Mikroskalige Variabilität des <em>Fusarium</em>-Befalls und der Mykotoxinbelastung von Weizenkörnern

Abstract

In den Jahren 2007 bis 2009 wurde das Auftreten der partiellen Taubährigkeit in Weizenbeständen auf unterschiedlichen Skalenebenen untersucht und räumlich analysiert. Auf der größten Skalenebene wurde die Variabilität des Auftretens von <i>Fusarium</i> spp. in Mischproben unterschiedlicher Weizensorten in Abhängigkeit von Stickstoffgaben und Fungizidapplikation bestimmt. Zur Ermittlung des räumlichen Auftretens von <i>Fusarium</i>-Arten und assoziierter Mykotoxine wurden auf der zweiten Skalenebene Rasterbeprobungen auf einer Fläche von 1 x 1 m durchgeführt. Auf der kleinsten Skalenebene wurde das Auftreten von <i>Fusarium</i> spp. und die Mykotoxinbelastung an Einzelpflanzen auf einer Fläche von 20 x 20 cm untersucht. Die Bestimmung des <i>Fusarium</i>-Befalls erfolgte mikrobiologisch und mittels TaqMan^® real-time PCR. Die Mykotoxinanalyse wurde mit einer LC-ESI/MS-Methode zum simultanen Nachweis von 32 Mykotoxinen durchgeführt. Nach einer Clustering-Analyse mittels SADIE^® wurden die Ergebnisse unter Zuhilfenahme eines Geographischen Informationssystems räumlich zugeordnet. Zur Beurteilung der Variabilität der Daten diente der Dispersionsindex.<br /> In den Jahren 2007 und 2008 wurden mit <em>F. graminearum, F. avenaceum, F. poae, F. culmorum, F. tricinctum </em>und<em> F. proliferatum</em> sechs Erreger der partiellen Taubährigkeit von Weizenkörnern aus Misch- und Rasterproben isoliert. Vorherrschende Art war in allen Versuchsjahren <em>F. graminearum</em>. Im Jahr 2007 variierte die Befallshäufigkeit auf den beiden untersuchten Standorten zwischen 12,6 % und 40,4 %. Im Jahr 2008 lag die <i>Fusarium</i>-Befallshäufigkeit bei den Sorten Drifter und Dekan in etwa auf einem Niveau, wohingegen die Sorte Tommi die doppelte Anzahl <i>Fusarium</i>-infizierter Körner aufwies.<br /> Die molekularbiologische Quantifizierung der <i>Fusarium</i>-Arten bestätigte<em> F. graminearum </em>als vorherrschenden Erreger der partiellen Taubährigkeit in den Versuchsjahren 2007 und 2009. Die Mykotoxine DON und ENNB wurden in allen Proben nachgewiesen, im Jahr 2007 zusätzlich hohe Belastungen durch ZEA. Des Weiteren traten 3Ac-DON, NIV und MON auf. Für die Rasterproben konnte in keinem Fall ein Zusammenhang zwischen <i>Fusarium</i>-Befallshäufigkeit und Mykotoxingehalt nachgewiesen werden, dagegen bestand in zwei Rasterproben eine positive Korrelation zwischen <i>Fusarium</i>-spezifischer DNA und Mykotoxinbelastung. Bei Untersuchung der Einzelähre korrelierte der untere Ährenabschnitt signifikant mit Befallsintensität und Mykotoxinkontamination.<br /> Die <i>Fusarium</i>-Befallshäufigkeit trat in 28 Fällen räumlich zufällig oder aggregiert auf, was auf eine windbürtige Verteilung des Inokulums oder auf die heterogene Verteilung von Ernteresten der Vorfrucht im Bestand zurückzuführen war. In drei Fällen lag für die Befallshäufigkeit eine Gleichverteilung oder eine Tendenz dazu vor. In den Rasterproben mit geringer N-Gabe und ohne Fungizidapplikation trat eine <i>Fusarium</i>-Art aggregiert auf, eine Fungizidbehandlung führte zu einer räumlich zufälligen Verteilung dieser Art. In den Rasterproben mit hoher N-Gabe und ohne Fungizidapplikation traten zwei Arten zufällig verteilt auf und bei Fungizidbehandlung lag eine signifikant aggregierte Verteilung dieser Arten vor.<br /> Die Befallsintensität trat in vier von sechs Fällen aggregiert und in zwei Fällen zufällig verteilt auf, was auf die räumliche Verteilung des Primärinokulums zurückzuführen war.<br /> Die räumliche Verteilung der Mykotoxinbelastungen war abhängig vom Mykotoxin. So traten DON, 3Ac-DON und ZEA aggregiert auf, ENNB, MON und NIV zeigten eine räumlich zufallsbedingte Verteilung. In keinem Fall wurde eine gleichmäßige Verteilung festgestellt.<br /> Die unterschiedlichen Verteilungsmuster der <i>Fusarium</i>-Befallsparameter zeigten die Notwendigkeit angepasster Beprobungsstrategien auf, um die Befallssituation einzelner Bestände zuverlässig charakterisieren zu können.

<strong>Micro-scale variability of <em>Fusarium</em> infection and mycotoxin contamination of wheat ears</strong><br /> Investigations on the incidence of <em>Fusarium</em> head blight pathogens were carried out in the period 2007 to 2009 on different scales. On the first scale the variability of <em>Fusarium</em> species on kernels depending on cultivar and production intensity was analyzed in mixed samples. On the second scale the spatial distribution of <em>Fusarium</em> head blight and associated mycotoxins was identified in 25 samples from a grid of 1 x 1 m. On the lowest scale ears were sampled from an area of 20 x 20 cm to determine the presence of <em>Fusarium</em> species and mycotoxin contamination on individual plants. Infection with <em>Fusarium</em> spp. was analyzed both microbiologically and using TaqMan^®realtime PCR. Mycotoxin contamination was determined using a LC-ESI/MS method. Data on frequency and severity of Fusarium infected kernels as well as on mycotoxin contamination were statistically analyzed with SADIE^® and displayed in a geographic information system. The variance-to-mean-ratio indicated the variability of <em>Fusarium</em>-infected kernels.<br /> A total of six<em> Fusarium </em>species<em>- F. graminearum, F. avenaceum, F. poae, F. culmorum, F. tricinctum </em>and<em> F. proliferatum</em> were isolated in 2007 and 2008 from both grid samples and mixed samples. <em>Fusarium graminearum</em> was the predominant species in all years. In 2007 the frequency of infected kernels varied from 12.6 % to 40.4 % in different habitats.<br /> In 2008 the levels of infection in the cultivars Drifter and Dekan were similar, whereas cultivar Tommi had twice the amount of <em>Fusarium</em> infested kernels.<br /> Molecular quantification of <em>Fusarium</em> biomass confirmed<em> F. graminearum</em> as the predominant <em>Fusarium</em> head blight pathogen in 2007 and 2009. In all samples the mycotoxins deoxynivalenol and enniatin B were detected. In 2007, kernels had high contents of zearalenone as well. In addition, 3Ac-DON, NIV and MON were present. On the second scale there was no correlation between the frequency of infected kernels and mycotoxin contamination whereas in two samples fungal biomass and mycotoxin contents were positively correlated. Investigations on individual ears demonstrated a significant link between the bottom section of the ears and fungal biomass as well as mycotoxin contamination.<br /> The frequency of infected kernels showed in 28 cases random or aggregated patterns, which was explained by airborne distribution of inoculum or aggregated residues from the previous crop providing primary inoculum. Homogenous distributions and tendency to regular patterns were rare. The spatial distribution of fungal biomass showed once random, in the other case aggregated patterns due to the distribution of primary inoculum.<br /> The frequency of one <em>Fusarium</em> species showed aggregated patterns in samples with low nitrogen dosage and no fungicide treatment, whereas with fungicide application the species was randomly distributed. In samples with high fertilization and no fungicide treatment two species showed random patterns, thus the spatial distribution in case of fungicide application was aggregated.<br /> The spatial distribution of mycotoxin contamination depended on the mycotoxin. Deoxynivalenol, 3Ac-DON and ZEA showed aggregated patterns. Enniatin B, MON and NIV showed predominantly random pattern. A regular distribution was not observed.<br /> Hence, different patterns of <em>Fusarium</em> head blight disease parameters emphasized the necessity to adapt sampling strategies for reliable characterizations of disease situations in fields.