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

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Literaturübersicht
2.1 Systematik und Biologie von Fusarium graminearum
2.2 Biologie von Giberella zea und wirtschaftliche Bedeutung
2.3 Synopse der bestehenden Fusarium-Befallsprognosemodelle

3 Material und Methoden
3.1 Versuchsfaktoren
3.1.1 Beschreibungen der Einflussvariablen
3.1.2 Beschreibung und Erfassung der Zielvariablen
3.2 Versuchsglieder
3.3 Weizenanzucht und Kultivierung
3.4 Anzucht des Erregers und Erstellung des Inokulums
3.5 Inokulum und Inkubation
3.6 Datenauswertung

4 Ergebnisse
4.1.Einfluss des Inokolumpotentials auf Befall und Ertrag
4.2 Einfluss der Inkubationszeit auf Befall und Ertrag
4.3 Einfluss der postinfektionellen Zusatzbefeuchtung auf Befall und Ertrag

5 Diskussion der Ereignisse

6 Zusammenfassung

Referenzen

Anhang

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Versuchsglieder zur Fragestellung des Einflusses einer postinfektionellen Zusatzbefeuchtung

Tabelle 2 Versuchsglieder zur Fragestellung des Einflusses des Inokulumpotentials

Tabelle 3 Versuchsglieder zur Fragestellung des Einflusses der Inkubationszeit

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Zentralwerte Deoxynivalenol in Bayern

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

Abbildung 3 Weizenpflanzen des Versuchs in der Vegetationshalle; Quelle: Eigene Aufnahme

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

Abbildung 5 Konidie von Fusarium graminearum; Quelle: Eigene Aufnahme

Abbildung 6 FS unter Einfluss eines gestaffelten Inokulumpotentials

Abbildung 7 Effekt des var. Inokulumpotentials auf den EÄE

Abbildung 8 Befallshäufigkeit auf Grund unt. Inokulumpotentiale

Abbildung 9 AÄN nach unt. Inokulumpotentiale

Abbildung 10 FS in Folge var. Inkubationszeiten

Abbildung 11 EÄE als Resultat var. Inokulumzeiten

Abbildung 12 BH nach unt. Inokulumzeiten

Abbildung 13 Einfluss gestaffelter Inokulumzeiten auf die AÄN

Abbildung 14 FS als Reaktion auf die Zusatzbefeuchtung

Abbildung 15 Reaktion des EÄE auf die Zusatzbefeuchtung

Abbildung 16 Einfluss der Zusatzbefeuchtung auf die BH

Abbildung 17 AÄN nach Behandlung mit einer Zusatzbefeuchtung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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.

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 Witterungs-einfluss 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 computer-gestütztes Fusarium-Infektionsprognosemodell liefern.

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 15oC und 25oC 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).

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 28oC gezeigt hat, wiesen Tschanz et al. auch Ascosporenproduktion zwischen 11,5oC und 30oC 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 30oC 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 oC 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 20oC 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 25oC 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).

Die wirtschaftliche Bedeutung dieses Pathogens geht neben der Kontamination der Körner mit Mykotoxinen auch von der Reduktion des Ernteertrags aus. Der verminderte Ernteertrag resultiert aus einer Verminderung der pflanzlichen Assimilationsfläche als Folge der phytotoxischen Trichothecene, die Chlorosen, Nekrosen und Welke bedingen können (Mc Clean, 1996, zitiert in Leonard u. Bushnell 2003). Das Absterben photosynthetisch aktiver Fläche reduziert u.a. die Bildung von Kohlenhydraten, sodass es zu Kümmerkornbildung, verringertes Tausendkorngewicht und geringeren Kornzahlen pro Ähre kommt. Die Störung der Assimilat-Translokation in die Körner wird durch das Eindringen des Pilzmycels in das Phloem und Phloemparenchym und den anschließenden Kollaps dieser Gewebe verstärkt (Mielke, 1988). Infektionen vor Ende der Fruchtreife (BBCH77) können zu einer vollständigen Zerstörung der Samenanlagen führen, noch ehe das Korn angelegt ist (Mielke 1988), und somit zu einer erheblichen Verringerung der Kornzahl führen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Zentralwerte Deoxynivalenol in Bayern; Quelle: LfL Bayern

2.3 Synopse der bestehenden Fusarium-Befallsprognosemodelle

Obwohl sich die chemische und pflanzenbauliche Fusarien -Bekämpfung als problematisch darstellt, werden derzeit lediglich zwei Befallsprognosemodelle, eines durch Obst und Bechtel (Obst und Bechtel, 2000), das zweite von Hooker et al. (Hooker et. al., 2002), für dieses Pathogen angeboten.

Das von Obst u. Bechtel formulierte und von der LfL Bayern angebotene Modell basiert im Grundsatz auf den Wetterbedingungen und dem daraus resultierenden Einfluss auf den Sporenflug während der Weizenblüte. Dabei finden die Infektionsbedingungen an den Ähren bis zum Ende der Blüte Berücksichtigung.

Bei der Interpretation der Wetterdaten wird davon ausgegangen, dass für den Sporenflug zuerst Regen die Perithecien aufquellen lassen muss, sodass bei deren Trocknung die Ascosporen ausgeschleudert werden. Eine Infektion setzt eine hohe Luftfeuchtigkeit voraus. Dabei wird im Model Obst/Bechtel zwischen einer Primärinfektion durch Ascosporen und einer Sekundärinfektion über Konidien differenziert. Infektionen über Ascosporen setzen eine feucht-warme Witterung voraus, Konidieninfektionen können auch bei niedrigeren Temperaturen ablaufen.

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