Ecological interactions of Fusarium species and the meal beetle <em>Tenebrio molitor</em>

Abstract

Contamination of stored grains by moulds and their mycotoxins results in quality and nutritional reduction. Ingestion of contaminated products and feed poses a significant hazard to human and animal health. The moulds deterioration and storage insects are of major concern in poor post-harvest management conditions. Theinteractions between the storage moulds (<em>Fusarium</em> spp.) and insects (<em>T. molitor</em>) are bilateral.<br /><em>Fusarium</em> species colonized wheat kernels affected the feeding behaviors, weight gain and survival rate of <em>T. molitor</em> mature larvae. Wheat kernels colonized by <em>F. proliferatum</em> and <em>F. poae</em> attracted <em>T. molitor </em>larvae significantly more than untreated (control) kernels; whereas kernels colonized with <em>F. avenaceum</em> or <em>Beauveria bassiana</em> were avoided by the larvae. However, larvae fed on <em>F. culmorum</em>, <em>F. avenaceum</em> or <em>B. bassiana </em>colonized kernels had enhanced larvae mortality. Our results indicated that <em>T. molitor</em> larvae have the ability to sense potential survival threats of kernels colonized with <em>F. avenaceum</em> or <em>B. bassiana</em>.<br /><em>T. molitor</em> acted as vehicle for<em> Fusarium </em>spp.dissemination within grains. After feeding on <em>Fusarium</em> mycelia and conidia for 24 h, live conidia were traceable in beetles’ excreta. Beetles were capable of contaminating a high proportion of wheat kernels up to 20 days. Kernels contamination and fungal colony forming unit density of <em>F. proliferatum</em> were higher than other tested <em>Fusarium</em> species.<em> T. molitor</em> beetles disseminated tested <em>Fusarium</em> fungal conidia internally and externally. Fungal contamination by beetle copulation to eggs was first described in our present research.<br /><em>F. proliferatum</em> drew our research attention for its attracting meal beetles property. Pathogenicity of different<em> F. proliferatum </em>strains on <em>T. molitor</em> was assessed according to mortality on 4th instar larvae. Radiate growth rate, sporulation, and DNA biomass in larvae tissue were evaluated as parameters to determine the contribution to pathogenicity. For pathogenicity on wheat plants, we demonstrated that <em>F. proliferatum </em>strains can systemically colonize the wheat plant (cv. Taifun) from soak-inoculation of mature wheat seeds to stem, leaf and then to wheat kernels. The pathogenicity on <em>T. molitor</em> larvae and wheat plants was not consistent, which indicated different pathogenicity mechanisms.

<strong>Ökologische Interaktion zwischen Fusarium Spezies und dem Mehlkäfer <em>T. molitor </em></strong><br /> Die Kontamination eingelagerten Getreides mit Vorratspilzen und deren Mykotoxinen sowie der Befall mit Vorratsschädlingen führen zur Minderung von Qualität und Nährwert. Durch die Aufnahme kontaminierter Nahrungs- und Futtermittel entstehen erhebliche Gefahren für die menschliche und tierische Gesundheit. Die Interaktionen zwischen Vorratspilzen (<em>Fusarium spp.</em>) und Insekten (<em>T. molitor</em>) sind bilateral. Von Fusarium besiedelte Weizenkörner beeinflussten Nahrungsaufnahme, Gewichtszunahme und Überlebensrate von <em>T. molitor</em> Larven. Von<em> F. proliferatum </em>und<em> F. poae</em> befallene Körner lockten signifikant mehr <em>T. molitor </em>Laven an als unbehandelte Körner, während Körner mit <em>F. avenaceum</em> oder <em>Beauveria bassiana</em> von den Larven gemieden wurden. Larven, die mit <em>F. culmorum, F. avenaceum </em>oder<em> B. bassiana</em> befallen Körner gefressen hatten, wiesen eine höhere Sterblichkeit auf. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass <em>T. molitor</em> Larven die Fähigkeit haben, potentielle Schadwirkungen von Körnern mit <em>F. avenaceum </em>oder<em> B. bassiana</em> zu erkennen. <em>T. molitor </em>fungierte als Vehikel für <em>Fusarium</em> spp. Nachdem die Käfer 24 h mit <em>Fusarium</em> Myzel und Konidien gefüttert worden waren, waren lebende Konidien in ihren Exkrementen nachweisbar. Die Käfer waren 20 Tage lang in der Lage, große Anteile exponierter Weizenkörner zu kontaminieren. Die Menge der durch die Käfer kontaminierten Weizenkörner und die Dichte der koloniebildenden Einheiten waren bei <em>F. proliferatum</em> höher als bei den anderen untersuchten <em>Fusarium</em> Spezies. <em>T. molitor</em> verbreitete die Konidien von <em>Fusarium</em> intern und extern. Die Kontamination von Eiern durch die Kopulation wird erstmals in unserer vorliegenden Arbeit beschrieben. Die Pathogenität verschiedener <em>F. proliferatum</em> Stämme wurde anhand der Sterblichkeitsrate des vierten Larvenstadiums von <em>T. molitor</em> bewertet. Als Parameter der Pathogenität wurden radiale Wachstumsrate, Sporulation und Pilz-DNA in Larvengewebe untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass <em>F. proliferatum</em> Stämme in der Lage sind, ausgehend von einer Tauchinokulation von Saatgut die daraus entstehenden Pflanzen systemisch über Stängel und Blätter bis zu den Körnern zu besiedeln. Die Pathogenität für Weizenpflanzen korrelierte nicht mit der für <em>T. molitor</em> Larven, was auf unterschiedliche Mechanismen der Pathogenität hinweist.