Blumeria graminis, the obligate biotrophic grass powdery mildew, is a highly pathogenic fungus capable of inflicting foliar diseases and of causing severe yield losses. There is asexual and sexual propagation in the life cycle of B. graminis. In the epidemiological processes of this pathogen, both types of spores - asexual conidia and sexual ascospores – are crucial.
Conidia of B. graminis are demonstrated to perceive cuticular very-long-chain aldehydes as molecular signal substances notably promoting germination and differentiation of the infection structure (the appressorium) – the prepenetration processes – in a concentration- and chain-length-dependent manner. Conidial germination and appressorium formation are known to be dramatically impeded by the presence of free water on the host surface. However, sexually formed ascospores are reported to easily germinate immersed in water. There are abundant assays on conidial prepenetration processes. However, with respect to the stimulating effects of very-long-chain aldehydes and to the influence of the presence of free water, ascosporic prepenetration processes are still obscure.
In order to study the effects of very-long-chain aldehydes on the ascosporic prepenetration processes of wheat powdery mildew fungus B. graminis f. sp. tritici, Formvar®-based in vitro systems were applied to exclude the secondary host effects (such as host resistance) and to reproducibly provide homogeneous hydrophobic substratum surfaces. By the presence of even-numbered very-long-chain aldehydes (C22 - C30), the appressorium formation of the ascospores was notably triggered in a chain-length dependent manner. N-octacosanal (C28) was the most inducing aldehyde tested. Unlike conidia, ascospores could easily differentiate immersed in water and showed a more variable differentiation pattern even with a single germ tube differentiating an appressorium.
To evaluate the alternative management against barley powdery mildew fungus Blumeria graminis f. sp. hordei, the suppressing effects of UV-C irradiation on the developmental processes of conidia on artificial surfaces (in vitro) and on host leaf surfaces (in vivo) were assayed. In vitro and in vivo, a single dose of 100 J m-2 UV-C was adequate to decrease conidial germination to < 20 % and to reduce appressorium formation to values < 5 %. UV-C irradiation negatively affected colony pustule size and vegetative propagation. Under photoperiodic conditions of 2h light/16h dark, 6h dark/12h light or 6h dark/18h light, UV-C-treated conidia showed photoreactivation (photo-recovery). White light-mediated photoreactivation was most effective immediately after UV-C irradiation, suggesting that a prolonged phase of darkness after UV-C application increased the efficacy of management against B. graminis. UV-C irradiation increased transcript levels of three putative photolyase genes in B. graminis, indicating those were probably involved in photoreactivation processes. However, mere white light or blue light (wavelength peak, 475 nm) could not induce the up-regulation of these genes.
To determine whether visible light directly impacted the prepenetration and penetration processes of this powdery mildew pathogen, conidia of Blumeria graminis f. sp. hordei and Blumeria graminis f. sp. tritici were inoculated onto artificial surfaces and on host leaf surfaces. Samples were analyzed after incubation periods under light conditions (white light intensity and spectral quality). Increasing white light intensities directly impaired conidial prepenetration processes in vitro but not in vivo. Applying an agar layer under the wax membrane compensated for conidial water loss as a consequence of high white light irradiation. Light stimulated in vitro and in vivo the appressorium elongation of B. graminis in a wavelength-dependent manner. Red light was more effective to trigger the elongation of appressorium than blue light or green light assayed.
Taken together, the findings of this study demonstrate that 1) a host surface recognition principle based on cuticular very-long-chain aldehydes is a common feature of B. graminis f. sp. tritici ascospores and conidia; 2) the transcriptional changes of three putative photolyase genes in B. graminis are mediated in a UV-C-dependent manner; 3) light directly affected the (pre)penetration processes of B. graminis. / Blumeria graminis, der obligate biotrophe Grasmehltau, ist ein hochpathogener Pilz, der in der Lage ist, Blätter zu schädigen und in Getreidekulturen schwere Ertragsverluste zu verursachen. Im Lebenszyklus von B. graminis kommen sowohl sexuelle als auch asexuelle Reproduktion vor. In den epidemiologischen Prozessen dieses Erregers sind beide Arten von Sporen - asexuelle Konidien und sexuelle Ascosporen - von entscheidender Bedeutung.
Conidien von B. graminis reagieren nachweislich auf kutikuläre, sehr langkettige Aldehyde als molekulare Signalstoffe, die insbesondere die Keimung und Differenzierung der Infektionsstruktur (das Appressorium) - die Präpenetrationsprozesse - konzentrations- und kettenlängenabhängig fördern. Es ist bekannt, dass die Konidienkeimung und Appressoriumbildung durch die Anwesenheit von freiem Wasser auf der Wirtsoberfläche dramatisch behindert wird, während sexuell gebildete Ascosporen unter diesen Bedingungen keimen. Es gibt zahlreiche Untersuchungen zu Konidien-Präpenetrationsprozessen. Im Hinblick auf die stimulierende Wirkung von langkettigen Aldehyden und den Einfluss von freiem Wasser sind die askosporischen Präpenetrationsprozesse jedoch noch unklar.
Um die Effekte langkettiger Aldehydmoleküle auf die ascosporischen Präpenetrationsprozesse von Weizenmehltaupilz zu untersuchen, wurde B. graminis f. sp. tritici auf Formvar®-basierten In-vitro-Systemen angewendet. Dadurch konnten sekundäre Wirtseffekte (wie Wirtsresistenz) ausgeschlossen und homogene hydrophobe Substratoberflächen reproduzierbar bereitgestellt werden. Die Anwesenheit geradzahliger sehr langkettiger Aldehyde (C22 – C30) erhöhte deutlich die Ausbilung des Appressoriums von Ascosporen. Von den getesteten Aldehyden zeigte n-Octacosanal (C28) die größte Induktionskraft. Im Gegensatz zu Konidien konnten bei Ascosporen auch unteri Anwesenheit von freiem Wasser variable Differenzierungsmuster festgestellt werden, bei denen auch einzelne Keimröhren zur Differenzierung des Appressoriums führten.
Zur Bewertung der alternativen Bekämpfung gegen Gerstenmehltaupilz Blumeria graminis f. sp. hordei wurde die Unterdrückungswirkung von UV-C-Strahlung auf die Entwicklungsprozesse von Konidien auf künstlichen Oberflächen (in vitro) und auf Wirtsblattoberflächen (in vivo) untersucht. In vitro und in vivo war eine Einzeldosis von 100 J m-2 UV-C ausreichend, um die Konidienkeimung auf < 20 % zu verringern und die Appressoriumsbildung auf Werte < 5 % zu reduzieren. Die UV-C-Bestrahlung beeinflusste die Größe der Kolonepusteln und die vegetative Vermehrung negativ. UV-C behandelte Konidien wurden unterschiedlichen Lichtverhältnissen ausgesetzt: 2 h hell / 16 h dunkel, 6 h dunkel / 12 h hell und 6 h dunkel / 18 h hell. Dabei zeigten sie unterschiedliche Photoreaktivierungsaktivitäten. Die Weißlicht-vermittelte Photoreaktivierung war unmittelbar nach der UV-C-Behandlung am effektivsten, was darauf hindeutet, dass eine verlängerte Phase der Dunkelheit nach der UV-C-Anwendung die Wirksamkeit des Managements gegen B. graminis erhöhte. UV-C-Bestrahlung erhöhte die Transkriptmengen von drei mutmaßlichen Photolyase-Genen in B. graminis, was darauf hindeutet, dass sie wahrscheinlich an Photoreaktivierungsprozessen beteiligt waren. Weißes oder blaues Licht (Wellenlängen-Peak, 475 nm) konnte die Hochregulation dieser Gene nicht induzieren.
Um zu bestimmen, ob sichtbares Licht direkt auf die Präpenetrations- und Penetrationsvorgänge dieses Mehltau-Erregers einwirkt, wurden Konidien von Blumeria graminis f. sp. hordei und Blumeria graminis f. sp. tritici auf künstliche Oberflächen und auf Wirtsblattoberflächen inokuliert. Die Proben wurden nach Inkubationunter verschiedenen Lichtbedingungen (Weißlichtintensität und Spektralqualität) analysiert. Das Auftragen einer Agarschicht unter der Wachsmembran kompensierte den Wasserverlust der Konidien als Folge der Bestrahlung mit hoher Lichtintensität. Zunehmende Weißlichtintensitäten beeinträchtigten Konidienpräpenetrationsprozesse direkt in vitro, aber nicht in vivo. Eine wellenlängenabhängige Stimulation der Verlängerung des Appressoriums konnte sowohl in vitro als auch in vivo beobachtet werden. Dabei war rotes Licht wirksamer, um die Verlängerung des Appressoriums auszulösen, als blaues oder grünes Licht.
Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass 1) ein Prinzip der Wirtsoberflächenerkennung basierend auf kutikulären, sehr langkettigen Aldehyden ein gemeinsames Merkmal von B. graminis f sp. tritici Ascosporen und Konidien ist; 2) die Transkriptionsänderungen von drei putativen Photolyase-Genen in B. graminis in einer UV-C-abhängigen Weise vermittelt werden und 3) Licht direkt die (Vor-) Penetrationsvorgänge von B. graminis beeinflusste.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:16647 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Zhu, Mo |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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