4.65.7.2 Způsoby infekce a genetika rezistence
Fusarium culmorum přežívá jako saprofyt v půdě nebo na zbytcích plodin jako parazit, kde houba produkuje makrokonidie, které jsou primárním zdrojem inokula pro choroby FHB a hnilobu klasů. Makrokonidie se usazují na kukuřičném hedvábí nebo na kvítcích malých obilovin větrem nebo deštěm a k infekci dochází přímým průnikem hyf do rostlinného pletiva nebo přes průduchy. Patogen se může přenášet také systémově z infikovaných semen. Počáteční usazení patogenu na povrchu hostitele je ovlivněno vlhkostí a teplotou v místě infekce. Adheze spor a tvorba zárodečných trubic jsou optimální při teplotě 15 °C.
Makrokonidie klíčí mezi 6 a 24 h na vnitřním povrchu lemu, glume, palea a na vaječníku pšenice. Dva dny po inokulaci houba vytváří hustou myceliální hmotu a penetrační hyfy, které přímo pronikají do epidermálních buněk. V pšeničných kláskách dochází k hydrolytické degradaci kutikul, pektinů ve střední lamele a polysacharidů buněčné stěny houbou F. culmorum. Kromě toho patogen ukládá do tkání hostitele nespecifické toxiny včetně DON, NIV a ZEN. DON je fytotoxický a zvyšuje závažnost choroby u pšenice a pravděpodobně i u kukuřice a ječmene.5 Biosyntéza DON je indukována rostlinnými polyaminy, ROS nebo osmotickým stresem prostřednictvím signalizace kaskády MAPK. Po proniknutí do kvítků pšenice hyfy krátkou dobu biotrofně rostou v mezibuněčných prostorech. Patogen se šíří inter- a intracelulárně směrem k nodům rachily/rachisu a kolonizuje pletiva cévního a kortikálního parenchymu. Nakonec houba napadá neinfikované hroty. Kolonizace probíhá na kláskách/jádrech i v epidermálních buňkách, na semenných obalech a epikutikulárních buňkách.
Toxin přímo interaguje s membránami rostlinných buněk, cytoplazmatickými organelami a ribozomální peptidyl transferázou (Rpl3), což vede k buněčné smrti. Během kolonizace houbou se DON přenáší z kontaminovaných pletiv do sousedních zdravých pletiv a způsobuje poškození buněk a uvolnění živin včetně aminokyselin, mastných kyselin, cukrů a iontů, které houba využívá a posiluje své šíření z klásku směrem k pletivu v pšenici.
Po svém počátečním usazení v kukuřičném hedvábí se F. culmorum se mycelium šíří vnitřně i zevně na hedvábí a roste směrem ke klasu, kde kolonizuje zrna a mezizrnné prostory.
Fusarium culmorum je také příležitostným původcem hnědé hniloby patky, kořenové hniloby a choroby padlí semenáčků pšenice a ječmene, zejména v oblastech s nízkými až středními srážkami. Infekce sazenic může být iniciována z kontaminovaného osiva nebo z půdních inokul. V druhém případě mohou penetrační hyfy pronikat přes stomata na hypokotylech a šířit se směrem ke kořenům, výhonům a koleoptile, kde dochází ke kolonizaci jako parazit, která může vést k úhynu sazenic.
Rostliny využívají fyzikální a biochemické bariéry, aby odolaly infekci. Během reakcí na onemocnění nebo rezistenci dochází k rozsáhlé vzájemné komunikaci mezi složkami patogenu a rostliny. Odolnost vůči F. culmorum zahrnuje více znaků. Bylo popsáno pět typů rezistence u pšenice (typy I, II, III, IV a V) a dva typy rezistence u kukuřice (jádrová a hedvábná).6 Na různých úrovních interakce mezi patogenem a hostitelem byly identifikovány četné komponenty a molekulární mechanismy zapojené do rezistence vůči F. culmorum indukované FHB nebo hnilobě klasu. Komponenty zapojené do rezistence vůči FHB/hnilobě klasů mohou být preformované nebo konstitutivně produkované (fytoanticipanty) nebo mohou být indukovány při infekci patogenem a zahrnují: inhibitory klíčení spor, komponenty buněčné stěny, malé antifungální proteiny a peptidy a enzymy, které inhibují funkci houby.
Složení buněčné stěny rostlin hraje důležitou roli v obranných mechanismech, které brání pronikání houby nebo šíření hyf (rezistence typu I). V reakci na napadení patogeny mohou být vlastnosti buněčné stěny změněny nahromaděním kalózy, fenolických sloučenin, ligninů nebo strukturních proteinů, které přispívají k obranné reakci. Thioniny a glykoproteiny bohaté na hydroxyprolin (HRGP) se hromadí v rezistentní pšenici po inokulaci F. culmorum a jsou lokalizovány v buněčných stěnách infikovaných pletiv. Akumulace flavonoidů v testech ječmene inhibuje šíření houby a tvorbu makrospor a u rezistentních/tolerantních genotypů pšenice byla pozorována vyšší akumulace benzoxazinoidů, kyseliny ferulové a kyseliny p-kumarové. Testy in vitro ukázaly, že fenolické látky blokují růst hub.
Odolnost vůči šíření choroby (rezistence II. typu) souvisí s ukládáním 1,3-beta glukanů v pšenici na z papil. Akumulace PR proteinů byla pozorována po inokulaci pšenice Triticum kiharae F. culmorum. Testy in vitro se surovými extrakty semen T. kiharae prokázaly antifungální aktivitu vůči F. culmorum, což naznačuje, že tento druh by mohl být užitečným zdrojem pro šlechtění rezistence.
Puroindoliny, nízkomolekulární proteiny bohaté na cystein, které se nacházejí v semenech pšenice, interagují s buněčnými stěnami hub a snižují jejich růst in vitro. Signální molekuly, JA a ET, přenášejí zprávy související s obranou do distálních částí z infikovaných pletiv, což vede k širokospektré odolnosti vůči nekrotrofním patogenům. U Arabidopsis poskytují dva geny širokospektré bazální rezistence (NRP1 a EDS11) květní rezistenci proti F. culmorum a snižují akumulaci DON. Přídavek etrelu (prekurzoru ET) inhiboval růst, sporulaci a klíčení spor F. culmorum v semenech pšenice.
Toxiny produkované F. culmorum (především DON, NIV a ZEN) během patogeneze mají cytotoxické účinky na rostliny, člověka a zvířata. DON je faktorem virulence choroby FHB, což vede ke zvýšenému růstu houby.7 Vývoj plodin odolných vůči toxinům se schopností detoxikace je strategií pro zvýšení odolnosti vůči F. culmorum. U pšenice, kukuřice a ječmene existují různé mechanismy pro snížení množství toxinu, včetně konjugace s glukózou a interference biosyntézy toxinu. Protože syntéza trichothecenu zahrnuje řadu oxygenačních reakcí, mohou různé sekundární metabolity rostlinného původu s antioxidačními účinky, jako jsou fenolické sloučeniny a karotenoidy, snížit akumulaci toxinů. Další mechanismy redukce/detoxikace trichothecenu, jako je acetylace, eflux a depoxidace, nebyly u obilovin zjištěny, ale byly popsány u jiných organismů. Některé z těchto genů byly izolovány a exprimovány v obilovinách za účelem snížení hladiny toxinů
.