Application of proximal sensing techniques for epidemiological investigations of <em>Fusarium </em>head blight in wheat under field and controlled conditions

Abstract

Sensors can provide valuable insight into studying the physiological disorder due to plant pathogens. <em>Fusarium</em> head blight (FHB) influences the optical properties of wheat (<em>Triticum aestivum L.</em>) at canopy and ear levels. This research aimed to investigate these complex disease situations under field as well as controlled conditions with the application of proximal sensing systems.<br /> Observations under field conditions revealed that the presence of foliar diseases is associated with higher <em>Fusarium</em> infection in the wheat canopy (cv. Tobak and Pamier), which might be attributed to reduced defence mechanisms. This was reflected in increased FHB incidence visually assessed at growth stage (GS) 83. Fungicides applied against foliar diseases before anthesis reduced FHB presence, which might be not only due to reducing the available inoculum in the canopy but also due to promoting defenses against <em>Fusarium</em> infection. Furthermore, prediction of FHB through spectral parameters such as blue-green index 2 (BGI2) and photochemical reflection index (PRI) proved to be very promising.<br /> At ear level, development of <em>Fusarium</em> infection is dependent on the primary infection site within ears and the prevailing environmental conditions after infection. Such a relationship was verified under controlled conditions after tip, centre and base inoculations, separately, by <em>F. graminearum </em>and<em> F. culmorum</em> of wheat ears (cv. Passat). Symptom dynamics (FHB index) were slower downwards within ears in comparison to the upward development. In contrast to the symptom appearance the infection of <em>Fusarium</em> species proved to be directed basipetally – a rare development of fungal infections. According to these observations it could be revealed that higher temperatures accelerated the ripening of ears and allowed these plants to escape the infection within ears. In contrast, at lower temperatures, higher disease severity was observed even for tip infection.<br /> Infrared thermography could predict this primary site of ear infection through temperature span within ears and enabled disease detection before symptoms became visible. The temperature difference between air and ear was negatively correlated to FHB index and allowed disease detection at early senescence stage. Combining the features of thermal measurements and chlorophyll fluorescence images proved to present a high potential in characterising FHB at spikelet level. Discriminating spikelets infected with <em>F. graminearum</em> from those infected with <em>F. culmorum </em>were enabled up to 100% accuracy by fusion of sensor data.<br /> This study demonstrated that FHB is influenced by foliar wheat diseases when at low severities of both. The control of leaf pathogens by fungicides can play an important part in integrated disease management – also against <em>Fusarium</em> infections. It could also be confirmed that primary infection sites within ears and the prevailing environmental conditions after infection are key factors which determine the later development of FHB. Sensors proved to be useful in monitoring and assessing FHB under field conditions – detailed investigations under controlled conditions provided more profound insights in this regard. The findings of this research contribute to more efficient control of FHB using the concepts of remote sensing to improve precision plant protection and may be applied in selection processes of breeding for FHB resistance as well.

Geeignete Sensoren können einen wertvollen Einblick in die physiologischen Verhältnisse in Pflanzen bieten, wenn diese von pathogenen Organismen heimgesucht werden. Die Infektionen von Getreide durch <em>Fusarium</em> Arten (<em>Fusarium</em> Head Blight = FHB) verändern die optischen Eigenschaften von Wirtspflanzen – vor allem von Weizen (<em>Triticum aestivum L</em>.) – sowohl im Getreidestand als auch auf dem Niveau der einzelnen Ähren. Die vorliegenden Untersuchungen hatten zum Ziel, die näheren Gegebenheiten dieser komplexen Befallssituationen im Freiland und unter kontrollierten Bedingungen durch die Anwendung von zerstörungsfreien Messmethoden zu charakterisieren. <br /> Erhebungen im Feld machten deutlich, dass der Befall mit <em>Fusarium</em> Arten durch das Auftreten weiterer Blattkrankheiten im Weizenbestand gefördert wurde. Dies wurde beispielhaft an den Sorten „Tobak“ und „Pamier“ ermittelt und deutet auf eine geringere Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegenüber Fusariosen bei multiplem Befall hin. Dies konnte im Wachstumsstadium 83 (BBCH-Skala) auch makroskopisch festgestellt werden. Fungizidanwendungen, die vor der Blüte durchgeführt wurden, konnten das Auftreten der Fusarien am Weizen reduzieren. Dies war zweifellos auf die Reduktion des verfügbaren Inokulums der <em>Fusarium</em>-Arten zurückzuführen. Zugleich kann angenommen werden, dass durch die Gesunderhaltung der Blattfläche auch eine erhöhte Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegenüber Fusariosen hervorgerufen werden. Die Möglichkeit zur Vorhersage von FHB durch spektrale Parameter konnte bestätigt werden – vor allem an Hand des Blue- Green-Index 2 (BGI2) und des photochemischen Reflektionsindexes (PRI) erwiesen sich als besonders geeignet. <br /> An der Getreideähre ist die Entwicklung der Fusariosen in hohem Maße abhängig von dem primären Infektionsort und den nachfolgenden Umweltbedingungen im Anschluss an die Primärinfektion der Ähre. Dies konnte unter kontrollierten Bedingungen am Weizen der anfälligeren Sorte „Passat“ für Primärinokulationen an der an der Spitze, in der Mitte und an der Basis der Ähren nachgewiesen werden. Es zeigte sich, dass die Symptomentwicklung (FHB index) in der Ähre deutlich weniger nach unten gerichtet war, als in der Zone oberhalb des Inokulationspunktes. Dies galt sowohl für Infektionen durch <em>F. graminearum </em>als auch für <em>F. culmorum</em>. Im Gegensatz zur Symptomentwicklung entwickeln sich die Fusariosen vor allem abwärts in der Ähre – ein durchaus eher seltener Prozess für pflanzenpathogene Organismen. <br /> Erhöhte Temperaturen beschleunigen die Reifung der Ähren – obwohl günstig für das Auftreten von Fusariosen ermöglichen diese Bedingungen auch ein „disease escape“ gegenüber <em>Fusarium</em>-Arten. Bei niedrigeren Temperaturen führen die Infektionen zu deutlich höheren Infektionsraten, weil mehr Zeit zur Ausbreitung besteht – selbt in den Ährenspitzen. Mit Hilfe der Infrarot-Thermographie gelang es, die Primärinfektionen in der Ähre durch die Temperaturdifferenz zwischen Umwelt und den biologisch relevanten Zonen zu charakterisieren bevor bereits makroskopisch Symptome erkennbar wurden. Die Gewebetemperaturdifferenzen waren negativ korreliert mit dem FHB index – sie erlaubten aber auch eine Bestimmung des Reifestatus der Ähren. Wurden die Infrarotmessungen mit der Messung von Chlorophyllkorrelierten Messungen zerstörungsfrei kombiniert, lies sich damit eine hohe Korrelation identifizieren – insbesondere auf dem Niveau der einzelnen Ährchen. Wurden diese Beziehungen betrachtet, dann zeigte sich, dass sich sogar Unterschiede zwischen <em>F. graminearum </em>und<em> F. culmorum</em> erkennen ließen. <br /> Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass das Auftreten von Fusariosen an Getreide auch in besonderem Umfang durch andere Blattkrankheiten gefördert wird – erkennbar allerdings nur bei geringen Befallsintensitäten. Die Förderung der Pflanzengesundheit – auch durch Fungizide – kann zu einer wichtigen Funktion im Integrierten Pflanzenschutz führen – sicher auch zum Schutz vor Ährenfusariosen. Es konnte nachgewiesen und durch Anwendung geeigneter Sensoren genutzt werden, dass die <em>Fusarium</em>-Infektionen eine besondere Rolle spielen. Vor allem die Primärinfektionsorte, die sehr umweltabhängig sind – haben großen Einfluss auf die Schadwirkung. <br /> Sensoren können offenbar sehr hilfreich bei dem Erkennen und der Befallsbestimmung – und das bereits unter Freilandbedingungen. Dies wurde durch Erhebungen unter Feldbedingungen bestätigt – ergänzt durch weitere Untersuchungen unter praktischen Bedingungen. Die vorliegenden Ergebnisse und Erkenntnisse können eine effizientere Unterdrückung von FHB ermöglichen. Dabei geht es darum, dass die Elemente des „sensing of diseases“ einerseits in den Integrierten Pflanzenschutz eingebunden werden können und zudem auch für Selektionsprozesse in der Züchtung zur Vermeidung von FHB genutzt werden kann.