4.65.7.2 Modes of Infection and Genetics of Resistance
Fusarium culmorum przeżywa jako saprofit w glebie lub na resztkach pożniwnych jako pasożyt, gdzie grzyb wytwarza makrokonidia, będące podstawowym źródłem inokulum dla chorób typu FHB/ear rot. Makrokonidia są osadzane na jedwabiach kukurydzy lub płatkach zbóż drobnoziarnistych przez wiatr lub deszcz, a do infekcji dochodzi poprzez bezpośrednią penetrację tkanki roślinnej przez hieny lub przez aparaty szparkowe. Patogen może być również przenoszony systemicznie z zainfekowanych nasion. Na początkowe osiedlenie się patogenu na powierzchni żywiciela ma wpływ poziom wilgotności i temperatura w miejscu infekcji. Adhezja zarodników i tworzenie kiełków są optymalne w temperaturze 15°C.
Makrokonidia kiełkują między 6 a 24 godziną w wewnętrznych powierzchniach liści, źdźbeł, ziarniaków i na zalążni pszenicy. Dwa dni po inokulacji grzyb tworzy gęstą masę grzybniową i penetruje strzępki, które wnikają bezpośrednio do komórek epidermy. W kłosach pszenicy dochodzi do hydrolitycznej degradacji kutykul, pektyn w blaszce środkowej oraz polisacharydów ściany komórkowej przez F. culmorum. Ponadto patogen ten wprowadza do tkanek gospodarza nieswoiste toksyny, w tym DON, NIV i ZEN. DON jest fitotoksyczny i zwiększa nasilenie choroby u pszenicy, a być może także u kukurydzy i jęczmienia.5 Biosynteza DON jest indukowana przez poliaminy roślinne, ROS lub stres osmotyczny poprzez sygnalizację kaskady MAPK. Po wniknięciu do floretu pszenicy, w krótkim czasie dochodzi do biotroficznego wzrostu strzępek w przestrzeniach międzykomórkowych. Patogen rozprzestrzenia się między- i wewnątrzkomórkowo w kierunku węzłów rachilla/rachis i kolonizuje tkanki parenchymy naczyniowej i korowej. Ostatecznie grzyb wkracza na niezainfekowane kłosy. Kolonizacja zachodzi na kłosach/jabłkach, a także w komórkach epidermy, na okrywach nasiennych i komórkach epikutykularnych.
Toksyna bezpośrednio oddziałuje z błonami komórek roślinnych, organellami cytoplazmatycznymi i rybosomalną peptydylotransferazą (Rpl3), prowadząc do śmierci komórki. Podczas kolonizacji grzyba, DON jest przenoszony do sąsiednich zdrowych tkanek z tkanek skażonych i powoduje uszkodzenia komórek oraz uwalnianie składników odżywczych, w tym aminokwasów, kwasów tłuszczowych, cukrów i jonów, które są wykorzystywane przez grzyba i wzmacniają jego rozprzestrzenianie się z kłosa w kierunku rachitycznej części pszenicy.
Po początkowym zadomowieniu się w jedwabiu kukurydzy, grzybnia F. culmorum rozprzestrzenia się wewnętrznie i zewnętrznie na jedwabiu i rośnie w kierunku kolby, gdzie kolonizuje ziarna i przestrzenie międzyziarnowe.
Fusarium culmorum jest również przypadkowym czynnikiem powodującym brunatną zgniliznę podstawy źdźbła, zgniliznę korzeni i zgorzel siewek pszenicy i jęczmienia, szczególnie na obszarach o niskich lub średnich opadach deszczu. Zakażenie siewek może być zainicjowane przez zakażone nasiona lub inokulację z gleby. W tym drugim przypadku penetrujące strzępki mogą wnikać przez aparaty szparkowe w hipokotylu i rozprzestrzeniać się w kierunku korzeni, pędów i koleoptyli, gdzie następuje kolonizacja jako pasożyt, która może prowadzić do zamierania siewek.
Rośliny wykorzystują fizyczne i biochemiczne bariery, aby oprzeć się infekcji. Podczas reakcji chorobowych i odpornościowych dochodzi do intensywnych kontaktów między patogenem a składnikami rośliny. Odporność na F. culmorum obejmuje wiele cech. Opisano pięć typów odporności u pszenicy (typy I, II, III, IV i V) oraz dwa typy odporności u kukurydzy (jądro i jedwab).6 Liczne komponenty i mechanizmy molekularne zaangażowane w odporność na F. culmorum indukowaną przez FHB lub zgniliznę kłosów zostały zidentyfikowane na różnych poziomach interakcji pomiędzy patogenem a gospodarzem. Komponenty zaangażowane w odporność na FHB/rozwój liści mogą być preformowane lub konstytutywnie produkowane (fitoantygeny) lub mogą być indukowane podczas infekcji patogenu i obejmują: inhibitory kiełkowania zarodników, składniki ściany komórkowej, małe białka przeciwgrzybicze oraz peptydy i enzymy hamujące funkcje grzyba.
Skład ściany komórkowej roślin odgrywa ważną rolę w mechanizmach obronnych, które hamują penetrację grzyba lub rozprzestrzenianie się hyfusów (odporność typu I). W odpowiedzi na atak patogenu, właściwości ściany komórkowej mogą być zmienione przez akumulację kalozy, związków fenolowych, lignin lub białek strukturalnych, które przyczyniają się do odpowiedzi obronnej. Tioniny i glikoproteiny bogate w hydroksyproliny (HRGP) gromadzą się w odpornej pszenicy po inokulacji F. culmorum i są zlokalizowane w ścianach komórkowych zainfekowanych tkanek. Akumulacja flawonoidów w ziarnie jęczmienia hamuje rozprzestrzenianie się grzyba i tworzenie makrospor, a akumulacja benzoksazinoidów, kwasu ferulowego i kwasu p-kumarowego była wyższa w odpornych i tolerancyjnych genotypach pszenicy. Testy in vitro wykazały, że fenole blokują wzrost grzyba.
Odporność na rozprzestrzenianie się choroby (odporność typu II) związana jest z odkładaniem się 1,3-beta glukanów w pszenicy na brodawkach. Akumulację białek PR obserwowano po inokulacji pszenicy Triticum kiharae przez F. culmorum. Testy in vitro z surowymi ekstraktami z nasion T. kiharae wykazały aktywność przeciwgrzybiczą wobec F. culmorum, wskazując, że gatunek ten może być użytecznym źródłem do hodowli odpornościowej.
Puroindoliny, niskocząsteczkowe, bogate w cysteinę białka występujące w nasionach pszenicy oddziałują ze ścianami komórkowymi grzybów i ograniczają ich wzrost in vitro. Cz±steczki sygnałowe, JA i ET, przekazuj± wiadomo¶ci zwi±zane z obron± do dystalnych czę¶ci zainfekowanych tkanek, co skutkuje szerokim spektrum odporno¶ci na patogeny nekrotroficzne. W Arabidopsis, dwa geny podstawowej odporności o szerokim spektrum działania (NRP1 i EDS11) zapewniają odporność kwiatową przeciwko F. culmorum i redukują akumulację DON. Dodatek etrelu (prekursora ET) hamował wzrost F. culmorum, sporulację i kiełkowanie zarodników w nasionach pszenicy.
Toksyny produkowane przez F. culmorum (głównie DON, NIV i ZEN) podczas patogenezy mają działanie cytotoksyczne na rośliny, ludzi i zwierzęta. DON jest czynnikiem wirulencji choroby FHB, powodującym zwiększony wzrost grzyba.7 Opracowanie roślin odpornych na toksyny, posiadających zdolności detoksykacyjne, jest strategią zwiększania odporności na F. culmorum. W pszenicy, kukurydzy i jęczmieniu istnieją różne mechanizmy zmniejszające ilość toksyn, w tym koniugacja z glukozą i zakłócanie biosyntezy toksyn. Ponieważ synteza trichotecenów obejmuje szereg reakcji utleniania, różne roślinne metabolity wtórne o działaniu antyoksydacyjnym, takie jak związki fenolowe i karotenoidy, mogą ograniczać akumulację toksyn. Inne mechanizmy redukcji/detoksykacji trichotecenów, takie jak acetylacja, efflux i de-epoksydacja nie zostały znalezione w zbożach, ale zostały opisane u innych organizmów. Niektóre z tych genów zostały wyizolowane i wyrażone w zbożach w celu zmniejszenia poziomu toksyn.
.