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Teilprojekt E, Teilprojekt C

Detoxification von Mykotoxinen in Hefe - Phase II

Pflanzenpathogene Pilze der Gattung Fusarium verursachen agronomisch bedeutende Krankheiten auf Getreide. Zusätzlich zur Ertragsminderung kommt es dabei zur Kontamination des Erntegutes mit Mykotoxinen. Für die wichtigsten Fusarium-Toxine, das als Proteinbiosynthese-Inhibitor wirkende Deoxynivalenol (DON) und das stark östrogen wirksame Zearalenon (ZON), sind nun nach toxikologischer Evaluierung EU-weite gesetzliche Maximalwerte in Vorbereitung. Die im Feld vom Pilz gebildeten Metaboliten stellen eine Gesundheitsgefährdung für Tier und Mensch dar. Allerdings sind pflanzliche und tierische Zellen (und wahrscheinlich der toxinproduzierende Pilz selbst) in gewissem Ausmaß imstande, die Mykotoxine in ungiftige Konjugate überzuführen. In diesem Projekt sollen die beteiligten Entgiftungsenzyme, die UDP-Glucuronosyl-transferasen (UGT) und Sulfotransferasen (SULT) charakterisiert, sowie die gebildeten Mykotoxin-Konjugate mittels instrumenteller Analysenverfahren untersucht werden. Ziel des Projektes ist es, Bäckerhefe genetisch so zu verändern, dass die Detoxifikationsaktivität von exprimierten UGT- oder SULT-Kandidatengenen phänotypisch beobachtet werden kann, entweder in Form von Wachstum auf gifthältigem Medium, oder mithilfe von geeigneten östrogen-regulierten Reportergenen. Da die Säuger-UGTs im Lumen des endoplasmatischen Retikulums lokalisiert sind und Hefe das Ko-Substrat UDP-Glucuronsäure (UDP-GlcUA) nicht bilden kann, muss allerdings zuerst die Fähigkeit zur Biosynthese von UDP-GlcUA und möglicherweise auch jene zum effizienten Transmembran-Transport bereitgestellt werden. Derartige Stämme und solche, die das Sulfotransferase-Kosubstrat PAPS ('aktives Sulfat') effizient bereitstellen, sollen als Wirtszellen für die funktionelle Expression von humanen bzw. tierischen UGTs, sowie von tierischen und pflanzlichen SULTs dienen. Auch im Genom von Fusarium graminearum identifizierte UGT bzw. SULT-Gene sollen getestet werden. Neben der funktionellen Charakterisierung von heterologen UGT und SULT Genen soll auch getestet werden, ob sich endie hergestellten Hefestämme als Bioreaktoren zur Herstellung von Mykotoxinkonjugaten verwendet werdeneignen. Diese sind als Referenzsubstanzen für die Entwicklung von Analysenmethoden wichtig. Wenn es gelingt, die fremden Entgiftungsenzyme funktionell in Hefe zu rekonstituieren, hätte dies Bedeutung weit über den Aspekt der Mykotoxine hinaus. Ein Satz von Hefestämmen, die jeweils nur ein Detoxifikationsgen exprimieren, wäre generell für das Studium des Metabolismus von Medikamenten und anderen Substanzen sehr nützlich.

Teilprojekt C, Teilprojekt B

SaatMaisPlus: Entwicklung nicht-chemischer Saatgutbehandlungsverfahren zur Kontrolle samen- und bodenbürtiger Pathogene an Mais, Teilprojekt 5

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung nicht-chemischer Saatgutbehandlungsverfahren, die sowohl samenbürtige als auch bodenbürtige Pathogene von Mais erfassen. Um dies zu erreichen, soll die Saatgutbehandlung mit Mikroorganismen mit dem physikalischen Verfahren der Elektronenbeizung kombiniert werden. Dazu muss einerseits das Verfahren der Elektronenbeizung an das Maissaatgut angepasst werden, andererseits müssen Mikroorganismen gefunden werden, die nach Applikation an das Saatgut eine Wirksamkeit gegen die genannten Pathogene besitzen. Die Wirksamkeit der Einzelverfahren bzw. ihrer Kombinationen soll in Gewächshaus- und Feldversuchen charakterisiert werden. Mit molekularen Methoden soll der Gehalt und die Verteilung der Fusarien in der Maispflanze unter dem Einfluss der Behandlungen untersucht werden. In weiteren Laborversuchen sollen die antagonistischen Mikroorganismen hinsichtlich Eigenschaften, die für die Wirksamkeit wichtig sind, wie das Wurzelbesiedlungsvermögen, charakterisiert werden.

Fusarium-Toxine bei Obst, Gemuese und Kartoffeln

Ueber fusarium-Toxine, die von Pilzen der gattung fusarium im Normalen Stoffwechsel gebildet werden koennen und die fuer Mensch und Tier hoch toxisch sind, bestehen keine Ausreichenden Erfahrungen. Mit der Vorgenannten Forschungsarbeit soll, in enger Zusammenarbeit mit anderen Instituten, die bei Obst, Gemuese und Kartoffeln in Deutschland haeufig Vorkommenden fusarien sowie eventl. Verwandte Gattungen auf ihre Faehigkeit zur Bildung von Toxinen Ueberprueft werden. Die Forschungsarbeit soll sich ueber 3 Jahre Erstrecken, um auch gewisse Einfluesse des Klimas beim Natuerlichen befall von fusarien an Ernteguetern der Genannten Art Beruecksichtigen zu koennen.

Entwicklung von Hybridroggen mit Resistenz gegen Aehrenfusarium und Toxinakkumulation

Aehrenfusariosen sind 1998 in teilweise verheerender Befallsstaerke bei allen Getreidearten aufgetreten und fuehrten zu erheblichen Ertragsverlusten. Ursache dafuer waren neben guenstiger Witterung die hohe Anfaelligkeit weitverbreiteter Sorten. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Ausgangsmaterial fuer die Zuechtung fusariumresistenter Hybridroggensorten, die nur geringe Mykotoxingehalte im Erntegut aufweisen sowie die Ermittlung quantitativ-genetischer Parameter zur Schaetzung des zu erwartenden Selektionserfolges. Dazu wird die genetische Varianz fuer Resistenz zwischen Inzuchtlinien und deren Testkreuzungsnachkommenschaften im Rahmen einer Rekurrenten Selektion festgestellt. Das Erntegut ausgewaehlter Pruefglieder wird mit einem immunologischen Test auf die Anwesenheit von Mykotoxinen untersucht.

Entwicklung neuer, breitwirkender Fusarium-Resistenzen im Weizen für die speziellen Herausforderungen gegenwärtiger Bioenergie-Fruchtfolgen, Teilvorhaben 1: Erstellung von Elite-Ethanolweizen; NIRS-Analytik

Ausgehend von der EU-Richtlinie 'Erneuerbare Energien' soll in Deutschland bis 2020 u.a. der Anteil von Bioethanol als Benzinersatz stark erhöht werden. Heute kommt es insbesondere in Bioenergiefruchtfolgen zu einer erhöhten Belastung des Weizens mit Fusarium-Pilzen und deren Mykotoxinen, die für Pflanze und Endverbrauchergleichermaßen gefährlich sind. Dadurch ist die Zweitnutzung des Bioethanol-Weizens als Futtermittel gefährdet. Deshalb und bedingt durch das erweiterte Befallsspektrum der Pilze (Blüten- und Wurzelinfektion), ist heute die Entwicklung besser geschützter Weizenpflanzen dringend gefordert. Grundlegend für dieses Projekt ist die Verknüpfung der Genomischen Selektion mit vertieften diagnostischen Phänotypisierungen zur systemischen Krankheitsentwicklung in einem umfangreichen, diversen Weizensortiment. Dieses Sortiment aus weltweitbedeutenden Fusarium-Hotspot-Regionen ist einmalig und lässt ein vielfältiges, neues Resistenzspektrum erwarten, welches hinsichtlich effizienter Resistenzen gegen beide Hauptinfektionswege, Blüte und Wurzel, analysiert werden soll. Zum Projektende sollen neue Resistenzen, sowie Weizenlinien für Wissenschaft, Züchtung und Bioethanolgewinnung zur Verfügung stehen.

Entwicklung neuer, breitwirkender Fusarium-Resistenzen im Weizen für die speziellen Herausforderungen gegenwärtiger Bioenergie-Fruchtfolgen, Teilvorhaben 2: Fusarium-Analysen, Genotypisierung und genomische Selektion

Ausgehend von der EU-Richtlinie 'Erneuerbare Energien' soll in Deutschland bis 2020 u.a. der Anteil von Bioethanol als Benzinersatz stark erhöht werden. Allerdings kommt es heute in Bioenergiefruchtfolgen zu einer erhöhten Belastung des Weizens mit Fusarium-Pilzen und deren Toxinen, die für Pflanze und Endverbraucher gleichermaßen gefährlich sind. Neben dem Ertragsausfall reduziert der Fusarium-Befall die vergärbarer Stärke und somit die Ethanolausbeute/ha. Weizen ist auch durch seine Doppelnutzung interessant, denn bei der Ethanolproduktion fällt Schlempe als hochwertiges Futtermittel an. Die hitzestabilen Toxine aus belastetem Weizen verbleiben allerdings in der Schlempe und verhindern deren optimale Nutzung. Deshalb und bedingt durch das erweiterte Befallsspektrum der Pilze (Blüten-und Wurzelinfektion) ist die Entwicklung besser geschützter Weizenpflanzen dringend gefordert. Grundlegend für dieses Projekt ist die Verknüpfung der Genomischen Selektion mit vertieften diagnostischen Phänotypisierungen zur systemischen Krankheitsentwicklung in einem umfangreichen, diversen Weizensortiment. Dieses Sortiment aus weltweit bedeutenden Fusarium-Hotspot-Regionen ist einmalig und lässt ein vielfältiges, neues Resistenzspektrum erwarten. Dieses soll hinsichtlich effizienter Resistenzen gegen beide Hauptinfektionswege, Blüte und Wurzel, analysiert werden. Zum Projektende sollen neue Resistenzen, sowie Weizenlinien für Bioethanolgewinnung, Züchtung und Wissenschaft verfügbar sein.

Entwicklung neuer, breitwirkender Fusarium-Resistenzen im Weizen für die speziellen Herausforderungen gegenwärtiger Bioenergie-Fruchtfolgen, Teilvorhaben 3: Phänotypisierung Ährenfusarium und Toxin-Analysen

Ausgehend von der EU-Richtlinie 'Erneuerbare Energien' soll in Deutschland bis 2020 der Anteil von Bioethanol als Benzinersatz stark erhöht werden. Allerdings kommt es heute in Bioenergiefruchtfolgen zu steigender Belastung des Weizens mit Fusarium-Pilzen und deren Toxinen, die für Pflanze und Endverbraucher gefährlich sind. Neben dem Ertragsausfall reduziert der Fusarium-Befall die vergärbare Stärke und somit die Ethanolausbeute. Weizen ist durch seine Doppelnutzung interessant, denn bei der Ethanolproduktion fällt Schlempe als hochwertiges Futtermittel an. Die hitzestabilen Toxine verbleiben allerdings in der Schlempe und schränken die Verwertung ein. Aufgrund des erweiterten Befallsspektrums der Pilze (Blüten-und Wurzelinfektion) ist die Entwicklung besser geschützter Weizenpflanzen dringend notwendig. Die Verknüpfung der Genomischen Selektion mit vertieften diagnostischen Phänotypisierungen ermöglicht die Erfassung der systemischen Krankheitsentwicklung. Dieses diverse Weizensortiment aus weltweit bedeutenden Fusarium-Hotspot-Regionen ist einmalig und lässt ein vielfältiges, neues Resistenzspektrum erwarten. Es soll hinsichtlich effizienter Resistenzen gegenüber den Hauptinfektionswegen, Blüte und Wurzel, analysiert werden. Im Rahmen des JKI-Teilprojektes wird die Phänotypisierung der 460 Weizen-Genotypen mit künstlicher Inokulation durchgeführt. Dazu wird das JKI die Fusarium-Isolate, das Infektionsmaterial und die Prüfmethode bereitstellen sowie die Mykotoxinanalyse von belastetem Erntegut vornehmen. Die genetischen Assoziationen mit den Reaktionen des Weizens auf Fusarium-Befall werden zur Entwicklung verbesserter Resistenz- und Toxinmanagementstrategien durch Anwendung der markergestützten Züchtung beitragen. Neue und bekannte Resistenzen werden hinsichtlich ihres Potentials gegen Ähren (FHB)- und Wurzelfusariose (FRR) hinsichtlich Toxin- und Pilzausbreitung entschlüsselt. Zum Projektende werden neue Weizenlinien für Züchtung und Wissenschaft verfügbar sein.

Untersuchungen zu Fruchtfolgen mit Energiepflanzen als ein Beitrag zur Reduktion des Pflanzenschutzmitteleinsatzes im Ackerbau (Phase II), Teilvorhaben 2: Feldversuche und Regionalisierung

An den Standorten Rostock und Göttingen wurden Feldversuche durchgeführt, um Aussagen zu Pflanzenproduktion und Pflanzenschutz bei Fruchtfolgen mit Energiepflanzen treffen zu können. Die Versuche bestehen aus vier Fruchtfolgen, in denen aus den Komponenten Mais, Raps und Winterweizen agronomisch mögliche und sinnvolle Anbaufolgen mit phytomedizinisch unterschiedlichen Risiken gebildet werden. (1) Maisdaueranbau (2) Raps - früher Winterweizen (3) Raps - Grünroggen/Mais - später Winterweizen (4) Raps - früher Winterweizen - Grünroggen/Mais - später Winterweizen. In Getreide und Mais wurden phytomedizinische Untersuchungen zum Befall mit Halmbasiserkrankungen sowie Fusarium durchgeführt. Das Verhalten von infiziertem Gärsubstrat wurde in Batch-Versuchen untersucht. Die Feldversuche wurden hinsichtlich ökonomischer Kennwerte untersucht. Betriebsbefragungen bei 87 überwiegend norddeutschen Landwirten sollten Auskunft geben über Umgang und Einstellung zu Fruchtfolgen mit Energiepflanzen. Die zweijährige Fruchtfolge mit 50Prozent Weizenanteil zeigte die höchsten Befallshäufigkeiten der untersuchten Halmbasiskrankheitserreger im Weizen. Die Eingliederung von Mais in die Fruchtfolge reduzierte signifikant das Befallsgeschehen an der Halmbasis von Weizen. Mais- und Weizenstoppelproben waren zum Teil hochgradig mit Fusariumtoxinen kontaminiert. Dabei zeigte eine Erhöhung des Mais- bzw. Weizenanteils in der Fruchtfolge auch eine Steigerung des DON-Gehalts im Pflanzenmaterial. Das Fusariumtoxin DON hat keinen direkten Einfluss auf den Biogasprozess, aber mit Fusarium befallenes Gärsubstrat zeigte eine um ca. 10Prozent verminderte Gärausbeute. In Rostock erzielte die kurze Fruchtfolge die höchsten Deckungsbeiträge, am Standort Göttingen hingegen die niedrigsten. Hier ist Maisdaueranbau ökonomisch deutlich zu bevorzugen. Die weiteren Fruchtfolgen sind ökonomisch betrachtet jeweils etwa gleich leistungsfähig, in Göttingen allerdings auf einem wesentlich höheren Niveau als in Rostock. Betriebe mit der höchsten Fruchtartendiversität verfügen in der Regel über 15 - 30 Prozent Maisanteil. Damit ist Mais durchaus ein auflockerndes Fruchtfolgeelement. Fruchtfolgen werden eher von größeren als von kleineren Betrieben als Pflanzenschutzinstrument gesehen. Gerade kleinere Betriebe laufen Gefahr bei Betrieb einer Biogasanlage hohe Maisanteile im Anbau zu erreichen. Das Dilemma der Fruchtfolge als Management-Instrument zwischen ackerbaulicher Chance und betriebswirtschaftlicher Notwendigkeit konnte dargestellt werden.

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