Fusarium verticillioides infection and fumonisin production during maize kernel maturation
Date
2021-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Maize (Zea mays. L), a cereal crop readily consumed by humans and animals globally, is
subject to infection by fungal pathogens such as Fusarium verticillioides. This pathogen is
found wherever maize is grown, causes Fusarium ear rot (FER) and is also capable of
producing harmful secondary metabolites known as mycotoxins. Fumonisins are the most
important class of mycotoxins. Fumonisin contaminated maize has been associated with
irreversible, nocuous effects in humans and animals. For this reason, fumonisins are of great
concern to farmers and researchers. More recently, attention has been given to hidden
fumonisins. These are fumonisin molecules trapped within the maize kernel that are not
detected during mycotoxin screening and are potentially liberated upon ingestion, thus
contributing to a greater risk of exposure.
Fusarium verticillioides can be managed using cultural practices and controlling maize-
feeding insects. However, once conditions that favour the growth of the pathogen occur, these
practices are no longer adequate to prevent fungal infection in the field. Not only is the use of
chemicals not feasible, but there are also no registered chemicals available for the control of
F. verticillioides in South Africa. Incorporating host resistance into locally adapted maize serves
as the most environmentally friendly means of managing F. verticillioides. This requires a better
understanding of factors that may contribute to disease development and progression. As the
physical and biochemical composition of maize contribute to resistance to FER, understanding
the relationship between structural and physico-chemical factors and fungal infection as well
as fumonisin contamination would provide pivotal knowledge for breeding resistant maize
cultivars.
In this study, we utilised locally adapted maize inbred lines with known response to
FER and/or fumonisin contamination to investigate the role that structural traits, such as husk
coverage, silk length, silk detachment and silk browning, may have on FER and/or fumonisin
and hidden fumonisin contamination. We also investigated physico-chemical properties of the
maize kernel, such as pH, moisture, total carbon and nitrogen, fatty acids and starch in the
form of amylopectin. Maize ears were inoculated at 7 days after pollination (dap) while another
independent set of maize plants were inoculated 35 dap and grain was subsequently harvested
at 7, 28, 42 and 52 days after inoculation (dai). Infection indicators (FER disease severity, F.
verticillioides target DNA and fumonisin contamination) as well as hidden fumonisins were
correlated with the physico-chemical properties.
Fusarium verticillioides growth and fumonisins increased progressively over time after
inoculation, reaching a maximum at 52 dai for both inoculation events with significant
differences between inoculated and control maize grain. Inoculated grain of resistant lines
accumulated lower levels of F. verticillioides target DNA and fumonisins when inoculated 7
dap, however, when inoculated 35 dap resistant lines showed an increase in fumonisin
contamination. The susceptible line accumulated high levels of fungal DNA and fumonisins in
both inoculation events. Of the physico-chemical properties evaluated, pairwise correlations
revealed that carbon and nitrogen had strong significant association with fungal DNA at both
inoculation events. Silk browning, carbon, nitrogen and C/N were also significantly correlated
with infection indicators. Moisture content had a significant negative association with fungal
DNA at both inoculation events. Amylopectin increased over time in Inoculation Event 1 and
remained constant in Inoculation Event 2 while no significant associations were observed
between amylopectin and infection indicators. The fatty acid profile showed a synchronised
increase and decrease over time, however, no significant associations with infection indicators
or hidden fumonisins were noted. Hidden fumonisins extracted using alkaline hydrolysis was
significantly higher when only free hydrolysed fumonisins was extractedusing a standard
fumonisin extraction. Furthermore, hidden fumonisins followed a similar trend as free
fumonisins, increasing over time after inoculation and peaking at the mature stages of kernel
development. Inoculated resistant maize grain accumulated significantly less hidden
fumonisins. Lastly, there were no significant correlations between hidden fumonisins and any
of the physico-chemical factors evaluated.
This study demonstrated that F. verticillioides growth and fumonisin accumulation in
maize grain is dependent on the timing of infection and is not triggered by a specific kernel
developmental stage. Response of maize lines should also be assessed by artificially
inoculating early stages of kernel maturation to determine accurate plant response in matured
grain. Physico-chemical factors, such as carbon, nitrogen and C/N, may serve as indicators of
potential resistance to F. verticillioides and/or fumonisins. The maize inbred lines used in this
study can now be further classified according to their ability to accumulate both free fumonisins
and hidden fumonisins.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Mielies (Zea mays. L), ‘n graangewas wat grootskaals deur die mens en diere wêreldwyd verbruik word, is onderhewig aan infeksie deur swampatogene soos Fusarium verticillioides. Hierdie patogeen word gevind waar mielies ook al verbou word, veroorsaak Fusarium kop vrot (FER) en is ook in staat om skadelike sekondêre metaboliete, bekend as mikotoksiene, te produseer. Fumonisiene is die belangrikste klas van mikotoksiene. Fumonisien- gekontamineerde mielies is al met onomkeerbare, giftige effekte in mense en diere geassosieer. Om hierdie rede is fumonisiene rede tot groot kommer vir produsente en navorsers. Aandag is meer onlangs aan versteekte fumonisiene gegee. Hierdie is fumonisien molekules wat in die mieliekern vasgevang is en wat nie gedurende mikotoksien toetsing waargeneem word nie, en potensieel gedurende inname vrygestel word, en sodoende tot ʼn groter blootstellingsrisiko bydra. Fusarium verticillioides kan deur verbouingspraktyke en beheer van mielie-vretende insekte bestuur word. Sodra toestande wat die groei van die patogeen bevorder voorkom, is hierdie toestande egter nie meer voldoende om swam-infeksie in die veld te voorkom nie. Nie net is die gebruik van chemikalieë onuitvoerbaar nie, maar daar is ook geen geregistreerde chemikalieë beskikbaar vir die beheer van F. verticillioides in Suid-Afrika nie. Die inkorporering van gasheerweerstand in plaaslik-aangepaste mielies, dien as die mees omgewingsvriendelike wyse van bestuur van F. verticillioides. Dit vereis beter kennis van faktore wat tot siekte-ontwikkeling en -vordering kan bydra. Aangesien die fisiese en biochemiese samestelling van mielies tot weerstand teen FER bydra, kan kennis oor die verhouding tussen strukturele en fisiek-chemiese faktore en swam-infeksie, asook fumonisien kontaminasie, sleutel kennis tot die teel van weerstandbiedende mielie kultivars bydra. In hierdie studie is plaaslik-aangepaste mielie inteellyne met bekende reaksie tot FER en/of fumonisien kontaminasie gebruik om die rol wat strukturele kenmerke, soos mieliekop blaar bedekking, mieliekop baard lengte, baard losmaking en baard verbruining, op FER en/of fumonisien en versteekte fumonisien kontaminasie het, ondersoek. Ons het ook fisiek- chemiese eienskappe van die mieliekern, soos pH, vog, totale koolstof en stikstof, vetsure en stysel in die vorm van amilopektien, ondersoek. Mielie koppe is op 7 dae ná bestuiwing (dap) geïnokuleer, terwyl ʼn ander onafhanklike stel van mielieplante op 35 dap geïnokuleer is, en graan is gevolglik op 7, 28, 42 en 52 dae ná inokulasie (dai) geoes. Infeksie indikators (FER siekte intensiteit, F. verticillioides teiken DNS en fumonisien kontaminasie) asook versteekte fumonisiene is met die fisiek-chemiese eienskappe gekorreleer. Fusarium verticillioides groei en fumonisiene het progressief oor tyd ná inokulasie toegeneem, en het ʼn maksimum op 52 dai vir beide inokulasie gebeurtenisse bereik, met betekenisvolle verskille tussen geïnokuleerde en kontrole mieliegraan. Geïnokuleerde graan van weerstandbiedende lyne het laer vlakke van F. verticillioides teiken DNS en fumonisiene geakkumuleer wanneer geïnokuleer op 7 dap, maar wanneer egter geïnokuleer op 35 dap, het weerstandbiedende lyne ʼn toename in fumonisien kontaminasie getoon. Vatbare lyne het hoë vlakke van swam DNS en fumonisiene in beide inokulasie gebeurtenisse geakkumuleer. Van die fisiek-chemiese eienskappe wat geëvalueer is, het paarsgewys korrelasies getoon dat koolstof en stikstof sterk betekenisvolle assosiasie met swam DNS by beide inokulasie gebeurtenisse gehad het. Mieliekop baard verbruining, koolstof, stikstof en C/N was ook betekenisvol met infeksie indikators gekorreleer. Vog-inhoud het ʼn betekenisvolle negatiewe assosiasie met swam DNS by beide inokulasie gebeurtenisse gehad. Amilopektien het met tyd in Inokulasie Gebeurtenis 1 toegeneem en het konstant gebly in Inokulasie Gebeurtenis 2, terwyl geen betekenisvolle assosiasies tussen amilopektien en infeksie indikators waargeneem is nie. Die vetsuur profiel het ʼn gesinkroniseerde toename en afname oor tyd getoon, maar geen betekenisvolle assosiasies is egter met infeksie indikators of versteekte fumonisiene waargeneem nie. Versteekte fumonisiene wat geëkstraheer is, deur gebruik te maak van alkaliese hidrolise, was betekenisvol hoër as vry gehidroliseerde fumonisiene verkry, deur gebruik te maak van ʼn standaard fumonisien ekstraksie. Versteekte fumonisiene het verder ʼn soortgelyke tendens gevolg as vry fumonisiene, deur oor tyd ná inokulasie toe te neem, en te piek by die volwasse stadia van korrel ontwikkeling. Geïnokuleerde weerstandbiedende mieliegraan het betekenisvol minder versteekte fumonisiene geakkumuleer. Laastens, daar was geen betekenisvolle korrelasies tussen versteekte fumonisiene en enige van die fisiek-chemiese faktore wat geëvalueer is nie. Hierdie studie demonstreer dat F. verticillioides groei en fumonisien akkumulasie in mieliegraan, afhanklik is van die tyd van infeksie en word nie aangeskakel deur ʼn spesifieke korrel ontwikkelingsstadium nie. Reaksie van mielielyne moet ook vasgestel word deur kunsmatige inokulasie van vroeë stadia van korrel rypwording, ten einde akkurate plantreaksie in volwasse graan te bepaal. Fisiek-chemiese faktore, soos koolstof, stikstof en C/N, kan as indikators van potensiële weerstand dien. Die mielie inteellyne wat in hierdie studie gebruik is, kan nou verder geklassifiseer word volgens hul vermoë om beide vry fumonisiene en versteekte fumonisiene te akkumuleer.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Mielies (Zea mays. L), ‘n graangewas wat grootskaals deur die mens en diere wêreldwyd verbruik word, is onderhewig aan infeksie deur swampatogene soos Fusarium verticillioides. Hierdie patogeen word gevind waar mielies ook al verbou word, veroorsaak Fusarium kop vrot (FER) en is ook in staat om skadelike sekondêre metaboliete, bekend as mikotoksiene, te produseer. Fumonisiene is die belangrikste klas van mikotoksiene. Fumonisien- gekontamineerde mielies is al met onomkeerbare, giftige effekte in mense en diere geassosieer. Om hierdie rede is fumonisiene rede tot groot kommer vir produsente en navorsers. Aandag is meer onlangs aan versteekte fumonisiene gegee. Hierdie is fumonisien molekules wat in die mieliekern vasgevang is en wat nie gedurende mikotoksien toetsing waargeneem word nie, en potensieel gedurende inname vrygestel word, en sodoende tot ʼn groter blootstellingsrisiko bydra. Fusarium verticillioides kan deur verbouingspraktyke en beheer van mielie-vretende insekte bestuur word. Sodra toestande wat die groei van die patogeen bevorder voorkom, is hierdie toestande egter nie meer voldoende om swam-infeksie in die veld te voorkom nie. Nie net is die gebruik van chemikalieë onuitvoerbaar nie, maar daar is ook geen geregistreerde chemikalieë beskikbaar vir die beheer van F. verticillioides in Suid-Afrika nie. Die inkorporering van gasheerweerstand in plaaslik-aangepaste mielies, dien as die mees omgewingsvriendelike wyse van bestuur van F. verticillioides. Dit vereis beter kennis van faktore wat tot siekte-ontwikkeling en -vordering kan bydra. Aangesien die fisiese en biochemiese samestelling van mielies tot weerstand teen FER bydra, kan kennis oor die verhouding tussen strukturele en fisiek-chemiese faktore en swam-infeksie, asook fumonisien kontaminasie, sleutel kennis tot die teel van weerstandbiedende mielie kultivars bydra. In hierdie studie is plaaslik-aangepaste mielie inteellyne met bekende reaksie tot FER en/of fumonisien kontaminasie gebruik om die rol wat strukturele kenmerke, soos mieliekop blaar bedekking, mieliekop baard lengte, baard losmaking en baard verbruining, op FER en/of fumonisien en versteekte fumonisien kontaminasie het, ondersoek. Ons het ook fisiek- chemiese eienskappe van die mieliekern, soos pH, vog, totale koolstof en stikstof, vetsure en stysel in die vorm van amilopektien, ondersoek. Mielie koppe is op 7 dae ná bestuiwing (dap) geïnokuleer, terwyl ʼn ander onafhanklike stel van mielieplante op 35 dap geïnokuleer is, en graan is gevolglik op 7, 28, 42 en 52 dae ná inokulasie (dai) geoes. Infeksie indikators (FER siekte intensiteit, F. verticillioides teiken DNS en fumonisien kontaminasie) asook versteekte fumonisiene is met die fisiek-chemiese eienskappe gekorreleer. Fusarium verticillioides groei en fumonisiene het progressief oor tyd ná inokulasie toegeneem, en het ʼn maksimum op 52 dai vir beide inokulasie gebeurtenisse bereik, met betekenisvolle verskille tussen geïnokuleerde en kontrole mieliegraan. Geïnokuleerde graan van weerstandbiedende lyne het laer vlakke van F. verticillioides teiken DNS en fumonisiene geakkumuleer wanneer geïnokuleer op 7 dap, maar wanneer egter geïnokuleer op 35 dap, het weerstandbiedende lyne ʼn toename in fumonisien kontaminasie getoon. Vatbare lyne het hoë vlakke van swam DNS en fumonisiene in beide inokulasie gebeurtenisse geakkumuleer. Van die fisiek-chemiese eienskappe wat geëvalueer is, het paarsgewys korrelasies getoon dat koolstof en stikstof sterk betekenisvolle assosiasie met swam DNS by beide inokulasie gebeurtenisse gehad het. Mieliekop baard verbruining, koolstof, stikstof en C/N was ook betekenisvol met infeksie indikators gekorreleer. Vog-inhoud het ʼn betekenisvolle negatiewe assosiasie met swam DNS by beide inokulasie gebeurtenisse gehad. Amilopektien het met tyd in Inokulasie Gebeurtenis 1 toegeneem en het konstant gebly in Inokulasie Gebeurtenis 2, terwyl geen betekenisvolle assosiasies tussen amilopektien en infeksie indikators waargeneem is nie. Die vetsuur profiel het ʼn gesinkroniseerde toename en afname oor tyd getoon, maar geen betekenisvolle assosiasies is egter met infeksie indikators of versteekte fumonisiene waargeneem nie. Versteekte fumonisiene wat geëkstraheer is, deur gebruik te maak van alkaliese hidrolise, was betekenisvol hoër as vry gehidroliseerde fumonisiene verkry, deur gebruik te maak van ʼn standaard fumonisien ekstraksie. Versteekte fumonisiene het verder ʼn soortgelyke tendens gevolg as vry fumonisiene, deur oor tyd ná inokulasie toe te neem, en te piek by die volwasse stadia van korrel ontwikkeling. Geïnokuleerde weerstandbiedende mieliegraan het betekenisvol minder versteekte fumonisiene geakkumuleer. Laastens, daar was geen betekenisvolle korrelasies tussen versteekte fumonisiene en enige van die fisiek-chemiese faktore wat geëvalueer is nie. Hierdie studie demonstreer dat F. verticillioides groei en fumonisien akkumulasie in mieliegraan, afhanklik is van die tyd van infeksie en word nie aangeskakel deur ʼn spesifieke korrel ontwikkelingsstadium nie. Reaksie van mielielyne moet ook vasgestel word deur kunsmatige inokulasie van vroeë stadia van korrel rypwording, ten einde akkurate plantreaksie in volwasse graan te bepaal. Fisiek-chemiese faktore, soos koolstof, stikstof en C/N, kan as indikators van potensiële weerstand dien. Die mielie inteellyne wat in hierdie studie gebruik is, kan nou verder geklassifiseer word volgens hul vermoë om beide vry fumonisiene en versteekte fumonisiene te akkumuleer.
Description
Thesis (MScAgric)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
Fusarium verticillioides -- Genetics, Maize (Zea mays) -- Diseases and pests resistance, Fumonisins, Plants -- Effect of mycotoxins on, Fusarium ear rot -- Control, Hydrolysed fumonisins, Maize breeding, Physico-chemical, UCTD