Entwicklung eines <em>in vitro</em> Testsystems zur Identifizierung pflanzlicher Signale für Mehltau (<em>Blumeria graminis</em>) an Weizen (<em>Triticum aestivum</em>)

Abstract

Blumeria graminis ist der Erreger des Echten Mehltaus an Weizen (Triticum aestivum), einer der wichtigsten Kulturpflanzen weltweit. Durch diese Pflanzenkrankheit können hohe Ernteverluste verursacht werden. Die Keimung und Differenzierung der Sporen auf der Blattoberfläche sind die ersten Schritte der Pathogenese. Die Kutikula stellt dabei einerseits einen wichtigen Schutzmechanismus der Pflanze dar, andererseits liefert sie auch entscheidende Signale für die Entwicklung der Infektionsstrukturen (Börner und Schlüter 2009). Kenntnisse über diese Signale können einen bedeutenden Beitrag für den Pflanzenschutz liefern. Zur Identifizierung dieser Signale wurde der Prepenetrationsprozess von B. graminis auf verschiedenen biomimetischen in vitro Testsystemen untersucht. Zunächst wurden die spezifischen Oberflächeneigenschaften der Weizenblätter analysiert. Hierfür wurden drei Weizensorten (Ponticus, Porthus und Akteur) mit unterschiedlichen Anfälligkeiten gegenüber Mehltau ausgewählt. Die Wachsmorphologie wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und die Wachszusammensetzung mittels Gaschromatographie und Massenspektrometrie (GC-FID und GC-MS) analysiert. Außerdem wurde die Benetzbarkeit der Weizenblätter mithilfe der Kontaktwinkel, der Abrollwinkel und der Kontaktwinkelhysteresen beschrieben. Auf den Blättern befanden sich ausschließlich Wachsschüppchen. Die Hauptkomponente des Weizenwachses war 1-Octacosanol. Die Weizenblätter waren hydrophob und teils superhydrophob. Die Fähigkeit der Selbstreinigung konnte nicht festgestellt werden. Die Benetzung war anisotrop, sodass die Benetzungseigenschaften richtungsabhängig waren. Die Untersuchung der Oberflächen-eigenschaften zeigte keine sortenspezifischen Unterschiede, die einen Zusammenhang mit den Anfälligkeiten der Sorten erkennen ließen. Zudem wurde untersucht, ob das Blattalter, die Blattseite oder die Anzuchtsbedingungen der Pflanzen die Oberflächeneigenschaften beeinflussten. Es konnte gezeigt werden, dass die Wachsmorphologie bei allen untersuchten Parametern gleich war. Die Wachsmenge nahm mit dem Blattalter zu, die Anteile der Substanzklassen oder einzelner Wachskomponenten änderten sich dabei nicht. Die Analyse der Wachszusammensetzung der Gewächshauspflanzen und der Freilandpflanzen zeigte nur geringe Unterschiede. Die verschiedenen Testsysteme wurden entwickelt, um den Signalcharakter der Wachschemie und der Benetzbarkeit einzeln und in Kombination in vitro untersuchen zu können. Durch die Beschichtungen technischer Oberflächen mit extrahiertem Weizenwachs oder mit Wachskomponenten konnten die Oberflächeneigenschaften der natürlichen Oberfläche übertragen werden. Das Verfahren der thermischen Verdampfung ermöglichte eine homogene Beschichtung der Substrate, sodass eine gleichmäßige Benetzbarkeit erreicht wurde. Es wurden fünf verschiedene Testsysteme hergestellt. Durch die Rekristallisation des Weizenwachsextraktes wurden erstmalig sowohl die chemischen Eigenschaften als auch die Benetzungseigenschaften der Blattoberfläche nachgebildet. Das Wachs rekristallisierte in dreidimensionalen Strukturen, sodass die Oberfläche des Testsystems ebenso wasserabweisend war wie die des Weizenblattes. Auch durch die Rekristallisation des Reinstoffs 1-Octacosanol konnte auf der künstlichen Oberfläche die gleiche Benetzbarkeit erzeugt werden wie auf dem Blatt. Der Reinstoff bildete Wachsschüppchen, was die strukturgebende Funktion dieser Wachskomponente unterstreicht. Mit diesem Testsystem stand eine Oberfläche zur Verfügung, die unabhängig von der Wachschemie, die natürliche Benetzbarkeit widerspiegelte. Zur Herstellung zwei weiterer Testsysteme wurden, zusammen mit 1-Octacosanol, 1 Hexacosanal bzw. 1-Octacosanal rekristallisiert. Diese Testsysteme ermöglichten die Unter-suchung der Signalfunktion der Aldehyde bei einer vergleichbaren Benetzbarkeit wie auf den Weizenblättern. Um den Einfluss der Wachschemie allein untersuchen zu können, wurde das Wachsgemisch aus der Schmelze rekristallisiert. Dieses Testsystem wies keine dreidimensionalen Strukturen auf, sodass die Benetzbarkeit dieser Oberfläche weit über der des Weizenblattes lag. Schließlich wurden die verschiedenen Testsysteme mit Mehltau inokuliert, um die Entwicklung des Pilzes zu untersuchen. Die Keimung und die Differenzierung wurden auf keinem der Testsysteme angeregt. Weder die Hydrophobizität, noch die Wachschemie, noch die Aldehyde, noch die Kombination dieser Parameter konnten als entscheidende Signale für die Keimentwicklung identifiziert werden. Es bleibt offen, welche Signale der pflanzlichen Oberfläche die Bildung der Infektionsstrukturen von B. graminis einleiten. Durch die Modifikation der Testsysteme kann der Signalcharakter weiterer Eigenschaften der pflanzlichen Oberfläche geprüft werden.

<strong>Development of an <em>in vitro</em> test system to identify plant signals for powdery mildew (<em>Blumeria graminis</em>) on wheat (<em>Triticum aestivum</em></strong> <br> Blumeria graminis is the causal agent of powdery mildew on wheat (Triticum aestivum), one of the most important crops worldwide. This plant disease can cause high crop losses. The first steps of the pathogenesis are the germination and differentiation of the fungal conidia. In this process, the cuticle represents an important barrier of the plant on the one hand, and on the other it also provides crucial signals for the development of the infection structures. Knowledge of these signals could make a significant contribution to plant protection. To identify such signals the pre-penetration process of Blumeria graminis was investigated on different biomimetic in vitro test systems. First the specific surface properties of wheat leaves were analyzed. For this purpose, three different wheat cultivars with varying susceptibilities against powdery mildew (Ponticus, Porthus and Akteur) were investigated. Wax morphology was analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and wax composition by gas chromatography and mass spectrometry (GC-FID and GC-MS). In addition, the wetting properties of leaves were characterized by the contact angle, the tilting angle and the contact angle hysteresis. Only wax platelets were present on the wheat leaves. 1-octacosanol was the main component of the wheat wax. The wheat leaves were hydrophobic and partly superhydrophobic. The ability of self-cleaning could not be determined. The wetting was anisotropic, so that the wetting properties were directionally dependent. The investigation of leaf surfaces did not reveal any cultivar-specific differences that would indicate a relationship with cultivar susceptibilities. In addition it was investigated whether the leaf age, leaf side or kind of plant cultivation influenced surface properties. It was shown that the wax morphology was the same for all investigated parameters. The amount of wax increased with leaf age, but the proportions of substance classes or individual wax components did not change. The analysis of wax composition of the greenhouse and the field plants showed only minor differences. The different test systems were developed in order to be able to investigate the signal character of wax chemistry and wettability individually and in combination in vitro. By coating technical surfaces with extracted wheat wax or with wax components it was possible to transfer the surface properties of the natural surface. The process of thermal evaporation allowed a homogenous coating of the substrates, so that uniform wettability was achieved. Five different test systems were produced. By recrystallizing the wheat wax extract, both the chemical properties and the wetting properties of the leaf surface were mimicked for the first time. The wax recrystallized in three dimensional structures, so that the surface of the test system was as hydrophobic as that of the wheat leaf. By the recrystallization of the pure substance 1-octacosanol it was also possible to create the same wettability on the artificial surface as on the leaf. The pure substance formed platelets, which underlines the structure-giving function of this wax component. With this test system, a surface was available that reflected the natural wettability independently of the wax chemistry. For the production of two further test systems 1-octacosanol was recrystallized together with 1-hexacosanal and 1-octacosanal respectively. These test systems enabled the signal function of the aldehydes to be investigated with a wettability comparable to that of the wheat leaves. To study the influence of the wax chemistry alone, extracted wheat wax was recrystallized from the melt. This test system did not exhibit any three-dimensional structures, so that the wettability of this test system was far above than that of a wheat leaf. Finally the different test systems were inoculated with powdery mildew, to study the development of the fungus. Germination and differentiation were not stimulated on any of the test systems. Neither hydrophobicity, nor wax chemistry, nor the aldehydes, nor the combination of these parameters could be identified as crucial signals for germination development. It remains open, which signals of the plant surface initiate the formation of the infection structures of B. graminis. By modifying the test systems, the signal character of further properties of the plant surface can be tested.