Is Fusarium meridionale more adapted as Gibberella Ear and Stalk Rot pathogen of maize than F. graminearum? Comparative epidemiology and toxigenicity

Abstract

Gibberella ear (GER) and stalk rot (GSR) diseases of maize in Brazil are caused mainly by Fusarium meridionale, a species belonging to the Fusarium graminearum species complex (FGSC). Another species within this complex, F. graminearum, is second in importance on maize but is the main species causing Fusarium Head Blight disease of wheat in Brazil. This species is also the predominant cause of GER and GSR in North America, where F. meridionale has never been found. One hypothesis for the observed shift in dominance on different hosts where these species co-occur is that F. meridionale is more fit and adapted on maize than F. graminearum, and vice-versa. We undertook a thorough comparative analysis of pathogenic and saprophytic fitness- related traits using a collection of strains representative of the two species and hosts of origin in order to test this hypothesis. First, four field trials were conducted at different locations and hybrids to compare the aggressiveness (measure of GER severity) of two F. meridionale and two F. graminearum strains, all isolated from maize, inoculated singly or sequentially and alternately at the silking stage. Overall, GER severity was highest in plants inoculated with F. meridionale alone (52.1%); intermediate when inoculation with F. meridionale was followed by F. graminearum (Fmer⇾Fgra, 40.3%) or when F. graminearum was followed by F. meridionale (Fgra⇾Fmer, 38.3%); and lowest in plants inoculated with F. graminearum alone (23.8%). Only nivalenol (NIV) mycotoxin was detected in kernels from F. meridionale inoculations, and deoxynivalenol (DON) was the only mycotoxin found in F. graminearum inoculations. Approximately equal amounts of NIV and DON (1.2:1), along with zearalenone (ZON), were found in Fmer⇾Fgra, but only NIV could be detected in the Fgra⇾Fmer treatments. These results suggested that F. meridionale was more aggressive to maize than F. graminearum. However, this experiment included only a small number of isolates and so in a second study we used a much larger sample comprised of 16 isolates of F. graminearum (12 from wheat, four from maize), and 25 isolates of F. meridionale (nine from wheat, 16 from maize) to inoculate maize ears and stalks in the field. Field trials with four commercial maize hybrids were conducted during the winter and the summer growing seasons in Viçosa, MG. The host of origin made no difference in GER or GSR severity caused by isolates of either species. However, F. meridionale isolates were twice as aggressive as F. graminearum isolates infecting ears, while F. graminearum was, on average, slightly more aggressive on maize stalks than F. meridionale, regardless of the hybrid. Around half of F. graminearum strainsproduced primarily DON and 15ADON, whereas two thirds of F. meridionale strains produced only NIV. Mycotoxins were not detected in the remaining samples. In a third study, a slightly expanded collection consisting of 18 F. graminearum isolates (12 from wheat and six from maize) and 27 F. meridionale isolates (nine from wheat and 18 from maize) were compared in relation to 17 different saprophytic, pathogenic, and toxigenic traits. Although there was significant intraspecies variation for most traits, the strains were strongly structured by species regardless of the host of origin, based on a multivariate analysis. Results showed that F. graminearum was a more aggressive pathogen of wheat and produced higher numbers of macroconidia, perithecia, and ascospores in culture. All F. graminearum strains produced primarily DON in rice cultures or in wheat heads. On the other hand, F. meridionale was a more aggressive colonizer of maize silks and grew faster in culture. All F. meridionale strains produced mainly NIV both in vitro and in planta, with the exception of two strains from maize that produced more DON in wheat heads. The results of this study contribute new data on the biology of these species in subtropical and tropical conditions in Brazil. They suggest that differential aggressiveness and toxigenicity as partial explanations for the predominance of F. meridionale on maize and F. graminearum on wheat, and they lay a foundation for developing further hypotheses to explain these associations. Keywords: Triticum aestivum. Zea mays. Fusarium head blight. Nivalenol. Deoxynivalenol

Podridão de Gibberella em espiga (GER) e em colmo (GSR) do milho no Brasil são causadas principalmente por Fusarium meridionale, uma espécie pertencente ao complexo de espécies de Fusarium graminearum (FGSC). Outra espécie do complexo, F. graminearum, é a causa mais importante da giberela do trigo e a segunda em milho no Brasil e a principal ou a única causa de GER e GSR em muitos países. Uma hipótese para essa mudança observada na dominância em diferentes hospedeiros, onde estas espécies coocorrem, é que F. meridionale é mais adaptado ao milho que F. graminearum e vice-versa. Realizamos uma análise comparativa de características patogênicas e saprofíticas para uma coleção de isolados representando as duas espécies e tendo como hospedeiros de origem o trigo ou o milho, a fim de testar esta hipótese. Primeiramente, foi realizado um estudo de campo em quatro locais usando três diferentes híbridos comerciais de milho para comparar a agressividade (medida da severidade de GER) de dois isolados de F. meridionale e dois de F. graminearum, todos obtidos do milho, inoculadas sozinhos ou sequencialmente alternados no estágio de florescimento. No geral, a severidade de GER foi maior nas plantas inoculadas apenas com F. meridionale (52,1%); intermediário quando a inoculação com F. meridionale foi seguida por F. graminearum (Fmer⇾Fgr, 40,3%) ou quando F. graminearum foi seguida por F. meridionale (Fgra⇾Fmer, 38,3%); e menor nas plantas inoculadas apenas com F. graminearum (23,8%). Somente a micotoxina nivalenol (NIV) foi detectada em grãos das inoculações com F. meridionale, e desoxinivalenol (DON) foi a única micotoxina encontrada em inoculações com F. graminearum. Quantidades aproximadamente iguais de NIV e DON (1,2: 1), juntamente com zearalenona (ZON), foram encontradas no tratamento Fmer⇾Fgr, mas apenas NIV pôde ser detectada nos tratamentos Fgra⇾Fmer. Estes resultados sugerem que F. meridionale é mais agressivo ao milho que F. graminearum. Entretanto, este experimento incluiu apenas um pequeno número de isolados e, em um segundo estudo, usamos uma amostra muito maior composta por 16 isolados de F. graminearum (12 de trigo, quatro de milho) e 25 isolados de F. meridionale (nove de trigo, 16 de milho) para inocular espigas e colmos de milho no campo. Foram realizados ensaios de campo com quatro híbridos comerciais de milho durante o inverno e o verão. O hospedeiro de origem não fez diferença na severidade de GER ou GSR causada por isolados de ambas as espécies. Entretanto, isolados de F. meridionale foram duas vezes maisagressivos que isolados de F. graminearum em espigas, enquanto F. graminearum foi, em média, um pouco mais agressivo em colmos de milho que F. meridionale, independentemente do híbrido. Cerca de metade dos isolados de F. graminearum produziam principalmente DON e 15ADON, enquanto dois terços dos isolados de F. meridionale produziam apenas NIV. Não foram detectadas micotoxinas nas amostras restantes. Em um terceiro estudo, uma coleção pouco maior consistindo de 18 isolados de F. graminearum (12 de trigo e seis de milho) e 27 isolados de F. meridionale (nove de trigo e 18 de milho) foram comparados em relação a 17 diferentes características saprofíticas e patogênicas e toxigênicas. Embora tenha existido variação intra-específica significativa para a maioria das características, os isolados foram fortemente estruturados por espécie, independentemente do hospedeiro de origem, com base na análise multivariada. Os resultados mostraram que F. graminearum era um patógeno mais agressivo ao trigo e produziu maior número de macroconídios, peritécios e ascósporos em meio de cultura. Todos os isolados de F. graminearum produziram principalmente DON em culturas de arroz ou em espigas de trigo. Por outro lado, F. meridionale foi um colonizador mais agressivo de estigmas de milho e cresceu mais rapidamente em meio de cultura. Todos os isolados de F. meridionale produziram principalmente NIV in vitro e in planta, com exceção de dois isolados de milho que produziram mais DON em espigas de trigo. Os resultados deste estudo contribuem com novos dados sobre a biologia dessas espécies em condições subtropicais e tropicais no Brasil. Eles sugerem uma agressividade e toxigenicidade diferencial como explicações parciais para a predominância de F. meridionale no milho e F. graminearum no trigo, estabelecendo bases para o desenvolvimento de novas hipóteses para explicar essas associações. Palavras-chave: Triticum aestivum. Zea mays. Giberela do trigo. Nivalenol. Desoxinivalenol