, und sind am effizientesten bei einer Applikation innerhalb von 24-36 Std. vor bzw. nach der Inokulation. Eine solche prophylaktische Fungizidanwendung ist im Rahmen einer nachhaltigen, umweltschonenden Landwirtschaft nur noch in Sonderfällen zu empfehlen (Miedener u. Schneider, 2001).

Eine besondere Problematik ergibt sich aus der Beobachtung, dass Toxinbelastungen aufgrund von Infektionen durch Giberella zea nicht zwangsweise mit typischen Befallssymptomen, wie beispielsweise partieller Weißährigkeit und rosa Verfärbungen an den Körnern, einhergeht. Der Befall kann ebenso latent auftreten (Hooker et.al., 2002), wodurch sich eine Infektion visuell nicht, oder erst sehr spät identifizieren lässt.

Neben der LFL-Bayern stellt derzeit nur die Ohio-State-University den Getreideproduzenten ein Fusarium-Befallsprognosemodell zu Verfügung, um die Abschätzung des Befallsrisikos und die exakte Terminierung der Pflanzenschutzmittel zu erleichtern.

Somit stehen auch künftig Forschung und Wissenschaft vor der Herausforderung, die in diesem Kontext noch ungeklärten Fragen zu lösen, um verbesserte Optionen in der Prävention und Bekämpfung der Fusarien zu schaffen.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, Basiswissen zu schaffen und auf detaillierte Fragestellungen einzugehen, um neue Erkenntnisse vorrangig im Bezug auf den Witterungseinfluss bei der Infektion von Weizenpflanzen durch Fusarium graminearum zu erlangen und diese für den konkreten praktischen Einsatz zu nutzen.

Anhand von künstlich erzeugten Variationen im Erregerdruck und der Simulation von unterschiedlich langen Feuchtperioden während der Infektion sowie in einem bestimmten Turnus postinfektionell wiederkehrenden Feuchteereignissen wird unter den kontrollierten Bedingungen eines Gewächshausversuches der Einfluss des Inokulumpotentials, der Inkubationszeit und einer Zusatzbefeuchtung auf den Ertrag von Weizenpflanzen analysiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen einen Teil der Grundlagen für ein zukünftiges computergestütztes Fusarium-Infektionsprognosemodell liefern.

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Literaturübersicht

2 Literaturübersicht

2.1 Systematik und Biologie von Fusarium graminearum

Derzeit beinhaltet die Gattung Fusarium 140 Arten, unterteilt in 15 Gruppen (Gerlach u. Nirenberg, 1982 zitiert in Summerell u. Lesli, 2001). Dabei parasitiert zwar der überwiegende Teil Pflanzen (Wollenweber u. Reinking, 1935), doch der Begriff „Ährenfusariosen“ umfasst nur 17 Arten, die an Kulturpflanzen Schädigungen hervorrufen können (Lienemann, 2002). Hierzu wird Fusarium graminearum gezählt.

Fusarium graminearum ist der Klasse der anamorphen Ascomyceten, Ordnung Hypocreales, Familie Hypocreaceae, Gattung Gibberella zuzuordnen (Hoffmann et al., 1994). Neben dem anamorph Fus. gram. durchläuft dieser Pilz ein sexuelles Stadium (teleomorph) als Gibberella zeae (Schwabe.u.Petch). Während der sexuellen Phase werden intensive Kreuzungs- und Rekombinationsereignisse vermutet, worin scheinbar die hohe Aggressivität dieses Pathogens begründet liegt ( Bowden u. Lesli, 1992; Miedaner und Schilling, 1996; zitiert in Leonard und Bushnell, 2003). Die dabei in den Perithecien sexuell gebildeten Ascosporen dienen der anemochoren Verbreitung bei feuchten Bedingungen. Fusarium graminearum bildet neben Mycel, das karminrot, graurosa, burgundern gefärbt sein kann, vegetative, bananenförmige, drei bis siebenfach septierte, hyaline Makrokonidien mit Fußzelle als Träger der vegetativen Vermehrung (Leonard u. Bushnell, 2003). Neben den Makrokoniden und den Ascosporen werden Chlamydosporen gebildet, die der Überwinterung dienen. Mikrokonidien scheint dieser Pilz nicht zu produzieren (Hoffmann u. Schmutterer, 1999). Als fakultativer Parasit kann Fus. gram. sowohl alle lebenden Pflanzenorgane befallen (Hoffmann et al., 1994), als auch in seneszentem Gewebe durch die Bildung von dickwandigen Hyphen und Perithecien überdauern (Leonard u. Bushnell, 2003). Optimale Wachstumsbedingungen des Pilzes liegen zwischen 15 ^o C und 25 ^o C bei 96% bis 99% Luftfeuchtigkeit vor (Magan, 2006).

Fusarium graminearum ist wie viele der Fusarien zur Produktion einer großen Variabilität an Mykotoxinen befähigt. Darunter u.a. Deoxynivalenol, 15-acetyl-4-Deoxynivalenol, Nivalenol, T2-Toxin, Zearalenon (Joffe, 1986; Marasas et al., 1984; Savard u. Blackwell, 1994; zitiert in Leonard u. Bushnell, 2003).

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Literaturübersicht

2.2 Biologie von Giberella zeae und wirtschaftliche Bedeutung

Obwohl Fusarium graminearum sowohl einige Jahre im Boden (Burgess, 1981 zitiert in Leonard u. Bushnell, 2003), wie auch durch dickwandige Chlamydosporen (Dauersporen) auf der Bodenoberfläche (Hoffmann u. Schmutterer, 1999) überleben kann, stellt die Überwinterung an Pflanzenrückständen das bedeutendste Reservoir für Fus. gram. dar (Leonard u. Bushnell, 2003). Dabei findet die Überwinterung meist als Mycel oder Perithezium an infizierten Pflanzenteilen oder Ernterückständen statt (Büttner, http://www.lfl.bayern.de/ips/forschung/03787/linkurl_0_88.pdf).

Für die Infektion durch G. zeae scheinen in den meisten Fällen Ascosporen als Primärinokulum verantwortlich zu sein (Leonard u. Bushnell, 2003). Diese werden in kleinen schwarzen Fruchtkörpern (Perithezien) auf dem Mycel gebildet (Hoffmann u. Schmutterer, 1999). Die Produktion der Perithezien wird insbesondere von der Temperatur und der Sonnenstrahlung beeinflusst. Eine Einstrahlung unter 320 nm scheint zu der stärksten Bildung von Perithezien zu führen, wobei eine Strahlungsdauer von vier Stunden täglich bereits ausreichend ist (Leonard u. Bushnell, 2003). Obwohl sich ein Temperaturoptimum zwischen 25 und 28 ^o C gezeigt hat, wiesen Tschanz et al. auch Ascosporenproduktion zwischen 11,5 ^o C und 30 ^o C nach (Tschanz et al., 1976, zitiert in Leonard u. Bushnell 2003). Die Ascosporen werden insbesondere nach Regenfällen, wenn die Perithecien und Pflanzenteile abtrocknen, bei einer relative Luftfeuchtigkeit zwischen 60 und 95% und Temperaturen von 11 bis 30 ^o C aus den Perithezien ausgeschleudert (Leonard u. Bushnell, 2003). Ayers et al. vermuteten einen Einfluß der Lichtstrahlung auf die Freisetzung der Ascosporen aufgrund eines signifikant hohen Ascosporengehalts der Luft zwischen 21:00 und 06:00 Uhr(Ayers et al., 1975, zitiert inLeonard u. Bushnell, 2003), kamen aber, wie auch Paulitz (Paulitz, 1996, zitiert in Leonard u. Bushnell, 2003), zu dem Ergebnis, dass dieser Effekt eher durch den Tagesgang der Luftfeuchtigkeit bedingt ist. Kurz nach starken Regenfällen während des Tages oder bei einer Luftfeuchtigkeit über 80% findet nur ein geringer Ascosporenausstoß statt (Paulitz, 1996, zitiert in Leonard u. Bushnell, 2003).

Die Formation der Konidien läuft optimal bei einer Temperatur um 32 ^o C und anhaltender Blattnässe ab (Leonard u. Bushnell, 2003). Durch Regenspritzer verbreitet können die Konidien von Enterückständen oder unteren Blattetagen bis zu den Ähren gelangen (Habermeyer u. Gerhard, 1997).

Sowohl die Infektion über Ascosporen, wie auch über Konidien setzt eine ausreichende Feuchtigkeit über einen längeren Zeitraum, mindesten 24- 40Std., und Temperaturen über

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Literaturübersicht

20 ^o C voraus (Obst u. Bechtel, 2000). Neben Makrokonidien und Ascosporen gelten auch Hyphenfragmente als Inokulum (Sutton, 1982, zitiert in Leonard u. Bushnell, 2003). Ähreninfektionen sind vom Beginn des Ährenschiebens (BBCH51) bis zur Milchreife des Korns (BBCH77) möglich (Strange u. Smith, 1971, zitiert in Leoard u. Bushnell, 2003), doch die höchste Anfälligkeit des Weizens gegenüber Fus. gram. zeigt sich im Zeitraum kurz nach der Blüte (Anderson, 1948, Schroeder u. Christensen, 1963, zitiert in Leonard u. Bushnell, 2003).

Entlang der Antheren, welche während der Blüte aus den Spelzen ragen, kann der Pilz leicht bis zur Narbe vordringen (Pugh et al., 1933) und die Ähre infizieren. Die in den Antheren enthaltenen Stoffe Cholin und Glycinebetaine fördern dabei das Pilzwachstum. Die Antheren stellen somit einen optimalen Nährboden für das Pathogen dar (Pearce et al., 1976, zitiert in Leonard u. Bushnell, 2003). Untersuchungen u.a. von Strange et al. (Strange et al., 1978, zitiert in Leonard u. Bushnell 2003) lassen aber vermuten, dass weder Cholin noch Glycinbetain die Sporenkeimung beeinflussen. Eine alternative Ansicht, vertreten durch Habermeyer u. Gerhard (Habermeyer u. Gerhard, 1997)), geht von einem fördernden Effekt der nährstoffreiche Pollen auf die Keimung der Pilzspore aus, sodass es zu einem erhöhten Erregerdruck während der Blüte kommt. Zwar konnten Kang und Buchenauer (Kang und Buchenauer, 2000, zitiet in Leonard u. Bushnell, 2003) ein Hyphenwachstum innerhalb der Zellwand der Spelzenepidermis beobachten, dies scheint aber keine epidemiologische Bedeutung zu haben. Dennoch ist die Ursache für die hohe Anfälligkeit des Weizens zu dessen Blüte noch nicht endgültig geklärt (Leonard u. Bushnell, 2003). Vom Ort der Infektion breitet sich das Pilzmycel basipetal im vasculärem Gewebe der Ähre aus, sodass der Assimilat- und Wassertransport in die Ährenteile oberhalb der Infektionsstelle unterbrochen wird (Bai u. Shaner, 1996, zitiert in Leonard u. Bushnell, 2003). Dadurch sterben Teile der Ähre ab und es zeigen sich die typischen Symptome der Taubährigkeit. Gleichzeitig kommt es an den Ähren zur massenhaften Bildung der Nebenfruchtform (Anamorph) mit ihren typisch lachsfarbenen Makrokonidien in den Sporenlagern (Büttner, http://www.lfl.bayern.de/ips/forschung/03787/linkurl_0_88.pdf). Die Produktion von DON und ZEA korreliert nicht mit der gebildeten Biomasse, sondern wird primär durch Umwelteinflüsse gesteuert, wobei das Maximum der Mykotoxinproduktion bei 25 ^o C und 99% Luftfeuchtigkeit liegt (Magan, 2006). Diese Erkenntnis kann auch die Ergebnisse eines bayernweiten DON-Monitorings, dargestellt in Abb.1, erklären. Die jährliche Variation des Klimas während der Vegetationszeit hat unterschiedliche DON-Belastungen zur Folge(Lepschy u. Munzert, 2005).

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