Microbiological and molecular assessment of interactions among the major Fusarium head blight pathogens on wheat ears

Abstract

Investigations on putative interactions among <em>Fusarium</em> species colonizing wheat ears were carried out to understand the high frequency of species with low virulence in the presence of more virulent ones. To determine inter-species interactions among the major <em>Fusarium</em> head blight pathogens, wheat ears were inoculated at mid flowering either with <em>F. graminearum, F. culmorum, F. avenaceum </em>and<em> F. poae</em> alone or in combinations of two, three or four isolates under field and greenhouse conditions. The isolates and the composition of inoculum significantly affected FHB severity, kernel weight, number of <em>Fusarium</em>-infected kernels, fungal biomass and mycotoxin production. In single or mixed inoculations, F. graminearum resulted in the highest disease ratings, frequency and intensity of kernel colonization and mycotoxin production, followed by <em>F. culmorum, F. avenaceum </em>and<em> F. poae</em>, respectively. In mixtures, the frequency of <em>F. culmorum, F. avenaceum </em>and<em> F. poae</em> infected kernels and fungal biomass in most cases was lower than in single inoculations, while the mycotoxin productivity significantly increased. The study demonstrated that significant interactions exist between or among <em>Fusarium</em> isolates during kernel colonization, such as competition and amensalism. These interactions were disadvantageous to less-virulent isolates, although to different degrees, no additive effects were detected. Competitiveness and virulence of isolates varied as quantified by the different parameters; they decreased in the order <em>Fusarium graminearum, F. culmorum, F. avenaceum </em>and<em> F. poae</em>, respectively. The frequency of infected spikelets increased with sampling time either in inoculation alone or in mixtures. For <em>F. graminearum</em>, the increase in the percentage of infected spikelets was unaffected by the presence of other isolates, while the other isolates were inhibited by its presence in mixed inoculations. The frequency of infection of wheat flower parts by <em>Fusarium</em> isolates decreased in the order lemma, palea, glume and developing kernel. One to three weeks after mixed inoculations, a high number of spikelets (10-20%) were infected by more than 1 isolate. In contrast, there was relatively low percentage of kernels bearing two <em>Fusarium</em> isolates at harvest (2% ≥). The highest levels of infection with two <em>Fusarium</em> isolates were observed in mixtures including F. avenaceum and F. culmorum. In contrast, infection frequencies were lowest in co-inoculations with F. poae. The comparison of frequency and intensity of kernel colonization proved differences in virulence and development of the isolates in the kernels. Only for the most virulent isolate, application of microbiological and real-time PCR assays gave similar results. For the other species, the intensity of kernel colonization was lower than expected from the frequency of infection. The high frequency of low-virulent <em>Fusarium</em> isolates in a FHB complex has to be attributed to others factors than direct interactions with highly virulent isolates during establishment on the wheat ears. The investigations indicated the biological complexity of multiple <em>Fusarium</em>-infections, head-Scab development and mycotoxin contamination of cereals.

<strong>Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen <em>Fusarium</em> spp., den Erregern der Partiellen Taubährigkeit im Weizen, unter Verwendung mikrobiologischer und molekularbiologischer Methoden</strong><br /> Die durchgeführten Untersuchungen bezüglich mutmaßlicher Wechselwirkungen von Fusarium- Arten in infizierten Weizen-Ähren sollen dazu beitragen, das häufige Auftreten weniger aggressiver Arten bei gleichzeitigem Vorhandensein von aggressiven <em>Fusarium</em>-Arten zu verstehen. Zur Bestimmung inter-spezifischer Wechselwirkungen zwischen bedeutenden Erregern der Partiellen Taubährigkeit im Weizen wurden Ähren zum Zeitpunkt der Blüte entweder einzeln mit <em>F. graminearum, F. culmorum, F. avenaceum </em>und<em> F. poae</em> oder durch die Kombination von zwei, drei oder vier Arten im Gewächshaus und in Feldversuchen inokuliert. Die einzelnen Isolate als auch deren Kombination im Inokulum beeinflussten signifikant das symptomatische Auftreten der Partiellen Taubährigkeit, die Tausendkornmasse, die Häufigkeit infizierter Körner, die pilzliche Biomasse und die Mykotoxin-Bildung. Bei Einzeinokulation oder Kombinationsinokulation mit mehreren Isolate zeigte <em>F. graminearum</em> die höchste Pathogenität, die größte Häufigkeit und Intensität infizierter Körner sowie die stärkste Mykotoxin-Bildung, gefolgt von <em>F. culmorum, F. avenaceum </em>und<em> F. poae.</em> Im Vergleich zur Einzelinolukation von <em>F. culmorum, F. avenaceum </em>und<em> F. poae</em> führte Inokulation in Kombinationen einerseits zu einer Reduktion der Häufigkeit infizierter Körner sowie der pilzlichen Biomasse, andererseits jedoch zu einer signifikant höheren Mykotoxinproduktion. Die Ergebnisse aus den Untersuchungen verdeutlichen, dass während der Infektion und Ausbreitung von <em>Fusarium</em> spp. im Korn zwischen den beteiligten <em>Fusarium</em>-Isolaten signifikante Wechselwirkungen wie Konkurrenz und Amensalismus vorkommen. Diese Wechselwirkungen benachteiligten die weniger aggressiven Isolate, wenn auch zu einem unterschiedlichen Grad. Es wurden hier keine additiven Effekte nachgewiesen. Die Häufigkeit infizierter Ährchen stieg mit dem Zeitpunkt der Probennahme, sowohl bei Einzel- als auch Kombinationsinokulationen. Bei <em>F. graminearum</em> wurde der Anstieg der Häufigkeit infizierter Ährchen durch das Vorkommen anderer Isolate nicht beeinflusst, hingegen wurden die weiteren Isolate durch ihre Präsenz in Kombinations-Inokulationen gehemmt. Die Infektionshäufigkeit der Blütensegmente durch <em>Fusarium</em> spp. verringerte sich absteigend von Deckspelze, Vorspelze und Hüllspelze zu dem sich entwickelnden Korn. Ein bis drei Wochen nach Kombinationsinokulationen waren eine hohe Anzahl von Ährchen (10-20%) von mehr als einem Isolat besiedelt. Es wurde aber nur von einem geringen Prozentsatz der geernteten Körner zwei oder mehr verschiedene <em>Fusarium</em>-Isolate isoliert (2% ≥). Der Vergleich von Häufigkeit und Intensität des <em>Fusarium</em>-Befalls infizierter Körner zeigt, dass es Unterschiede hinsichtlich Virulenz und Entwicklung der <em>Fusarium</em>-Isolate in den Körnern gibt. Nur bei dem Isolat mit der höchsten Virulenz kam es zu einem übereinstimmenden Ergebnissen bei der mikrobiologischen und der Real-Time PCR-Untersuchung. Bei den anderen Arten war die war die Intensität der Besiedlung der Körner geringer als die Infektionshäufigkeit vermuten lies. Die große Häufigkeit von <em>Fusarium</em>-Isolaten mit geringer Virulenz muss auf andere Faktoren als die direkte Wechselwirkung mit hoch virulenten Isolaten währen der Entwicklung auf den Weizenähren zurückgeführt werden. Die Untersuchungen zeigten die biologische Komplexität von multiplen <em>Fusarium</em>-Infektionen, Krankheitsentwicklung und Mykotoxin-Belastung von Weizen.