Μοριακή ταυτοποίηση, αξιολόγηση παθογένειας και βιοσύνθεσης φουμονισινών διαφόρων στελεχών των μυκήτων Fusarium proliferatum και Fusarium verticillioides σε γενετικό υλικό καλαμποκιού

Abstract

Οι μύκητες Fusarium proliferatum και F. verticillioides προκαλούν σήψεις σπαδίκων στην καλλιέργεια του αραβόσιτου, ενώ παράλληλα παράγουν φουμονισίνες, μυκοτοξίνες με καρκινογόνο δράση και ιδιαιτέρως επιβλαβείς για την άνθρωπο και τα ζώα. Η εξέλιξη της μόλυνσης από τα διάφορα είδη Fusarium spp. και η παραγωγή φουμονισινών ξεκινά όταν οι σπόροι του καλαμποκιού βρίσκονται στη φυσιολογική τους ωρίμανση και αυξάνεται μέχρι το στάδιο της συγκομιδής. Ένας από τους αποτελεσματικότερους τρόπος αντιμετώπισης των μυκήτων αυτών και μείωσης των αρνητικών επιπτώσεων των φουμονισινών είναι η καλλιέργεια ανθεκτικών υβριδίων. Οι στόχοι της παρούσας μελέτης ήταν να γίνει α) αξιολόγηση γενετικού υλικού καλαμποκιού για την επιλογή ανθεκτικών ή ανεκτικών υβριδίων ως προς τη μόλυνση τους από τους μύκητες F. verticillioides και F. proliferatum και την παραγωγή φουμονισινών, και β) χαρακτηρισμός διαφόρων ελληνικών στελεχών Fusarium spp. τα οποία απομονώθηκαν από φυτά καλαμποκιού ως προς τη μολυσματικότητα και παραγωγή φουμονισινών τους. Προκαταρτικά πειράματα παθογένειας in vitro σε σπόρους καλαμποκιού έδειξαν σημαντική μείωση συμπτωμάτων σήψης σε μερικά υβρίδια, καθώς και μείωση παραγωγής κονιδίων και φουμονισινών μετά από μόλυνση με μίγμα τεσσάρων διαφορετικών στελεχών F. verticillioides και F. proliferatum. Μετά την ολοκλήρωση των in vitro πειραμάτων, έγινε επιλογή 30 υβριδίων με μειωμένα ποσοστά σοβαρότητας ασθένειας, μειωμένη παραγωγή κονιδίων και φουμονισινών τα οποία καλλιεργήθηκαν σε πειραματικό αγρό του ΓΠΑ. Οι σπάδικες των υβριδίων μολύνθηκαν με αιώρημα κονιδίων τεσσάρων διαφορετικών στελεχών F. verticillioides και F. proliferatum, κατά τη διάρκεια του μεταξώματος. Η αξιολόγηση των συμπτωμάτων και η επιμόλυνση με φουμονισίνες πραγματοποιήθηκε στο τέλος της καλλιεργητικής περιόδου. Τα αποτελέσματα της σοβαρότητας της ασθένειας έδειξαν σημαντική παραλλακτικότητα στις μολύνσεις από 10% ως 75% ενώ τα αποτελέσματα της βιοσύνθεσης φουμονισινών οδήγησε στην επιλογή 10 υβριδίων τα οποία παρήγαγαν σημαντικά μειωμένα επίπεδα φουμονισινών, από 235-545 ppm. Σε μια περαιτέρω προσπάθεια να βρεθούν ελληνικά στελέχη Fusarium spp. από καλλιέργειες καλαμποκιού, μολυσμένοι σπόροι από αγρούς της Θεσσαλίας συλλέχθηκαν και δημιουργήθηκε μια συλλογή 45 απομονώσεων. Τα στελέχη ταυτοποιήθηκαν μοριακά με τη χρήση εκκινητών που ενίσχυαν δύο διαφορετικούς γενετικούς τόπους, του γονιδίου της καλμοντουλίνης (CAM) και του μεταφραστικού παράγοντα επιμήκυνσης (EF). Τα αποτελέσματα της μοριακής και φυλογενετικής ανάλυσης έδειξαν ότι όλα τα στελέχη ανήκουν στο είδος F. verticillioides, με ένα στέλεχος (Ε24) να διαφοροποιείται αρκετά από τα υπόλοιπα στελέχη. Για τη διερεύνηση της παραλλακτικότητας των διαφόρων ελληνικών απομονώσεων επιλέχθηκαν δύο ανεκτικά υβρίδια καλαμποκιού στην παραγωγή φουμονισινών από F. verticillioides και πραγματοποιήθηκαν πειράματα παθογένειας που έδειξαν σημαντική παραλλακτικότητα ως προς τη σοβαρότητας της ασθένειας, την παραγωγή κονιδίων και φουμονισινών. Τα ευρήματα της παρούσας μελέτης οδήγησαν: α) στην επιλογή ανεκτικών ποικιλιών καλαμποκιού στις επιμολύνσεις από φουμονισίνες από μύκητες του γένους F. verticillioides και F. proliferatum και β) στη δημιουργία της πρώτης ελληνικής συλλογής 45 απομονώσεων F. verticillioides από καλλιέργειες καλαμποκιού που έδειξε σημαντική παραλλακτικότητα ως προς τη μολυσματικότητα και την παραγωγή φουμονισινών.

Elucidation of the interactions between the mycotoxigenic fungi Fusarium proliferatum - Fusarium verticillioides and maize germplasm Fusarium verticillioides and Fusarium proliferatum cause ear and grain rots and produce the carcinogenic mycotoxins fumonisins in maize that are very harmful to human and animal health. Fusarium infection and fumonisin contamination occur as maize kernels reach to physiological maturity, and increase during the season up to the average harvest date. A major strategy to control these pathogens and to reduce the detrimental effects of fumonisins is breeding of less susceptible plant genotypes. The objectives of the current study were to characterize at species level different Fusarium species isolated form maize plants in Greece and to evaluate a number of hybrid lines after infection with a mixture of four different F. verticillioides and F. proliferatum strains. The goal was to collect data on disease incidence and severity and fumonisin production and if there is a positive association between visible symptoms caused by Fusarium infection and mycotoxin concentration. In in vitro experiments of corn kernels infections, a number of hybrids showed a significant reduction in symptom development and in conidia and fumonisins production by the mixture of the four different Fusarium strains. The hybrids that showed significant resistance are currently evaluated in field trials and at molecular level to investigate if genes involved in plant defenses are activated. A better understanding of the resistance mechanisms would facilitate the implementation of strategic agriculture to breeding of resistant germplasm and to contribute to reduction of ear rot and production of fumonisins in maize.