Charakterisierung der Sensitivität von Zymoseptoria tritici gegenüber Demethylierungsinhibitoren in Europa

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URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-18918
URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2021/1891/

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SWD-Schlagwörter:		Pflanzenschutz , Fungizid , Septoria tritici , Resistenz
Freie Schlagwörter (Deutsch):		Demethylierungsinhibitoren
Freie Schlagwörter (Englisch):		Zymoseptoria tritici , demethylation inhibitors , fungicide resistance , plant protection
Institut:		Institut für Phytomedizin
Fakultät:		Fakultät Agrarwissenschaften
DDC-Sachgruppe:		Landwirtschaft, Veterinärmedizin
Dokumentart:		Dissertation
Hauptberichter:		Vögele, Ralf T. Prof. Dr.
Sprache:		Englisch
Tag der mündlichen Prüfung:		16.03.2021
Erstellungsjahr:		2021
Publikationsdatum:		07.06.2021
Lizenz:		Veröffentlichungsvertrag mit der Universitätsbibliothek Hohenheim
Kurzfassung auf Englisch:		The fungal pathogen Zymoseptoria tritici (formerly Septoria tritici) causes Septoria tritici blotch (STB), one of the most yield reducing diseases of wheat worldwide. In addition to cultural control measures and the cultivation of wheat varieties with a level of disease resistance, STB control relies heavily on the application of foliar fungicides with different modes of action. The demethylation inhibitors (DMIs) have been one of the most widely applied fungicides for many decades and belong to one of the most important fungicide modes of action in STB management. DMIs inhibit the sterol 14α-demethylase, an essential enzyme in the ergosterol biosynthesis pathway, encoded by the CYP51 gene of fungi. Widespread and intensive use of the DMIs over time has led to a continuous negative shift in the sensitivity of Z. tritici towards DMIs that have been used for a long time. This shift in sensitivity is mainly driven by the accumulation of mutations in the CYP51 gene resulting in the selection of various CYP51 haplotypes. More recently, CYP51 overexpression and an increased efflux activity, based on the overexpression of the MFS1 transporter, have been shown to be additional mechanisms affecting DMI sensitivity of Z. tritici. Inserts in the CYP51 promotor (CYP51p) and MFS1 promotor (MFS1p) were observed to be responsible for CYP51 and MFS1 overexpression. The prevalence and contribution of different DMI resistance mechanisms to a reduced DMI sensitivity of Z. tritici were investigated in isolates from across Europe in 2016 and 2017. The CYP51 gene of all isolates was sequenced and the CYP51p and MFS1p was investigated for inserts in order to determine the character of the CYP51 haplotypes as well as to identify CYP51 overexpression or if an increased efflux activity was occurring in these isolates. Overall, it was shown that the occurrence of CYP51 haplotypes was still the most frequent and important mechanism conferring a reduction in sensitivity to DMIs by Z. tritici in Europe. Nevertheless, an increase in the frequency of isolates exerting CYP51 overexpression and those exhibiting increased efflux activity was observed compared to earlier studies. Glasshouse data demonstrated that DMIs can still contribute to disease control, and in some cases give full control, of STB even if isolates expressed CYP51 overexpression and/or an increased efflux in addition to also carrying moderately or highly adapted CYP51 haplotypes. However, in order to prevent the further increase and spread of further adapted CYP51 haplotypes plus additional resistance mechanisms in the Z. tritici population across Europe, anti-resistance-management strategies should be a high priority in the use of DMIs. In addition, especially integrated disease management strategies, such as the appropriate choice of cultivars, should be applied in order to keep STB disease pressure low and consequently reduce the number of fungicide applications. Moreover, resistance-management strategies may exploit the limited cross-resistance between different DMIs, for example, by the use of mixtures or alternation of different DMI fungicides. However, control strategies should also incorporate the use of fungicides with different MOAs. The aim of all these strategies is to reduce selection of adapted Z. tritici isolates and consequently to prolong the efficacy of DMIs in STB management.
Kurzfassung auf Deutsch:		Der pilzliche Schaderreger Zymoseptoria tritici verursacht die Septoria-Blattdürre (STB) an Weizen, eine der wichtigsten Krankheiten hinsichtlich der Ertragsreduktion im Weizenanbau. Neben ackerbaulichen Maßnahmen und dem Anbau von Weizensorten mit geringerer Krankheitsanfälligkeit, beruht die Kontrolle dieses Pathogens überwiegend auf der Anwendung von blattaktiven Fungiziden mit unterschiedlichen Wirkmechanismen. In den letzten Jahrzenten stellten hierbei die Demethylierungsinhibitoren (DMIs) eine der meist genutzten Fungizidklassen dar. Bis heute kommt den DMIs noch immer eine große Bedeutung in der Bekämpfung von Z. tritici zu. DMIs inhibieren die Sterol 14α-Demethylase, ein wichtiges Enzym im Sterolbiosyntheseweg von Pilzen, welches durch das CYP51 Gen kodiert wird. Die langanhaltende und intensive Nutzung führte zu einer kontinuierlichen Sensitivitätsreduktion von STB gegenüber DMIs, die über einen langen Zeitraum genutzt wurden. Diese Sensitivitätsverschiebung beruht hauptsächlich auf der Akkumulation von Mutationen im CYP51 Gen. Hieraus wurden in der Vergangenheit zahlreiche CYP51 Haplotypen selektiert. Zusätzlich wurde in den letzten Jahren berichtet, dass eine CYP51 Überexpression und gesteigerte Effluxaktivität, die auf der Überexpression des MFS1 Membrantransporters beruht, die DMI-Sensitivität von STB beeinflussen. Die Überexpression wird hierbei durch Insertionen in der Promotorregion des CYP51 (CYP51P) und MFS1 (MFS1P) Gens hervorgerufen. In der vorliegenden Arbeit wurde das Vorkommen unterschiedlicher DMI-Resistenzmechanismen in Z. tritici in den Jahren 2016 und 2017 über Europa untersucht. Der Effekt unterschiedlicher Mechanismen auf die DMI Anpassung von STB wurde analysiert. Um die CYP51 Haplotypen zu bestimmen, wurde das CYP51 Gen von allen Isolaten sequenziert. Zusätzlich wurde die CYP51P sowie MFS1P Region auf Insertionen untersucht, um eine CYP51 Überexpression sowie gesteigerte Effluxaktivität zu identifizieren. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass das Auftreten von verschiedenen CYP51 Haplotypen noch immer den häufigsten und wichtigsten DMI-Resistenzmechanismus in Z. tritici in Europa darstellt. Im Vergleich zu früheren Studien wurde jedoch ein Anstieg in der Häufigkeit von Isolaten mit CYP51 Überexpression oder mit gesteigerter Effluxaktivität beobachtet. Sensitivitätsstudien im Gewächshaus zeigten, dass DMIs noch immer zu einer STB Kontrolle beitragen oder die Krankheit in manchen Fällen komplett kontrollieren können, auch wenn Isolate moderat oder stark angepasste CYP51 Haplotypen und/oder CYP51 Überexpression, sowie eine gesteigerte Effluxaktivität zeigten. Um eine weitere Verbreitung von immer stärker angepassten CYP51 Haplotypen und zusätzlichen DMI-Resistenzmechanismen in Europa zu verhindern, sollten Antiresistenz-Strategien in der Anwendung von DMIs eine große Bedeutung zukommen. Vor allem sollten ebenfalls die Prinzipien des integrierten Pflanzenschutzes, wie z.B. eine geeignete Sortenwahl beachtet werden, um den STB-Krankheitsdruck und somit die Anzahl der Fungizidapplikationen zu verringern. Des Weiteren könnten Resistenzmanagement-Strategien auf der begrenzten Kreuzresistenz zwischen verschiedener DMIs beruhen, zum Beispiel durch die Anwendung von Mischungen oder der Alternierung verschiedener DMI Fungizide. Zudem sollten Fungizide mit anderen Wirkmechanismen in die Bekämpfungsstrategie einbezogen werden. Das Ziel all dieser Maßnahmen ist es die Selektion angepasster Z. tritici Isolate zu vermindern und somit die Effizienz der DMIs in der STB-Bekämpfung zu verlängern.

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