Hoß, Reinhart: Untersuchungen zur Funktion und Spezifität pilzlicher Sekundärmetaboliten im Pathosystem ”Schwarze Sigatokakrankheit“ der Banane (Musa sp - Mycosphaerella fijiensis)

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Kapitel 2. Literaturübersicht

Phytopathosysteme bestehen aus pflanzlichen Wirten und ihren Krankheitserregern, deren Beziehung als antagonistische Symbiose bezeichnet wird (Bailey 1983). Dabei kann die Entwicklung von Wirt-Pathogenkomplexen zwischen beiden an der Pathogenese beteiligten Komponenten als Co-Evolution charakterisiert werden (Parlevliet 1979), die auf einen zunehmenden Grad der Spezialisierung gerichtet ist und schließlich zu Gen-für-Gen-Beziehungen führt (Frank 1992).

Die Bedeutung chemischer Faktoren bei der Interaktion wurde schon am Ende des 19. Jahrhunderts durch die Arbeiten von de Bary mit zellfreien Kulturfiltraten Sclerotinia-befallener Karotten erkannt (zit. n. Graniti 1991); die Funktion von Toxinen in der Ätiologie ist dabei im Verlauf der Geschichte der Phytopathologie kontrovers geblieben (Daly 1987).

2.1. Begriffsbestimmungen und Modellsysteme

2.1.1. Pflanzeneigene Substanzen und Reaktionen

Pflanzen verfügen über verschiedene Abwehrmechanismen gegenüber biotischen Krankheitserregern, von denen als Phytoalexine die Substanzen bezeichnet werden, die de novo als Reaktion auf einen Angriff durch Pathogene synthetisiert werden und diese schädigen oder abwehren. Der Begriff faßt niedermolekulare, antimikrobielle Substanzen zusammen, die durch die Pflanzenzellen synthetisiert und nach Kontakt mit Mikroorganismen akkumuliert werden (Dixon 1986). Als sekundäre Pflanzenstoffe werden Phytoalexine über verschiedene Biosynthesewege gebildet, von denen der Phenylpropanweg zur Synthese von Flavonderivaten und der Mevalonsäureweg zum Aufbau von Terpenoiden die größte Bedeutung haben (Brooks und Watson 1991). Die aus verschiedenen Kulturpflanzen isolierten Phytoalexine sind oftmals in mehreren Arten derselben Gattung verbreitet und wirken gegen ein breites Spektrum biotischer Krankheitserreger (Smith 1982, Dixon 1986).

Ein im Zusammenhang mit pflanzlichen Abwehrmechanismen auftretendes Phänomen wurde als hypersensitive Reaktion (HR) beschrieben: Diese Reaktion beinhaltet das schnelle und lokal begrenzte Absterben höherer Pflanzenzellen am Ort der Infektion und führt zu inkompatiblen Wirt-Pathogeninteraktionen (Keen 1982, Mansfield 1986, Collinge et al 1994). Die HR richtet sich demzufolge vor allem gegen biotrophe Erreger, für die die Aufrechterhaltung funktionsfähiger Gewebe an der Infektionsstelle von ausschlaggebender Bedeutung ist für eine erfolgreiche Besiedlung des Wirtes (Panopoulos et al 1984). Obwohl der Zusammenhang zwischen HR und Resistenz evident ist, bleibt die Ursache-Wirkungsbeziehung zweifelhaft, da das Phänomen auch als Symptom für oder die Folge von anderen Resistenzmechanismen interpretiert werden kann (Gabriel 1989, Keen 1990, Atkinson 1993, Walton und Panaccione 1993).


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2.1.2. Erregereigene Substanzen

Als Toxin wird in der Pflanzenpathologie nach einer Definition von Wood (1967) eine Substanz bezeichnet, die Protoplasten von Pflanzen unabhängig von ihrer Herkunft oder chemischen Natur schädigt oder abtötet. Damit werden mikrobielle Produkte zusammengefaßt, die nicht-enzymatisch in geringen Konzentrationen schädigend auf Pflanzen wirken Rudolph (1976). Eine weitere Präzisierung erfolgte durch Durbin (1983) und Scheffer und Livingston (1984), die als Toxine nur die Produkte des mikrobiellen Stoffwechsels bezeichneten, die sichtbare Schäden am pflanzlichen Gewebe verursachen und in die Krankheitsentwicklung involviert sind (Pathogenitäts- oder Virulenzfaktor).

Als wirtsspezifisches Toxin (host-specific toxin, HST) wird nach Pringle und Scheffer (1964) das metabolische Produkt eines pathogenen Organismus definiert, das nur dem Wirt des Pathogens gegenüber toxisch ist. Zur Berücksichtigung relativer Toxizitätsdosen zwischen anfälligen und resistenten Pflanzen schränkten Daly und Knoche (1982) die Anwendung des Begriffes wirtsspezifisch auf die Toxine ein, deren Wirkung auf empfindliche Sorten zumindest eine Zehnerpotenz geringer ist als die erforderliche Konzentration für resistente Pflanzen. Eine weitere Bestimmung von Daly (1987) betrifft aufgereinigte Toxine mit hoher Wirksamkeit (10-7 bis 10-9 M) gegenüber anfälligen Pflanzensorten, deren Aktivität gegenüber resistenten Sorten 100 bis 10´000fach geringer ist.

In bezug auf die Bedeutung von HST in der Pathogenese sind zwei Kategorien definiert worden: Primäre Faktoren werden als essentiell für die qualitative Pathogenität angesehen, während sekundäre Faktoren zur quantitativen Virulenz beitragen (Wheeler 1981, Durbin 1983). Beispiele für Toxine als Pathogenitätsfaktoren sind PC-Toxin (Periconia circinata in Sorghum) und Victorin (Cochliobolus victoriae in Hafer), als Virulenzfaktoren sind HMT-Toxin (Cochliobolus heterostrophus Rasse T in Mais) und mehrere unspezifisch wirkende Toxine kategorisiert worden (Yoder 1981, Wheeler 1981)

Im Zusammenhang mit der pflanzlichen Reaktion auf einen pathogenen Angriff ist der Begriff biotischer Elizitor für diejenigen Substanzen aus dem pilzlichen Metabolismus definiert worden, die typische Abwehrreaktionen der Pflanze im inkompatiblen Verhältnis zu induzieren in der Lage sind (Ebel und Scheel 1992, Kogel und Beißmann 1992). Elizitoren können Reaktionen unspezifisch in einem breiten Wirtsspektrum oder spezifisch nur in den Pflanzen hervorrufen, die durch das betreffende Pathogen befallen werden (Yoshikawa 1983, Yoshikawa et al 1993): Unspezifische Elizitoren sind unter anderem als Glycoproteine (MW > 42´000 Da), Polypeptide (MW > 3000 bis 8000 Da) und Proteine (MW ˜ 10´000 Da) charakterisiert worden (Ebel und Scheel 1992); wirtsspezifische Elizitoren sind bisher nur von einigen pflanzenpathogenen Viren und je einem bakteriellen und pilzlichen Erreger bekannt (Keen und Dawson 1992, Kogel und Beißmann 1992). In Übereinstimmung mit dem Modell zur Spezifität inkompatibler Wirt-


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Pathogeninteraktionen (siehe Abschnitt 2.1.3) werden spezifische Elizitoren als Produkte der Avirulenzgene des Erregers angesehen (Yoshikawa 1983).

Zur Charakterisierung von pilzlichen Metaboliten, die die pflanzlichen Abwehrmechanismen unterdrücken, ist der Begriff Suppressor definiert worden (Beißmann und Kogel 1992). Damit werden nach Oku et al (1980) Substanzen bezeichnet, die bestimmende Faktoren der Pathogenität sind, ohne sichtbare Symptome von Phytotoxizität hervorzurufen. Zur weiteren Bestimmung werden folgende Eigenschaften genannt (Shiraishi et al 1994): (1) Produkte des Pathogens, (2) Unterdrückung der pflanzlichen Abwehr und Induktion lokaler Anfälligkeit in Wirtspflanzen, (3) Wirtsspezifität und (4) Nicht-Toxizität gegenüber Pflanzenzellen. Nach Collinge et al (1994) ist die Unterscheidung zwischen Suppressoren und Toxinen allerdings ”subtle“, da beide die pflanzlichen Abwehrprozesse blockieren; allerdings sind Suppressoren nicht in der Lage, Krankheitssymptome hervorzurufen. Substanzen mit den genannten Eigenschaften sind in mehreren kompatiblen Pathosystemen mit biotrophen und/oder langsam wachsenden nekrotrophen Erregern gefunden worden (Cladosporium fulvum, Mycosphaerella spp., Phytophthora spp.) und als Glucane oder Glycopeptide identifiziert worden (Beißmann und Kogel 1992, Shiraishi et al 1994).

2.1.3. Wirt-Pathogenkomplex: Modellvorstellungen und Referenzsysteme

Höhere Pflanzen werden ständig von einer Vielzahl von Mikroorganismen kontaktiert, von denen jedoch nur eine vergleichsweise geringe Zahl zur Infektion und damit Auslösung von Krankheiten in der Lage ist (Panopoulos et al 1984, Gabriel und Rolfe 1990); diese Form der Resistenz gegenüber nichtpathogenen Organismen wird als allgemeine, Nichtwirts- oder Basisresistenz bezeichnet (Heath 1980, Niks 1988) und ist nicht Gegenstand der vorliegenden Arbeit.

Die (Basis-) Kompatibilität bzw. Anfälligkeit einer Pflanze gegenüber einem Erreger wird als die Fähigkeit eines Mikroorganismus definiert, sich auf einem gegebenen Wirt zu ernähren und zu reproduzieren; das Verhältnis zwischen beiden Organismen wird als homologe Interaktion bezeichnet (Gabriel und Rolfe 1990).

Demgegenüber wird als heterologe Interaktion die (spezifische) Inkompatibilität bzw. Resistenz als Produkt aktiver Erkennungs- und Abwehrmechanismen zwischen Wirtspflanze und Pathogen beschrieben (Gabriel und Rolfe 1990).

Die Spezifität zwischen pflanzlichen Wirten und deren mikrobiellen Pathogenen auf verschiedenen taxonomischen Ebenen ist innerhalb der Phytopathologie ein weiterhin kontrovers diskutiertes Thema, das zeitweise die Qualität eines Paradigmenstreites erreicht hatte (Vanderplank 1986, Kerr 1987, Vanderplank 1991, Johnson und Knott 1992), bei dem es um das Erbe der durch Flor formulierten Gen-für-Gen-Hypothese ging: Diese basierte auf der gene-


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tischen Analyse des Leinrostes und postulierte das Vorhandensein komplementärer Gene für Resistenz in der Pflanze sowie für Pathogenität im Erreger (Flor 1971). Diese Hypothese ist von verschiedenen Arbeitsgruppen unterschiedlich interpretiert und mit Ergebnissen aus mehreren Pathosystemen experimentell belegt worden (Bailey 1983, De Wit 1986, Gabriel 1989, Gabriel und Rolfe 1990, Kohmoto und Otani 1991):

  1. Biochemische und physiologische Untersuchungen zur pflanzlichen Abwehr durch HR oder Phytoalexine ermittelten genotyp-spezifische Interaktionen zwischen Wirtssorten und Pathotypen in heterologen Pathosystemen mit fakultativ biotrophen oder nekrotrophen Erregern. Dabei korrespondieren spezifische Elizitoren als Produkte der zumeist dominanten Avirulenzgene des Pathogens einerseits mit spezifischen Rezeptoren als Produkte der Resistenzgene in der Pflanze andererseits mit der Folge einer inkompatiblen Wirtsreaktion. Experimentelle Befunde aus dem Pathosystem Sojabohne/Phytophthora megasperma f.sp. glycinea führten zur Beschreibung des (spezifischen) Elizitor-Rezeptor-Modelles durch Keen (1982).
  2. Genetische Untersuchungen in homologen Wirt-Pathogeninteraktionen, meist mit biotrophen Erregern, fanden genotyp-spezifische Beziehungen bei der Unterdrückung pflanzeneigener Abwehrmechanismen durch Suppressoren des Pathogens. Die gemäß der Gen-für-Gen-Hypothese korrespondierenden Faktoren sind demzufolge spezifische Suppressorsubstanzen als Produkte der Pathogenitäts- oder Virulenzgene einerseits mit entsprechenden Rezeptoren auf pflanzlicher Seite andererseits, in deren Folge kompatible Wirt-Pathogenverhältnisse entwickelt werden. Spezifische Suppressor-Modellsysteme sind von Doke et al (1982) basierend auf Untersuchungen des Pathosystems Kartoffel/Phytophthora infestans sowie von Shiraishi et al (1994) bei Erbse/Mycosphaerella pinodes entworfen worden.
  3. Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Wirkung von HST in kompatiblen und inkompatiblen Wirt-Pathogenbeziehungen mit nekrotrophen Erregern können als eine dritte mögliche Interpretation der Gen-für-Gen-Hypothese aufgefaßt werden, da die hohe Wirtsspezifität das Vorhandensein spezifischer Zielstrukturen in der Pflanze wahrscheinlich macht (Vanderplank 1986). Anders als bei den unter (1) und (2) beschriebenen Interaktionen findet die Erkennungsreaktion hier jedoch zwischen den HST als den Produkten der Pathogenitäts- bzw. Virulenzgene sowie pflanzlichen Rezeptoren statt, deren Sensitivität über das weitere Verhältnis zwischen Wirt und Erreger entscheidet (Gabriel 1989). Obwohl die genetische Basis der Toxinproduktion in einigen Fällen aufgeklärt wurde (Ellingboe 1976, Yoder et al 1989, Kohmoto und Otani 1991), ist die Beziehung zwischen diesen und den pflanzeneigenen Genen zur Erkennung bzw. Abwehr noch weitgehend unbekannt (Buiatti und Ingram 1991). Der bisher einzige experimentelle Beleg für eine direkte Interaktion zwischen HST und pflanzlichen Strukturen ist von Meeley et al (1992) im Pathosystem

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    Mais/Cochliobolus carbonum gefunden worden, in dem HC-Toxin des Erregers in resistentem Hm-Mais durch HC-Toxinreduktase (HCTR) detoxifiziert wird; allerdings ist HCTR inzwischen auch in anderen Pflanzenarten, die nicht zum Wirtskreis von C. carbonum gehören, gefunden worden (Han et al 1997).

Abschließend ist die Einschätzung von de Wit (1986) affirmativ zu zitieren: ”Models such as those discussed above are important in providing a stimulus for further experimentation, but there is a danger that they channel thinking in a single direction.“

2.2. Wirtspflanze Musa sp

Der übergeordnete Begriff Banane wird in der vorliegenden Arbeit für Pflanzen der Gattung Musa verwendet, die in tropischen und subtropischen Klimaten als Dessert- (”banana“) und Kochbanane (”plantain“) angebaut werden. Ihr Genom bildet das Produkt einer interspezifischen Hybridisierung aus Musa acuminata Colla (Genom A) und Musa balbisiana Colla (Genom B), die teilweise als Musa paradisiaca zusammengefaßt werden (Rehm und Espig 1984, Stover und Simmonds 1987). Die taxonomische Einordnung der Pflanzen, die Bestandteile beider Genome umfassen, ist in Tabelle 1 dargestellt. Im folgenden wird mit Musa sp pflanzliches Material aller Genomgruppen und mit Musa cv der konkrete Bezug auf bestimmte Sorten (cultivars) bezeichnet. Die bisherige, auf morphologischen Charakteristika beruhende taxonomische Klassifizierung ist durch neuere Untersuchungen des Enzym-polymorphismus (Isozyme), sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe (z. B. Flavonoide) und molekularer Marker (nukleare und chloroplastidäre DNA-RFLP, RAPD) um chemotaxonomi-sche Parameter erweitert und in den Grundzügen bestätigt worden (Jarret und Gawel 1995).

Im Hinblick auf den Gegenstand der vorliegenden Untersuchung sind als gemeinsame Merkmale der kultivierten Bananen Parthenokarpie, weibliche und männliche Sterilität und Triploidie hervorzuheben, die zur Konservierung unveränderter Phänotypen geführt haben (Stover und Simmonds 1987, González de León und Fauré 1993, Price 1995). Die Bananenzüchtung beruht in ihrer klassischen Form daher auf der Verwendung diploider Wildsorten zur Rekombination triploider kultivierter Bananen, die wiederum gametensteril sind und durch vegetative Verfahren vermehrt werden müssen (Ortiz 1995).

Nach Israeli et al (1995) geht die in vitro-Kultur von Musa sp auf Versuche zurück, die sehr geringe Keimfähigkeit von Samen zu überwinden. Die Verbreitung des Kürbismosaikvirus (CMV) sowie der Panamakrankheit (Fusarium oxysporum f. sp. cubense) in Bananenpflanzungen Südostasiens führte zur Entwicklung von Gewebekulturtechniken, die die Produktion erregerfreien Pflanzmaterials zum Ziel hatte. Seit Mitte der 80er Jahre ist die Vermehrung und Regeneration von Musa sp durch ”micropropagation“ eine in steigendem Umfang angewandte Technologie, die von ihren Anfängen in triploiden homozygotischen Sorten der


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Untergruppe Cavendish auf weitere Bananenarten und -sorten ausgedehnt worden ist (Banerjee und de Langhe 1985, Vuylsteke 1989). Als Vorteile der in vitro-Kultur werden vor allem ökonomische und anbautechnische, darunter insbesondere die Pflanzenquarantäne gegenüber tierischen und mikrobiellen Schaderregern, genannt (Israeli et al 1995).

In bezug auf die wissenschaftliche Forschung sollen hier beispielhaft die Arbeiten zur Etablierung von Kalluskulturen (Megia et al 1992, 1993) und Zellsuspensionen (Dhed´a et al 1991, Panis et al 1993), zum Problem somaklonaler Variationen (Novak et al 1989, Escalant und Teisson 1993), zur Möglichkeit molekularbiologischer Charakterisierung des Genoms (Jarret und Gawel 1995) sowie die sich mit der Herstellung transgener Musa-Pflanzen (Sagi et al 1994, 1995) befaßten Arbeiten erwähnt werden. Bei allen genannten Arbeits- und Autorengruppen ist allerdings eine Konzentration der experimentellen Untersuchungen auf einige wenige Sorten (aus der besonders geeigneten Genomgruppe ABB) oder sogar auf eine einzige Sorte (z. B. Bluggoe, ABB) festzustellen, die die Übertragbarkeit der Methoden und Ergebnisse auf weitere Fragestellungen einschränken (Cronauer und Krikorian 1983, Dhed´a et al 1991, Megia et al 1993). In diesem Zusammenhang ist auch die Gründung des International Network for the Improvement of Banana and Plantain (INIBAP, Montpellier/Frankreich) im Jahre 1985 zu erwähnen, die die zunehmende Bedeutung der angewandten Forschung deutlich macht (Buddenhagen 1993).

Der Einsatz von in vitro-Kulturtechniken in der Bananenproduktion und angewandten Forschung wird durch zwei Faktoren begrenzt: (1) das Auftreten somaklonaler Variationen (Israeli et al 1995); (2) die sehr geringe somatische Embryogenese in Zellsuspensionen und der geringe Grad an Embryogenie in undifferenzierten Zellverbänden (Novak et al 1989).

(1) Als somaklonale Variationen werden nach Israeli et al (1995) diejenigen ”off-type“- Abweichungen vom pflanzlichen Ausgangsmaterial verstanden, deren Phänotyp anhaltend und vererbbar ist. Die beiden häufigsten Formen bilden Zwergwüchsigkeit (”dwarfism“, 75 % aller aufgetretenen Veränderungen) und verschiedene Blattanomalien mit häufiger Gelbstreifung (”mosaic virus like“, 24 %), von denen sich die letztgenannte stark auf den Fruchtertrag auswirkt (Reuveni 1990). Die Ursachen für diese Veränderungen können sowohl in der Expression schon angelegter Merkmale als auch in der de novo-Variation durch unbestimmte genetische Mechanismen liegen (Israeli et al 1995). Dazu gehören nach Withers (1993) Veränderungen in der Ploidie, der Chromosomenzahl und -struktur sowie einzelner DNA-Basenpaare. Das Ausmaß somaklonaler Variationen in den verschiedenen Musa cv und -Genomgruppen folgt keinem mit dem Genotyp assoziierten Muster und reicht von 0 % bei der Sorte Saba (ABB) bis zu 93.4 % bei Figue Sucree (AA); innerhalb derselben Sorte variieren die Angaben je nach Kulturbedingungen und Kriterien der Erkennung, z. B. werden für Grande Naine (AAA) von verschiedenen Autoren Werte zwischen 2.0 und 63.3 % angege-


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ben (zit. n. Israeli et al 1995). Die am häufigsten beschriebenen Veränderungen können erst im Laufe der ex vitro-Entwicklung erkannt werden (Israeli et al 1995). Zum frühestmöglichen Nachweis von Zwergwüchsigkeit wird ein Zusatz von Gibberillinsäure zum Nährmedium vorgeschlagen, auf den somaklonal unveränderte Pflanzen mit rascher Verlängerung des Pseudostammes und verminderter Blattbildung reagieren (Reuveni 1990). Grundsätzlich werden undifferenzierte Zellverbände als mögliche Quelle somaklonaler Variationenen angesehen, so daß zur Vermeidung oder Verminderung des Risikos eine möglichst kurze Kallusphase bzw. die direkte Embryogenese angestrebt wird (Panis und Swennen 1993).

(2) Die experimentelle Handhabung uniformer Zellen und die anschließende Regeneration vollständiger Musa-Pflanzen wird durch die Redifferenzierung einzelner Zellen zu Schößlingen (Organogenese) bzw. zu pflanzlichen Embryos (somatische Embryogenese) ermöglicht (Escalant und Teisson 1993). Insbesondere die Bestimmung von toxischen Dosen pathogener Metaboliten und Methoden des Resistenz-screenings haben zur Entwicklung von entsprechenden Versuchsprotokollen geführt (Jones 1990, Galun und Breiman 1992, Brazolot et al 1994). Die Anwendung auf verschiedene Musa cv führte jedoch nur zu sehr geringen Regenerationsraten: Novak et al (1989) erreichten 12 % somatischer Embryos aus Zellsuspensionen bei der Sorte Bocadillo (Genom AA), und Dhed´a et al (1991) konnten bei der Kochbananensorte Bluggoe (ABB) durch Modifizierung der Wuchsstoffkonzentrationen 10 bis 14.5 % der eingesetzten Kalli zu intakten Pflanzen regenerieren. Obwohl die möglichen Anwendungen embryogener Musa-Zellsuspensionen weiterhin optimistisch eingeschätzt werden (Panis und Swennen 1993), steht derzeit kein hinreichend entwickeltes oder adaptierbares Versuchssystem zur Verwendung embryogener Zellkulturen verschiedener Musa cv zur Verfügung, das im Hinblick auf phytopathologische Fragestellungen anwendbar wäre.

Insgesamt läßt sich für die Voraussetzungen der vorliegenden Untersuchung das Fazit von Novak et al aus dem Jahre 1989 aufrechterhalten: ”... species of the genus Musa are extraordinarily recalcitrant since even «simple» in vitro techniques such as establishment of callus and cell suspension cultures have met with very limited success.“ Gleichzeitig stellt aber die Meristem- oder Gewebekultur (”micropropagation“) die nach wie vor einzig sichere Methode zur Vermehrung und Regeneration von Musa-Pflanzen bei minimaler Gefahr somaklonaler Variationen dar (Vuylsteke 1989).

Im Hinblick auf den natürlichen Infektionsvorgang durch Mf (siehe Kapitel 2.3) ist die Musa cv-Blattarchitektur von Bedeutung: Nach Sallé et al (1990) besteht die Blattspreite aus der subkutikulären Epidermis, an die sich die Hypodermis mit stark vakuolisierten Zellen anschließt; das Mesophyll besteht aus dem ein- bis zweischichtigen Palisadenparenchym und dem darunterliegenden Schwammparenchym mit sehr großen Interzellularräumen.


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Die Stomatadichte beträgt auf der adaxialen Blattseite zwischen 0.4 und 9.6, auf der abaxialen Oberfläche zwischen 23 und 51.3 Stomata cm-2 (Vasquez et al 1990). Zwischen verschiedenen Sorten wurden keine anatomischen Unterschiede im Blattaufbau gefunden (Mourichon et al 1990, Vasquez et al 1990). Nach einer Untersuchung von Zeweldu (1996) verfügt die Sorte Yangambi km 5 über weniger Stomata auf der Blattober- und -unterseite als Grande Naine und Giant Cavendish, der Autor leitet jedoch keine ursächliche Beziehung zur Reaktion gegenüber Mf ab.

Biochemische Untersuchungen über die Inhaltsstoffe in verschiedenen Kompartimenten des Bananenblattes (Symplast, Apoplast, Leitbündel mit Phloem und Xylem) liegen bisher nicht vor. Pflanzen der Gattung Musa verfügen über Latexkanäle in den Leitbündeln, die neben anorganischen Salzen auch Spuren von Zuckern und Aminosäuren enthalten (Baker et al 1990); die hohe Viskosität der an Blattschnitten austretenden Flüssigkeit erschwert dadurch die Gewinnung anderer Inhaltsstoffe, insbesondere aus dem für die Ernährung von Mf bedeutenden Interzellularraum.

Auf Leistungen des Primär- und Sekundärstoffwechsels, die mit der möglichen Reaktion auf Schaderreger und insbesondere pilzliche Pathogene im Zusammenhang stehen, wird in Abschnitt 2.4 eingegangen.

Tab. 1 Taxonomische Klassifikation von Musa sp (Stover und Simmonds 1987, Strasburger 1991) und Mf (Stover 1980, Agrios 1988, Pons 1990, Carlier et al 1993, Hoffmann et al 1994)

Musa sp

Taxon

Mycosphaerella fijiensis

Plantae

Reich

Mycotae

Spermatophyta

Abteilung

Eumycota

Angiospermae

Unterabteilung

Ascomycotina

anamorph: Deuteromycotina

Monocotyledonae

Klasse

Loculoascomycetes

anamorph: Hyphomycetes

Liliidae

Unterklasse

Euascomycetidae

Zingiberales

Ordnung

Dothideales

Musaceae

Familie

Eumusa

Sektion

Musa

Gattung

Mycosphaerella,

anamorph: Paracercospora

acuminata, burmannica, paradisiaca Linnaeus

Art

fijiensis

Morelet (anamorph: Deighton)

AAA, AAB, ABB, AB

Gruppe

Cavendish, Plantain, Bluggoe

Untergruppe

Yangambi km 5, Horn, Cachaco

Varietät/Isolat

309, 745, 750, CAM, HON, NIG


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2.3. Pathogen Mycosphaerella fijiensis

Mycosphaerella fijiensis (Mf) Morelet als Erreger der Schwarzen Sigatokakrankheit wurde 1963 erstmalig beschrieben (Stover 1978, 1980). Die taxonomische Klassifizierung der Teleo- und Anamorphen ist Tabelle 1 zu entnehmen. Es werden zweizellige Ascosporen in Perithecien und Spermatien in Spermogonien gebildet. Die Anamorphen bilden 5- bis 11-fach septierte, zwischen 30 und 150 µm lange, leicht gebogene und hyaline Konidien an Sporodochien (Agrios 1988, Stover 1980, Natural 1990, Pons 1990). Eine in Mittelamerika isolierte und zunächst als Mf var. difformis Mulder und Stover (Stover 1980) beschriebene Unterart ist inzwischen als identisch mit Mf taxonomisch eingeordnet worden (Carlier et al 1993, 1994). Bisher sind keine physiologischen Rassen oder Pathotypen des Pilzes beschrieben worden; die Untersuchungen wurden in der Regel mit frischen Isolaten aus Ascosporen durchgeführt, die in natürlich befallenen Beständen gewonnen wurden (Fullerton und Olsen 1991). Das Myzel besteht aus septierten Hyphen mit verdickten Nahtstellen und mehrkernigen, vakuolisierten Zellen (Natural 1990, Sallé et al 1990). Nach Carlier et al (1993, 1994) ist Mf polymorph und heterothallisch und verfügt über nur 2 % repetitiver DNA.

Die in vitro-Kulturbedingungen werden nach Jacome et al (1991) und Jacome und Schuh (1993) folgendermaßen angegeben: Die Konidienkeimung erreicht bei einer Optimumtemperatur von 25°C und dem Vorhandensein von freiem Wasser innerhalb von 24 Stunden Werte von annähernd 100 %. Die Sporulation auf künstlichen Nährböden erreichte ihr Maximum bei 20°C und 2.5 W m-2 Dauerlicht. Unter in vitro-Bedingungen wird das sexuelle Stadium nur selten erreicht, die Konidienbildung ist nur in sehr geringem Maße induzierbar und wird nach wiederholtem Nährboden-Transfer vollständig verloren (Jeger et al 1995, Jones 1995). Das Keimschlauchwachstum aus Ascosporen erreicht bei einer Optimumtemperatur von 28.0°C und einer annähernd 100 %igen Luftfeuchte etwa 50 µm nach 24 Stunden (Stover 1980).

Als heterotropher Organismus verfügt Mf über einen Primärstoffwechsel, der von der Nutzung externer Kohlenstoffquellen abhängig ist. Unter in vivo-Bedingungen ist die Ernährung zunächst biotroph im Apoplasten der Wirtspflanze; etwa drei bis vier Wochen nach Inokula-tion tritt in kompatiblen Wirt-Pathogen-Interaktionen eine zunehmende Nekrotisierung von Blattgewebe auf, die mit der nekrotrophen Ernährung des Pilzes in Verbindung gebracht wird (Sallé et al 1990, Beveraggi et al 1993). Unter Kulturbedingungen ist der Pilz in der Lage, Nährböden unterschiedlicher Komplexität zum vegetativen Wachstum zu nutzen; als Kohlenstoffquelle wurden Stärke, Saccharose, Glucose und Maltose eingesetzt (Natural 1990, Okole 1995).


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Abb. 1 Primärstoffwechsel der Pflanze und Biosynthesewege von Sekundärmetaboliten in pflanzli-chen und pilzlichen Organismen (Mansfield 1983)

Die Pigmentierung des Myzels verschiedener Mf -Isolate und die Ausbeute extrahierbarer Substanzen ist unter in vitro-Bedingungen in starkem Maße abhängig von den eingesetzten Nährmedien und den Faktoren Temperatur und Licht (Natural 1990). In Flüssigkulturen mit modifiziertem M-1D-Medium unter einem Hell-/Dunkelrhythmus von jeweils zwölf Stunden wurde nach 28 Tagen Inkubationsdauer eine Rohextrakt-Ausbeute von 25 mg l-1 von Upadhyay et al (1990) angegeben, unter vergleichbaren Bedingungen betrug diese nach Stierle et al (1991) 90 mg l-1. Aus den Rohextrakten wurden verschiedene Substanzen gewonnen und charakterisiert: Upadhyay et al (1990) isolierten das erstmalig beschriebene Fijiensin (C18H16O6) mit heterocyclischen C5- und C6-Ringen. Stierle et al (1991) konnten sechs Substanzen aus extrahierten Kulturfiltraten von Mf bestimmen, von denen einige als Metaboliten des Pentaketid-Biosyntheseweges höherer Pilze bekannt waren. In diesem auch als Acetat-Polymalonatweg bezeichneten Metabolismus werden aus Acetyl-CoA und Malonyl-CoA Polyketosäuren synthetisiert, die durch 1,6-Acylierung zu zyklischen Pentaketiden metabolisiert werden; verschiedene Naphto- und Hydrochinone sind als Zwischen- und Endprodukte des sekundären Stoffwechsels für die Melaninbiosynthese von Bedeutung (Heß 1970, Stoessl 1981, Greenblatt und Wheeler 1986, Stierle et al 1991).


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Der pilzliche Pentaketid-Biosyntheseweg mit den hypothetischen Wirkorten des Hemmstoffes Tricyclazol® ist in folgender Abbildung zusammengefaßt.

Abb. 2 Acetat-Polymalonat-Biosyntheseweg von Hydro- und Naphtochinonen (Wheeler und Stipano-vic 1985), Struktur (Buchenauer 1990) und hypothetische Wirkzentren (rote Pfeile) des Melanin-hemmstoffes Tricyclazol® (Tokousbalides und Sisler 1979, Viviani et al 1993); weitere Angaben im Text


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Im Zusammenhang mit der Bedeutung des Melanins für die Pathogenität verschiedener human- und phytopathogener Pilze ist der Pentaketid-Biosyntheseweg von mehreren Arbeitsgruppen untersucht worden: Bell et al (1976) und Stipanovic und Bell (1977) analysierten den Gehalt an Pentaketid-Metaboliten in melanindefizienten Mutanten von Verticillium dahliae und erkannten die zentrale Rolle des Scytalins für die Melaninbiosynthese. Tokousbalides und Sisler (1979) untersuchten den Einsatz des spezifischen Wirkstoffes Trizyclazol® [5-Methyl-1,2,4-Triazolo-(3,4-b)-Benzothiazol], der im Reisanbau als Fungizid gegen Pyricularia oryzae eingesetzt wird: Nach Zugabe von 10 ppm Tricyclazol® wurde eine mehrfache Steigerung von Flaviolin, Scytalon und 2-Hydroxyjuglon in Kulturen von Verticillium dahliae festgestellt, der Gehalt an Vermelon nahm dagegen stark ab. Diese Ergebnisse legen eine Hemmung des Pentaketid-Metabolismus sowohl bei der Reduktion von 1,3,8-Trihydroxynaphtalin zu Vermelon als auch von 1,3,6,8-Tetrahydroxynaphtalin zu Scytalon nahe, so daß ein größerer Teil zu Flaviolin oxidiert werden kann. In Untersuchungen mit Albinomutanten von Wangiella dermatitidis wurde eine Hemmung des Reduktionschrittes von 3-Hydroxyjuglon zu 2,4,8-Trihy-droxytetralon bei Zugabe von 42.4 µM Tricyclazol® festgestellt (Wheeler und Stipanovic 1985). Eine komparative Studie von Wheeler (1983) mit 26 Pilzarten aus 16 Gattungen zeigt die weite Verbreitung des Pentaketid-Biosyntheseweges innerhalb der Asco- und Deuteromycotina.

Nach Viviani et al (1993) wirkt Tricyclazol® als spezifischer Hemmstoff der Reduktasen, die innerhalb des Pentaketid-Metabolismus die beiden Substanzen 1,3,6,8-Tetrahydroxynaphtalin und 1,3,8-Trihydroxynaphtalin zu Scytalon bzw. Vermelon reduzieren und damit die Melaninbildung unterdrücken; beide Enzyme sind abhängig von NADPH, das ebenfalls reversibel von Tricyclazol® gehemmt wird. Durch eine Akkumulation der entsprechenden Zwischenprodukte ist nach Stierle et al (1991) eine verstärkte Metabolisierung der bei Mf gefundenen Pentaketide und eine Akkumulation von 2,4,8-Trihydroxytetralon (2,4,8-THT) zu erwarten.

Obwohl keine spezifischen Untersuchungen über die biochemischen Leistungen von Mf vorliegen, kann davon ausgegangen werden, daß der Pilz als Ascomycet über eine Zellwand aus Chitin (beta-1,4-N-Acetylglucosamin) und Cellulose (beta-1,4-Glucan) oder beta-1,3- und beta-1,6-Glucanen verfügt (Clarkson 1992); nach Lepoivre et al (1993) kann die Aktivierung hydrolytischer Enzyme der Wirtspflanze Musa sp (Chitinasen, Glucanasen) zur Aktivierung pilzlicher Elizitoren und der Lyse von Hyphenenden führen. Über das Vorhandensein von Enzymen zur Auflösung pflanzlicher Zellwände (Cutinasen, Pektinasen, Zellulasen) liegen keine Angaben vor. Die Membranen von Zellen und deren Kompartimenten enthalten Ergosterol und sind somit sensitiv gegenüber systemischen Fungiziden wie Triazolen, Imidazolen, Pyrimidinen (Hemmung der Cytochrom P-450 Monoxygenase) und Morpholinen (Hemmung spezifischer Reduktase und Isomerase der Ergosterol-Vorstufen) (Cronshaw und Akers 1990, Shillingford 1990).


15

Weitere Aspekte zur Ernährung und Verbreitung des Pilzes, die in direktem Zusammenhang mit der Wirtspflanze Musa sp stehen, werden im folgenden Kapitel zur Schwarzen Sigatokakrankheit ergänzt.

2.4. Pathosystem Musa sp/Mf

2.4.1. Evolution

Die Schwarze Sigatokakrankheit (black Sigatoka disease, black leaf streak) wurde erstmalig 1963 in Fiji beschrieben (Stover 1980, Stover und Simmonds 1987, Jeger et al 1995). Bis dahin wurden alle Blattfleckensymptome der Banane als Gelbe Sigatokakrankheit (yellow Sigatoka disease) mit dem Erreger Mycosphaerella musicola Leach ex Mulder in Verbindung gebracht. Eine Revision des in Herbarien konservierten Blattmaterials führte zur Identifikation von Mf auf Acquisitionen aus dem Jahre 1927 in Taiwan und 1957 in Papua Neuguinea und den Salomon-Inseln (Stover 1978).

Mf befällt alle Sorten der für die Produktion von Dessertbananen wichtigsten Musa-Untergruppe Cavendish (Genom AAA), die in den 30er Jahren zur Bekämpfung des Erregers der Panamakrankheit Fusarium oxysporum f.sp. cubense die bis dahin dominierende Gros Michel ersetzt hatten (Jeger et al 1995); zu derselben Genomgruppe gehört die Sorte Yangambi km 5 (Untergruppe Ibota), die als hochgradig resistent gegenüber Mf bekannt ist, allerdings im praktischen Anbau keine Rolle spielt. Die geographische Ausbreitung der Schwarzen Sigatokakrankheit erfolgte über folgende Stationen (Stover 1978, Mourichon und Fullerton 1990, Jeger et al 1995): In Asien wurde 1980 das südchinesische Festland und 1981 die Cape York-Halbinsel im Norden Australiens erreicht. In Westafrika erfolgte die Ausbreitung von Gabun (1978) bis zur Elfenbeinküste (1985), in Zentral- und Ostafrika wurden erste Funde in Ruanda (1986) und Sansibar (1987) gemeldet. In Lateinamerika breitete sich der Erreger zwischen Honduras (1972) und den Bananenanbaugebieten im Norden Südamerikas (Ecuador 1989, Venezuela 1992) aus, in der Karibik ist bisher nur auf Kuba (1992) ein erster Befund dokumentiert worden. In allen Gebieten war bis zum angegebenen Zeitpunkt die Gelbe Sigatokakrankheit vorherrschend, deren Erreger Mycosphaerella musicola innerhalb weniger Jahre durch Mf zurückgedrängt worden ist, ohne jenen allerdings vollständig zu ersetzen (Jeger et al 1995, Mouliom-Pefoura et al 1996). Die Ergebnisse einer RFLP-Analyse von 57 Mf-Isolaten aus verschiedenen Anbaugebieten der Welt unterstützen die Hypothese über den Ursprung des Erregers in Südostasien (Carlier et al 1994), wo ebenfalls das Genzentrum der Wirtspflanze Musa sp angenommen wird (Stover und Simmonds 1987).


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2.4.2. Infektion und Trophie

Die Ascosporen als wichtigste natürliche Inokulumquelle werden auf der Unterseite der Wirtsblätter bei hoher Feuchtigkeit aus den Perithecien ausgeschleudert und über weite Strecken mit dem Wind disloziert (Agrios 1988); sie können acht Wochen im Schatten überleben (Stover 1980). Für die Ausbreitung im Bestand und die sekundäre Infektion sind vor allem Konidien verantwortlich, die in jahreszeitlichen Rhythmen bei hoher Feuchtigkeit gebildet werden (Agrios 1988). Die Penetration der pflanzlichen Epidermis durch sexuell und asexuell gebildete Sporen erfolgt ausschließlich durch die Stomata, deren Dichte auf der Blattunterseite deutlich höher ist; Appressorien werden nicht gebildet (Stover 1980, Vasquez et al 1990).

Die weitere Ausbreitung des Myzels innerhalb der Wirtspflanze findet interzellulär im substomatären Raum statt, ohne das pflanzliche Gewebe zunächst zu beeinträchtigen (Beveraggi et al 1993). Es werden keine Haustorien gebildet (Sallé et al 1990). In dieser Phase eignet sich der Pilz mit Hilfe seines weitverzweigten Myzels die im Apoplasten vorhandenen Nährstoffe, insbesondere Kohlenhydrate und Mineralstoffe, an. Inwieweit der von Atkinson (1993) beschriebene pilzliche Mechanismus der Veränderung des Protonentransportes durch das pflanzliche Plasmalemma und ein dadurch gesteigerter Nährstoff-Efflux aus dem Cytosol in den Apoplasten eine Rolle spielt, ist bei Musa sp/Mf bisher nicht untersucht worden. Die Wirtszellen in kompatiblen Interaktionen zwischen Mf und Musa sp bleiben bis zu 28 Tage nach Inokulation intakt, erst danach ist eine fortschreitende Plasmolyse der Zellen und die Degeneration der Plastiden zu beobachten: Die parenchymatischen und epidermalen Zellen des pflanzlichen Organismus kollabieren in zunehmendem Maße und ermöglichen damit die vollständige Nutzung der cytosolischen Komponenten durch den Pilz. Die typischen Symptome der Schwarzen Sigatokakrankheit (siehe folgenden Abschnitt) sind Ausdruck des kompatiblen Wirt-Pathogenverhältnisses, der Mechanismus der resistenten Musa cv gegenüber dem Pilz in inkompatiblen Interaktionen ist mit der hypersensitiven Reaktion verbunden (Sallé et al 1990, Beveraggi et al 1993). Der Verlauf der Pathogenese der Sigatokakrankheit der Banane ist in folgender Abbildung am Beispiel Mycosphaerella musicola dargestellt, deren Symptome den durch Mf verursachten entsprechen:


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Abb. 3 Entwicklung der Gelben Sigatokakrankheit im Pathosystem Musa sp/Mycosphaerella musi-cola (Agrios 1988)

Die Ernährungsweise des Erregers in der ersten Phase der kompatiblen Interaktion wird von Beveraggi et al (1993) als biotroph beschrieben. Unter Berücksichtigung der gesamten Pathogenese kann Mf als hemibiotroph oder fakultativ biotroph bezeichnet werden. Diese Form des Parasitismus zeichnet sich durch eine biotrophe Entwicklungsphase vor der anschließenden nekrotrophen Aneignung von Nährstoffen aus (Bailey 1983, Clarkson 1992).

Die Schadwirkung gegenüber Musa sp in der biotrophen Phase ist die Folge der Nutzung von Energie- und Mineralstoffreserven des pflanzlichen Apoplasten, wodurch der Nährstofftransfer aus den sources der Blätter in die sinks der Früchte stark vermindert wird. In der nekrotrophen Phase werden die im Cytosol vorhandenen Ressourcen nach Auflösung der pflanzlichen Zellwände und des Plasmalemmas direkt genutzt und dadurch die Photoassimilation in den befallenen Blättern vollständig verhindert (Agrios 1988). Auch ein leichterer Befall mit Mf kann zu einer früheren Seneszens der betroffenen Blätter führen und auf diese Weise die Frühreife der Früchte bewirken (Stover und Simmonds 1987, Jeger et al 1995).

Zur Bekämpfung der Krankheit wurden zunächst Kontaktfungizide eingesetzt, die ab den 70er Jahren zunehmend durch systemische Wirkstoffe ersetzt wurden: Die intensive Anwendung von Benzimidazolen, die die Hemmung der Mitose bewirken, führte schon bald zu Resistenzerscheinungen (Fullerton 1990, Schulz und Scheinpflug 1990) sowie in der Folge zur Einführung neuer Wirkstoffe aus Morpholinderivaten und Triazolen (Hemmung der


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Ergosterolbiosynthese) und deren Kombination mit nichtsystemischen Produkten (Stover 1990). Inzwischen sind auch Kreuzresistenzen zwischen verschiedenen Wirkstoffen aufgetreten (Shillingford 1990).

Soweit bekannt, ist die Pathogenese von Mf nicht von der Melaninbildung in Sporen oder Penetrationsorganen abhängig, so daß der Einsatz von Fungiziden zur Hemmung der Melaninbiosynthese, wie z. B. Tricyclazol®, keinen Einfluß auf die Pathogenität und Virulenz erwarten läßt.

2.4.3. Symptomatologie und Wirtsreaktionen gegenüber Mf

Die Blattsymptome des kompatiblen Wirt-Pathogenkomplexes sind anhand umfangreicher Bonituren natürlicher Infektionen unter Feldbedingungen in klassischen Musa-Anbaugebieten beschrieben worden; zur Reproduktion der Ergebnisse an in vitro-vermehrten Jungpflanzen unter Klimakammer-Bedingungen ist folgende Einteilung entwickelt worden, die eine Klassifizierung sowohl der Erregerisolate in Pathotypen als auch der Musa cv in Resistenz- bzw. Anfälligkeitsreaktionen ermöglicht (Fullerton und Olsen 1995).

Tab. 2 Stadien der Symptomentwicklung und Graduierung der Reaktionen von Musa cv nach Inokulation mit Mf (Fullerton und Olsen 1995)

Symptomentwicklung

Reaktion

Stadium

Symptome

Stadium/Zeit (dpi)

Grad

Pathogen

Wirt

1

1-2 mm hellbraune Flecken auf Unterseite

max. 2

1

avirulent

hochgradig

2

5-10 mm Flecken auf Unterseite, teilweise Chlorosen auf Oberseite

resistent

3

deutliche Flecken auf Ober- und Unterseite

max. 3

2

geringe Virulenz

leicht resistent

4 > 45 dpi

3

geringe Virulenz

resistent

4

10 mm nekrot. Flecken mit ext. Clorose angr. Gewebes

4 < 45 dpi

4

hohe Virulenz

leicht anfällig

4 < 30 dpi

5

sehr hohe Virulenz

hochgradig anfällig


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Übereinstimmend klassifizieren mehrere Autorengruppen (Fouré et al 1990, Sallé et al 1990, Beveraggi et al 1993, Lepoivre et al 1993) die beschriebenen Symptome auf Musa-Blättern nach Inokulation mit dem Erreger Mf in drei hinreichend voneinander unterscheidbare Reaktionen:

Die mit PR und S bezeichneten Reaktionen stellen nach Fouré (1990) verschiedene Klassen eines quantitativen Phänotyps dar, der als empfindlich gegenüber dem Pathogen zusammengefaßt werden kann.

Soweit die angebauten Musa cv auf ihre Reaktion gegenüber dem Erreger Mf untersucht worden sind, besteht ein deutlicher Zusammenhang zwischen den Sorten innerhalb einer Genomgruppe (Abschnitt 3.1.1, Tabelle 5) bezüglich der Symptomentwicklung (mit Ausnahme der hypersensitiven Reaktion), der im folgenden Abschnitt betrachtet werden soll.

2.4.4. Spezifität und genetische Basis des Wirt-Pathogenverhältnisses

Die Spezifität des Wirt-Pathogen-Verhältnisses wird auf verschiedenen taxonomischen Ebenen beider beteiligter Organismen bestimmt (siehe Abschnitt 2.1, Tabelle 1). Als Artenspezifität (”species-species-specificity“) wird dabei die Ausbildung eines kompatiblen Pathosystems zwischen der Erregerart und den Wirten derselben Pflanzenart bezeichnet; die Sortenspezifität (”race-cultivar-specificity“) bezieht sich auf die Fähigkeit eines Pathotyps oder forma specialis eines bestimmten Pathogens zur Besiedlung bestimmter Sorten einer Pflanzenart (Heath 1981, Bailey 1983, 1991). Im Falle des hier betrachteten Pathosystems Schwarze Sigatokakrankheit sind kompatible Wirt-Pathogen-Verhältnisse auf der Artenebene nur zwischen Mf und Musa sp aufgetreten (Stover und Simmonds1987). Die Sortenspezifität ist auf Seiten des Wirtes durch die drei beschriebenen Reaktionen gegenüber Isolaten des Erregers beschrieben; bezüglich des Pathogens sind bisher keine Pathotypen definiert worden, nach Untersuchungen von Fullerton und Olsen (1991) weisen einige Isolate allerdings eine unterschiedliche Pathogenität gegenüber verschiedenen Musa cv auf (Tabelle 3b). Die Ergeb-


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nisse der Untersuchungen an 57 Isolaten von Mf unter Einsatz von RFLP durch Carlier et al (1994) zeigen einen hohen Grad an Polymorphismus zwischen Isolaten aus verschiedenen Regionen (Entfernungsindex Dxy > 0.15), der jedoch nicht mit Daten zur Pathogenität und Virulenz gegenüber Musa cv in Beziehung gesetzt wurde.

Tab. 3 Spezifität von Wirt-Pathogen-Beziehungen bei Mycosphaerella spp und Musa sp
a Artenspezifität von Mycosphaerella spp gegenüber verschiedenen Wirtspflanzenarten (Stover und Simmonds 1987, Oku et al 1987)

Mycosphaerella

Musa

sp

Chrysanthemum moliforium

Cucumis sativus

Pisum sativum

Ribes nigrum

  • fijiensis

S

R

R

R

R

  • ligulicula

R

S

R

R

R

  • melonis

R

R

S

R

R

  • musicola

S

R

R

R

R

  • pinodes

R

R

R

S

R

  • ribis

R

R

R

R

S

Tab. 3 Spezifität von Wirt-Pathogen-Beziehungen bei Mycosphaerella spp und Musa sp
b Sortenspezifität von Mf-Isolaten gegenüber verschiedenen Musa-Varietäten (Tezenas du Montcel 1990, Fullerton und Olsen 1991, Okole 1995)

Mf-Isolat:

T8

(AAAA)

Yangambi

(AAA)

Paka

(AA)

Calcutta

(AA)

Cachaco

(ABB)

  • 294 (W. Samoa)

R

R

R

S

PR

  • 318 (PNG)

R

R

R

n.b.

n.b.

  • 689 (Rarotonga)

S

S

S

R

n.b.

  • 743 (Tonga)

S

S

S

S

n.b.

n.b. = nicht bekannt

Die genetische Analyse der Resistenz von Musa cv gegenüber dem Erreger Mf ist nach Fouré (1993) lange Zeit nicht möglich gewesen, da die Forschung auf die für die Bananenproduktion wichtigen triploiden Sorten mit ihrem hohen Grad an Sterilität und Parthenokarpie (Abschnitt 2.2) konzentriert war. Eine Einbeziehung diploider fertiler Wildbananen aus der Genomgruppe AA in die Untersuchungen zur Reaktion gegenüber dem Pathogen ermöglichte jedoch deren genetische Charakterisierung und die nachfolgende Nutzung homozygotischer hochresistenter Sorten als Quelle fertiler Gameten (Fouré 1993, Ortiz und Vuylsteke 1994, Craenen und Ortiz 1996). Die Ergebnisse dieser Kreuzungsexperimente werden mit dem Vorhandensein von mindestens drei voneinander unabhängigen Genloci erklärt, von denen


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das rezessive Allel des Hauptlocus (bs1) und zwei additive Nebenloci (bsr1 und bsr2) für die Resistenzreaktion verantwortlich gemacht werden. Diese Gene verursachen einen starken Dosierungseffekt bei zunehmendem Ploidiegrad, der den im Feld zu beobachtenden höheren Grad an Resistenz in tetraploiden Pflanzen im Vergleich zu diploiden Bananen erklärt (Ortiz 1995). Das Vorhandensein rezessiver Resistenzgene in anfälligen Pflanzen wird durch die Expression des dominanten Hauptgens für Empfindlichkeit (BS1) maskiert (Craenen und Ortiz 1996). Damit kann nach Ortiz und Vuylsteke (1994) die Inkompatibilität von Musa gegenüber Mf als ein Beispiel quantitativer Resistenz angesehen werden, die durch die Funktion multipler rezessiver Allele eine graduelle Abwehrreaktion hervorruft. Nach der Gen-für-Gen-Hypothese erfordert eine Überwindung dieses Resistenzmechanismus eine dominante Mutation an einem Hauptlocus für Virulenz auf Seiten des Erregers, die nach Flor (1971) nur sehr selten vorkommt, allerdings ist bei dem Heterokaryonthen Mf eine höhere Mutationsrate durch vegetative Hybridisierung zu erwarten.

Im Falle der mit dem Phänomen der hypersensitiven Reaktion in Zusammenhang gesetzten Sorte Yangambi km 5 ist zu betonen, daß infolge deren Sterilität bisher keine genetische Analyse der HR vorliegt und damit wichtige Aussagen über die Ursache der Inkompatibilität nicht getroffen werden konnten (Fullerton und Olsen 1991). Umfangreiche Kreuzungsexperimente von Fouré und Tomekpe (1996) unter Einschluß der HR-Sorte Calcutta (Genom AA) zeigten einen hohen Vererbungsgrad des hypersensitiven Phänotyps; die Ergebnisse dieser Untersuchung waren nach Aussage der Autoren ein weiterer Beleg für die Komplexität der genetischen Basis der Resistenz gegenüber der Schwarzen Sigatokakrankheit.

2.4.5. Mechanismen der inkompatiblen Wirt-Pathogeninteraktion

Abwehrreaktionen von Pflanzen gegenüber Krankheitserregern können als strukturelle, d.h. morphologische, histologische und cytologische Faktoren einerseits sowie als biochemische und physiologische Mechanismen andererseits zusammengefaßt werden. Je nach dem Zeitpunkt der Bildung von sekundären Pflanzeninhaltsstoffen, die zur inkompatiblen Interaktion führen, wird zwischen prä- und postinfektionellen Reaktionen unterschieden (Agrios 1988, Oku 1992, Collinge et al 1994). Ist für die Pathogenität oder Virulenz des Erregers die Wirkung von wirtsspezifischen oder -unspezifischen Toxinen von Bedeutung, sind ebenfalls Faktoren pflanzlicher Insensitivität gegen diese Substanzen zu berücksichtigen (Durbin 1983). Die Abwehrmechanismen von Musa gegenüber Pathogenen der Gattung Mycosphaerella sind folgendermaßen gegliedert (Jeger et al 1995): Präformierte Substanzen, strukturelle Faktoren, postinfektionelle Substanzen und Insensitivität gegenüber pilzlichen Toxinen. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Arbeiten verschiedener Autoren zu Abwehrmechanismen von Musa sp gegenüber pilzlichen Krankheitserregern zusammengefaßt:


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Tab. 4 Literaturübersicht zu Untersuchungen von Abwehrmechanismen von Musa sp gegenüber pilzlichen Krankheitserregern

untersuchte Komponente

Autoren

Präformierte Substanzen

Aminosäuren, C/N-Verhältnis

Phenole, Kohlenhydrate

Rangaswami und Natarajan (1966)

Jayapal und Mahadevan (1968)

Strukturelle Faktoren

Histologie, Polyphenole

Stomatadichte

Blattmorphologie

Sallé et al (1990)

Vazquez et al (1990)

Beveraggi et al (1993)

Postinfektionelle Abwehrstoffe

Glukanase, Chitinase

Phytoalexine

Peroxidase, PAL

Lepoivre et al (1993)

Luis et al (1993, 1994, 1995, 1996)

Okole (1995)

Pilzliche Toxine

Rohextrakte

Fijiensin

2,4,8-THT

Molina und Krausz (1989), Natural (1990)

Upadhyay et al (1990)

Stierle et al (1991), Okole (1995)

2.4.5.1. Präformierte Substanzen

Erste Untersuchungen von Rangaswami und Natarajan (1966) bezogen sich auf die Analyse von Blattinhaltsstoffen in gesunden und infizierten Musa-Blättern einer anfälligen Sorte; dabei traten nach einer Infektion mit Mycosphaerella musicola verminderte Gehalte an einigen Aminosäuren und ein reduziertes C/N-Verhältnis auf, die als Ursache oder Wirkung des Befalls interpretiert werden können. Ein Vergleich resistenter und anfälliger Sorten durch Jayapal und Mahadevan (1968) zeigte einen höheren Gehalt an Phenolen, reduzierenden und nichtreduzierenden Zuckern und einen geringeren Gehalt an Amino-Stickstoff bei einer gegenüber Mycosphaerella musae resistenten Sorte von Musa balbisiana. Mourichon et al (1990) untersuchten die Rohextrakte nicht infizierter Musa-Blätter jeweils einer hochgradig (HR) und teilweise resistenten (PR) sowie anfälligen (S) Sorte auf ihre Wirksamkeit gegenüber dem Wachstum von Mf; die Extrakte der beiden resistenten Sorten bewirkten eine verminderte Sporenkeimung und geringere Keimschlauchlängen; zwei fungitoxische Fraktionen konnten dünnschichtchromatographisch getrennt werden. Nach Beobachtungen von Gauhl et al (1995) beeinflußt der Gehalt an Stärke und Zucker im Blatt die Entwicklung der Schwarzen Sigatokakrankheit.


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2.4.5.2. Strukturelle Faktoren

Bei Untersuchungen von Musa-Gewebe aller drei bekannten Reaktionstypen gegenüber Mf (HR, PR, S) durch Sallé et al (1990) wurden keine histologischen Unterschiede im Blattaufbau festgestellt. Allerdings zeigten die Menge und die Verteilung osmiophiler Substanzen in den Zellen der verschiedenen Sorten spezifische Charakteristika, die sich nach Infektion mit dem Pathogen noch verstärkten: In der HR-Sorte sind osmiophile Strukturen nur als dünne Schicht auf der Innenseite des Tonoplasten zu beobachten, in der PR-Reaktion sind prä- und in zunehmendem Maße postinfektionell osmiophile Bereiche im Palisaden- und Schwammparenchym sichtbar, die bei der empfindlichen Sorte eine schnellere Ausdehnung zeigen. Diese Bereiche sind als Polyphenole angesprochen worden, die entweder zur Abwehrreaktion der Pflanze gehören oder als Folgeerscheinung nach Pilzbefall interpretiert werden können (Sallé et al 1990). In Untersuchungen zum Infektionsprozeß konnten keine anatomischen Unterschiede zwischen verschiedenen Musa-Sorten festgestellt werden, allerdings wurde eine größere Anzahl an Stomata auf der Blattoberseite der empfindlichen Sorte beobachtet (Vazquez et al 1990). Die Beziehung zwischen höherer Stomatadichte und Resistenz gegenüber dem Erreger wird allerdings durch den Einfluß verschiedener Genome der untersuchten Musa cv beeinflußt, die die Herleitung eines direkten ursächlichen Zusammenhanges zur Infektion nicht erlauben (Jeger et al 1995). Die Wachsanreicherung auf der Oberseite der Kutikula im Verlauf der physiologischen Alterung der Blätter ist in allen untersuchten Sorten gleich, die Infektion erfolgt unter natürlichen Bedingungen am sich entfaltenden jüngsten Blatt (Beveraggi et al 1993).

2.4.5.3. Postinfektionelle Abwehrstoffe

Als postinfektionelle Abwehrstoffe werden die Produkte von chemischen Reaktionen der Pflanze als Antwort auf einen Befall mit mikrobiellen Erregern bezeichnet (Agrios 1988, Ouchi 1991, Oku 1992, Elstner et al 1996). Dazu gehören:


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Die Hypersensitivitätsreaktion inkompatibler Wirt-Pathogenbeziehungen wird in diesem Zusammenhang als ein komplexer Mechanismus zur Abwehr biotropher Erreger angesehen, der mit weiteren Abwehrmaßnahmen der Pflanze in Beziehung steht.

Im Falle der Wirtspflanze Musa sp liegen Untersuchungen zu folgenden Komponenten der Abwehr pilzlicher Erreger vor: Eine Untersuchung von hydrolytischen Enzymen bei verschiedenen Musa cv durch Lepoivre et al (1993) zeigte eine erhöhte Aktivität der Gesamtglukanase und Chitinase bei der HR-Sorte Yangambi km 5 wenige Tage nach Inokulation mit Mf. Nach Ergebnissen von Okole (1995) wurde die Aktivität der Phenylalanin-Ammoniumlyase (PAL) und Peroxidase von inokulierten Musa cv (HR- und S-Sorte) innerhalb von 24 Stunden nach Inokulation mit dem Erreger gesteigert; ebenso stieg der Gehalt an ortho-Dihydrophenol deutlich an; ein signifikanter Unterschied zwischen verschiedenen Sorten der Wirtspflanze bestand aber nicht. Eine Arbeitsgruppe von Luis et al (1993, 1994, 1995) beschrieb die Isolierung und Identifizierung mehrerer Phytoalexine aus Musa acuminata (Genom AAA, empfindliche Sorten Grand Dwarf und Valery) nach Induktion mit dem Antibiotikum Kanamycin: Dabei wurden aus dem Blattgewebe und aus der Frucht die beiden Phenalenone Irenolon und Emenolon (C19H12O3, MW = 288 Da) als Produkte des Phenylalanin/Tyrosin-Metabolismus charakterisiert; vier weitere als Phytoalexine bezeichnete Substanzen (Musanolon C bis F, MW = 306 bis 336 Da) wurden ebenfalls isoliert (Luis et al 1996). Über die Wirkungen dieser Substanzen gegenüber pilzlichen Erregern sowie deren Vorkommen und Funktion in Mf-resistenten Sorten liegen keine Angaben vor.

Im Falle der Interaktion zwischen Musa cv und den als Toxinen postulierten Sekundärmetaboliten von Mf liegen keine Untersuchungen über mögliche Ursachen der Insensitivität vor.

In verschiedenen Arbeiten ist aber die Wirkung von Mf-Extrakten und dessen Fraktionen bzw. Bestandteilen auf unterschiedliche Musa cv beschrieben worden: Molina und Krausz (1989) verwendeten Rohextrakte des Erregers zur Behandlung verschiedener Musa cv und berichteten von einer nekrotischen Reaktion der Sorten auf die Behandlung mit verdünnten Rohextrakten, die der Empfindlichkeit gegenüber Mf analog war. Natural (1990) konnte bei Anwendung einer vergleichbaren Methode demgegenüber keine unterschiedlichen Reak-


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tionen zwischen resistenten und empfindlichen Sorten feststellen. Erstmals isolierten Upadhyay et al (1990) aus Mf-Rohextrakten das heterocyclische Fijiensin, das keine Wirtsspezifität gegenüber verschiedenen Musa cv aufwies. Stierle et al (1991) isolierten mehrere Fraktionen aus Mf-Rohextrakten und beobachteten eine Insensitivität der resistenten Musa cv IV-9 (Genom AA) gegenüber dem pilzlichen Metaboliten 2,4,8-THT bei Dosen bis zu 10 µg 5 µl-1. Dieses Ergebnis führte zu der Postulierung des 2,4,8-THT als wirtsspezifisches Toxin (HST), das nach Novak et al (1993) ein hohes Potential für die Nutzung wirtsspezifischer Toxine zur Induktion oder zum screening resistenter Musa cv bietet. Nach Lepoivre et al (1993) entspricht die Reaktion der HR-Sorte Yangambi km 5 (Genom AAA) auf verschiedene Dosen des Kulturfiltrates von Mf allerdings derjenigen der empfindlichen Sorte Horn (AAB), wohingegen die PR-Sorte Fougamou (ABB) eine verminderte Sensitivität gegenüber den Toxinen aufweist. Die Untersuchungen von Okole (1995) wurden mit verschiedenen Fraktionen der durch Dünnschichtchromatographie getrennten Rohextrakte von Mf durchgeführt: Dabei traten bei allen isolierten Substanzen, darunter auch 2,4,8-THT und Juglon, deutliche Unterschiede im Durchmesser der nekrotischen Flecke auf den Blättern der verschiedenen Musa cv auf, die der spezifischen Reaktion gegenüber dem Pathogen entsprachen; bei Anwendung von 2,4,8-THT auf Kalli bzw. Dünnschnittpräparate aus dem Stengelbereich (”micro-cross section“) reagierte die empfindliche Sorte Horn (AAB) mit leicht höherer Sensitivität als die HR-Sorte Yangambi km 5 (AAA). In einem weiteren Versuch wurden resistente Pflanzen aus einer Population anfälliger Musa cv durch ein doppeltes Screeningsystem aus pilzlichem Rohextrakt und 2,4,8-THT selektiert und auf ihre Reaktion gegenüber Mf geprüft: Zwischen 58 und 96 % der regenerierten Pflanzen waren resistent gegen verschiedene Isolate des Erregers unter in vivo-Bedingungen (Okole und Schulz 1997).

Insgesamt liegen zu der Frage der Spezifität und der möglichen Wirkungen verschiedener Substanzen und deren Gemischen aus Rohextrakten des Erregers Mf unterschiedliche und teilweise widersprüchliche Ergebnisse vor. Insbesondere die Interpretation der beobachteten praktischen Erfolge erfordert eine weitergehende Untersuchung dieser pauschal als Toxine bezeichneten Metaboliten.


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