Genetische und physiologische Einflußfaktoren sowie deren Wechselwirkungen auf die Trichothecenbildung bei Roggen, Triticale und Weizen nach Inokulation mit Fusarium culmorum (W. G. Sm.) Sacc.

Abstract

Fusarium culmorum causes specific hazards of cereal quality by the producion of trichothecenes. Prophylaxis by plant breeding can be highly effective. The aim of this study was to investigate the accumulation of trichothecenes in cereals with regard to host and fungal genotype, to physiological factors and the resulting interactions. To determine the effects of 6 environments (E), 2 inoculation dates (ID), 2 fungal isolates (I), and 5 conidia concentrations (C) and their interactions, field trials with up to 12 rye, 6 triticale, and 8 wheat genotypes (G) were conducted in 1995-1997. Kinetics of trichothecene in the heads were described with 6 harvest dates (H) in 2 host genotypes each. In a growth chamber, 2 levels of temperature (T) and 2 of relative humidity (R) were investigated by using 2 host genotypes each. Average deoxynivalenol (DON) accumulation of rye, triticale, and wheat was 41, 46, and 82 mg kg-1, respectively. Genotypes differed significantly in rye and wheat. In all cereal species, GxE interactions were important. In wheat, DON content was highly correlated to all resistance traits, whereas in rye only a tight correlation existed to the relative specific grain weight. In triticale and wheat, inoculation at full anthesis resulted in higher DON contents than inoculation at heading. In rye, no effect of inoculation date was found. In contrast, GxID interaction was significant in rye. The nivalenol (NIV) producing isolate led to lower trichothecene contents than the DON producing isolate. This effect was found to be significant only in rye and triticale. Significant GxI interactions occurred in wheat only. Even one week after inoculation, considerable DON concentrations could be obtained in harvested heads, especially in wheat. Maximum DON contents were observed between 3 and 6 weeks after inoculation (in wheat: partially above 300 mg kg-1). NIV contents were always lower than DON contents. Until full ripening, DON contents slightly decreased, whereas NIV contents increased continuously. HxE and HxI interactions were most important. Trichothecene content in chaff and spindles was 2-4 fold higher than in the respective kernels at 6 and 8 weeks after inoculation. With higher conidia concentrations, increasing contents of DON+3-Acetyl-DON were measured. GxC interactions were highly significant. Highest heritabilities were found in the upper concentration levels. When the relative humidity was high, trichothecene concentrations of kernels were superior. With the temperature, an inverse effect was obtained. It seems that GxT interaction contributed most to GxE in rye and wheat, in triticale also the GxR interaction. In conclusion, assisting resistance traits may replace an expensive quantification of trichothecenes in early generations. In advanced generations, tests should be conducted in several environments with high conidia concentrations, and a toxin analysis should be carried out directly.

Eine besondere Gefahr für die Getreidequalität durch Fusarium culmorum besteht in der Bildung von Trichothecenen. Die Prophylaxe durch pflanzenzüchterische Maßnahmen kann in hohem Maße effektiv sein. Ziel dieser Arbeit war es, die durch Fusarium culmorum verursachten Trichothecengehalte bei Getreide in Abhängigkeit von Wirts- und Erregergenotyp, von physiologischen Faktoren sowie deren Interaktionen zu untersuchen. In Feldversuchen mit bis zu 12 Roggen-, 6 Triticale- und 8 Weizen-Genotypen (G) wurden 1995-1997 die Einflüsse von 6 Umwelten (U), 2 Inokulationsterminen (IT), 2 Pilzisolaten (I) und 5 Konidiendichten (K) und ihre Interaktionen untersucht. Bei je 2 Wirtsgenotypen mit 6 Ernteterminen (E) wurde die Trichothecen-Kinetik in den Ähren nachgezeichnet. Bei je 2 Wirtsgenotypen wurde der Effekt von 2 Temperatur-(T) und 2 Luftfeuchtigkeitsstufen (L) in der Klimakammer untersucht. Die Deoxynivalenol-(DON-)Akkumulation betrug im Mittel bei Roggen, Triticale und Weizen 41, 46 bzw 82 mg kg-1. Die genotypischen Effekte waren bei Roggen und Weizen signifikant. Bei allen Getreidearten ergaben sich bedeutende GxU-Interaktionen. Der DON-Gehalt korrelierte bei Weizen mit allen Resistenz-merkmalen, bei Roggen nur mit der Relativen Spezifischen Kornmasse. Die Inokulation zur Vollblüte bewirkte bei Triticale und Weizen höhere DON-Gehalte als die Inokulation zum Ährenschieben. Bei Roggen war kein Effekt des Inokulationstermins nachweisbar, dafür war die GxIT-Interaktion signifikant. Das Nivalenol-(NIV-)bildende Isolat führte zu geringeren Trichothecengehalten als das DON-bildende. Dieser Effekt war nur bei Roggen und Triticale signifikant; bei Weizen trat dagegen eine signifikante GxI-Interaktion auf. Bereits eine Woche nach der Inokulation konnten zum Teil erhebliche DON-Konzentrationen in den geernteten Ähren nachgewiesen werden, insbesondere bei Weizen. 3 bis 6 Wochen nach der Inokulation wurden maximale DON-Gehalte erreicht (bei Weizen bis über 300 mg kg-1). Die NIV-Gehalte lagen stets unterhalb der DON-Gehalte. Zur Reife hin sanken die DON-Gehalte etwas ab, die NIV-Gehalte nahmen jedoch weiter zu. Am bedeutendsten waren die ExU- sowie die ExI-Interaktionen. Der Trichothecengehalt in der Spreu, bestimmt zu den letzten zwei Terminen, war zwei- bis viermal höher als in den Körnern. Mit zunehmender Konidiendichte wurden ansteigende Gehalte an DON plus 3-Acetyl-DON bestimmt. Es ergaben sich hoch signifikante GxK-Interaktionen. Die höchsten Heritabilitäten lagen bei den hohen Konidiendichten vor. Die hohe Luftfeuchtigkeit bedingte höhere Trichothecengehalte im Korn; beim Faktor Temperatur war es umgekehrt. Bei Roggen und Weizen scheint die GxT-Interaktion zu den hohen GxU-Interaktionen beizutragen, bei Triticale zusätzlich die GxL-Interaktion. In frühen Züchtungsstadien können geeignete Hilfsmerkmale eine teure Trichothecen-bestimmung bei der Selektion ersetzen. In fortgeschrittenen Generationen sollten jedoch Prüfungen in mehreren Umwelten bei Inokulationen mit hohen Konidiendichten und direkter Toxinanalyse erfolgen.