Charakterisierung von <i>Helianthus</i> – Wildarten im Freiland

Abstract

<i>Sclerotinia sclerotiorum</i> Lib. de Bary ist weltweit einer der bedeutendsten Pathogene der Sonnenblume (<i>Helianthus</i> annuus L.) und bedingt hohe wirtschaftliche Verluste in der Produktion dieser Ölpflanze. Innerhalb des kultivierten annuellen <i>Helianthus</i>-Genpools existiert auf Grund einer geringen Variabilität keine ausreichende Resistenz gegenüber diesem Pathogen. <i>Helianthus</i> Wildarten zeigen hingegen eine beachtliche Diversität und gelten als viel versprechende Resistenzquellen. <br /> In der vorliegenden Arbeit wurden erstmals eingehende mehrjährige Untersuchungen zur Feld-Resistenz der in der Züchtung der Sonnenblume bislang nicht berücksichtigten perennierenden <i>Helianthus</i>- Wildarten gegenüber dem Krankheitskomplex der <i>Sclerotinia</i> - Stängelfäule durchgeführt. <br /> Hierbei wurden 21 perennierende Wildarten mit Hilfe von artifiziellen Myzelinokulationen hinsichtlich ihrer Stängel- und Blattresistenz im Freiland sowie unter kontrollierten Umweltbedingungen untersucht. Als robustes phänotypisches Resistenzmerkmal konnten in beiden Pflanzenorganen die Läsionslängen vier Tage nach Inokulation erschlossen werden. In zwei Populationsakzessionen von <i>H. maximiliani</i> sowie in <i>H. salicifolius</i> konnten Stängelresistenzen ermittelt werden. <i>H. divaricatus</i> und <i>H. maximiliani</i> AC 7 zeigten erhöhte Blattresistenzen gegenüber <i>Sclerotinia</i> Infektion. In <i>H. maximiliani</i> AC 7 konnte eine Wildart mit partiellen Resistenzen in beiden Pflanzenorganen ermittelt werden. In den histologischen Untersuchungen zur Stängelresistenz konnte als wesentlicher präformierter Resistenzfaktor das Lignifizierungsmuster der Sprossachsen erkannt werden. Eine verstärkte Cuticula konnte in <i>H. salicifolius</i> Sprossachsen als Resistenzfaktor detektiert werden. Zur pathogeninduzierten Resistenz wurde durch Epifluoreszenzmikroskopie die resistenzbegleitende Akkumulation phenolischer Inhaltsstoffe ermittelt, welche chromatographisch als Di-Caffeoylester nachgewiesen werden konnte. <br /> Untersuchungen zum <i>Sclerotinia</i> induzierten Phenolstoffwechsel über die Bestimmung der Phenylalanin-Ammoniak-Lyase (PAL) Aktivität zeigten genotypische Abhängigkeiten. Eine stark erhöhte 30fache Steigerung der PAL - Aktivität im Vergleich zur gesunden Kontrolle konnte in <i>H. salicifolius</i> ermittelt werden. <br /> Zusammenhänge zur Phenolakkumulation nach Pathogenbefall ließen bei dieser Wildart auf eine resistenzvermittelnde Bedeutung der PAL - Aktivierung schließen.Resistenzbegleitend konnte in partiell stängelresistenten Wildarten eine signifikant erhöhte Aktivität zellwandgebundener Peroxidasen ermittelt werden deren Bedeutung als potentielle Markerenzyme der partiellen <i>Sclerotinia</i> Stängelresistenz damit möglich erscheint. <br /> Zur Untersuchung des wirkungsbezogenen Zusammenhangs zwischen präformierten Blattphenolen der <i>Helianthus</i> Wildarten und deren Bedeutung zur <i>Sclerotinia</i> - Blattresistenz wurde zunächst ein chromatographisches Verfahren zur Detektion kompletter Blattphenolfingerprints in <i>Helianthus</i> entwickelt. In der anschließenden multivariaten Analyse konnte ein starker quantitativer Zusammenhang zwischen potentiell flavonoiden Inhaltsstoffen und der <i>Sclerotinia</i> Myzelausbreitung im Mesophyll erkannt werden.

<strong>Characterization of wild <i>Helianthus</i> species under natural conditions - biometrical, histological and biochemical investigations</strong><br /><i>Sclerotinia sclerotiorum</i> (Lib.) de Bary is one of the major fungal diseases of sunflower (<i>Helianthus annuus</i> L.) and causes great economic losses in sunflower production worldwide. The pathogen can attack all parts of the plant on every plant growth stage, predominantly the capitulum, the leaf and stem. Due to the narrow genetic variability no source of complete resistance to <i>Sclerotinia</i> is available in the cultivated <i>Helianthus</i> gene pool. However, wild species exhibit a great diversity and hence are promising sources of genes for disease resistance. <br /> In the present study, 21 perennial <i>Helianthus</i> species of diverse origin were evaluated in multiannual field trials and controlled environment studies on their resistance level to mid-stem and leaf infection using an artificial inoculation method. The evaluation revealed considerable and significant differences within the genotypes in all recorded resistance traits. The induced lesion length four days after infection was evaluated as a confident predictor of disease resistance level and was used as a reliable phenotypic trait for screening the wild <i>Helianthus</i> species against <i>Sclerotinia</i> stem and leaf rot. Three genotypes, two <i>H. maximiliani</i> Accessions and <i>H. salicifolius</i>, showed enhanced partial resistance levels to mid-stem infection. <i>H. divaricatus</i> and <i>H. maximiliani</i> AC 7 exhibits resistances to leaf infection and additionally in <i>H. maximiliani</i> AC 7 partial resistances in both plant parts were discovered.<br /> Further histological investigations revealed a close interrelation between the genotypic lignification patterns of the stems and their level of resistance to <i>Sclerotinia</i> mid stem rot. Moreover in <i>H. salicifolius</i> a reinforced stem cuticle was identified as preformed partial resistance factor to stem infection. Postinfectional in situ detection of phenolic compounds in stem tissues performed by epi - fluorescence microscopy showed their strong accumulation in partial resistant genotypes and was characterized as dicaffeoyl ester by thin layer chromatography. Pathogen induced changes of the initial phenolic metabolism were examined by determination the pre and postinfectional phenylalanine-ammonia-lyase activity (PAL) and revealed a great variation among the genotypes. A 30 fold increase of PAL-activity in partial resistant <i>H. salicifolius</i> internodes shows a rapid and coordinated induction of the phenylpropanoid metabolism in response to <i>Sclerotinia</i> attack. In addition, the defence reaction of stems from partial resistant genotypes was accompanied by a significant increase in cell wall bound peroxidase (POX) activity which can be used as biochemical marker for <i>Sclerotinia</i> resistance. <br /> To investigate the interrelationship between preformed phenolic compounds in wild sunflower leafs and their resistance to mycelial extension a new chromatographic method was developed to determine complete phenolic patterns in the genus <i>Helianthus</i>. The subsequently applied multivariate analysis revealed a close quantitative and inverse association between putative flavonoid leaf phenolics and the mycelial extension in the leaf mesophyll.