A total of 1,159 Fusarium strains were isolated from sorghum grown in Danyang and Youngwol in 2017 and 2018. The isolates were analyzed to reveal genetic, toxigenic and pathogenic characteristics. Phylogenetic analysis using TEF-1α and RPB2 genes showed that the samples were contaminated with at least 17 Fusarium species. Among them, F. graminearum, F. proliferatum, F. thapsinum, F. incarnatum, and F. asiaticum were dominant species. In F. graminearum and F. asiaticum, F. graminearum-15-acetyl deoxynivalenol chemotype and F. asiaticum-nivalenol chemotype were frequent. Six Fusarium species tested produced one or more mycotoxins, except F. thapsinum and FTSC 11. F. proliferatum and F. fujikuroi had FUM1 gene (76.0% and 81.6%, respectively) and some isolates produced high level of fumonisin (over 1,000 ㎍). F. proliferatum and F. thapsinum were more virulent than other species on sorghum. These results indicate that Fusarium species in sorghum might produce multiple mycotoxins.
Fusaric acid is a mycotoxin produced by species of the fungus Fusarium and can act synergistically with other Fusarium toxins. In order to develop a specific detection method for fusaric acid-producing fungus, PCR primers were designed to amplify FUB10, a transcription factor gene in fusaric acid biosynthetic gene cluster. When PCR with Fub10-f and Fub10-r was performed, a single band (~550 bp) was amplified from F. oxysporum, F. proliferatum, F. verticillioides, F. anthophilum, F. bulbicola, F. circinatum, F. fujikuroi, F. redolens, F. sacchari, F. subglutinans, and F. thapsinum, all of which were known for fusaric acid production. Whereas the FUB10 specific band was not amplified from Fusarium species known to be trichothecene producer. Because production of fusaric acid can co-occur in species that also produce fumonisin mycotoxins, we developed a multiplex PCR assay using the FUB10 primers as well as primers for the fumonisin biosynthetic gene FUM1. The assay yielded amplicons from fumonisin producers such as F. proliferatum and F. verticillioides, allowing for the simultaneous detection of species with the genetic potential to produce both types of mycotoxins.
Fusarium graminearum (teleomorph Gibberella zeae) is an important plant pathogen that causes head blight of major cereal crops such as wheat, barley, and rice, as well as causing ear and stalk rot on maize worldwide. Plant diseases caused by this fungus lead to severe yield losses and accumulation of harmful mycotoxins in infected cereals [1]. Fungi utilize spore production as a mean to rapidly avoid unfavorable environmental conditions and to amplify their population. Spores are produced sexually and asexually and their production is precisely controlled. Upstream developmental activators consist of fluffy genes have been known to orchestrate early induction of condiogenesis in a model filamentous fungus Aspergillus nidulans. To understand the molecular mechanisms underlying conidiogenesis in F. graminearum, we characterized functions of the F. graminearum fluffy gene homologs [2]. We found that FlbD is conserved regulatory function for conidiogenesis in both A. nidulans and F. graminearum among five fluffy gene homologs. flbD deletion abolished conidia and perithecia production, suggesting that FlbD have global roles in hyphal differentiation processes in F. graminearum. We further identified and functionally characterized the ortholog of AbaA, which is involved in differentiation from vegetative hyphae to conidia and known to be absent in F. graminearum [3]. Deletion of abaA did not affect vegetative growth, sexual development, or virulence, but conidium production was completely abolished and thin hyphae grew from abnormally shaped phialides in abaA deletion mutants. Overexpression of abaA resulted in pleiotropic defects such as impaired sexual and asexual development, retarded conidium germination, and reduced trichothecene production. AbaA localized to the nuclei of phialides and terminal cells of mature conidia. Successful interspecies complementation using A. nidulans AbaA and the conserved AbaA-WetA pathway demonstrated that the molecular mechanisms responsible for AbaA activity are conserved in F. graminearum as they are in A. nidulans. F. graminearum ortholog of Aspergillus nidulans wetA has been shown to be involved in conidiogenesis and conidium maturation [4]. Deletion of F. graminearum wetA did not alter mycelial growth, sexual development, or virulence, but the wetA deletion mutants produced longer conidia with fewer septa, and the conidia were sensitive to acute stresses, such as oxidative stress and heat stress. Furthermore, the survival rate of aged conidia from the F. graminearum wetA deletion mutants was reduced. The wetA deletion resulted in vigorous generation of single-celled conidia through autophagy-dependent microcycle conidiation, indicating that WetA functions to maintain conidia dormancy by suppressing microcycle conidiation in F. graminearum. In A. nidulans, FlbB physically interacts with FlbD and FlbE, and the resulting FlbB/FlbE and FlbB/FlbD complexes induce the expression of flbD and brlA, respectively. BrlA is an activator of the AbaA-WetA pathway. AbaA and WetA are required for phialide formation and conidia maturation, respectively [5]. In F. graminearum, the AbaA-WetA pathway is similar to that of A. nidulans, except a brlA ortholog does not exist. Amongst the fluffy genes, only fgflbD has a conserved role for regulation of the AbaA-WetA pathway.
Jung, Boknam;Park, Jungwook;Kim, Namgyu;Li, Taiying;Kim, Soyeon;Bartley, Laura E.;Kim, Jinnyun;Kim, Inyoung;Kang, Yoonhee;Yun, Ki-Hoon;Choi, Younghae;Lee, Hyun-Hee;Lee, Kwang Sik;Kim, Bo Yeon;Shon, Jong Cheol;Kim, Won Cheol;Liu, Kwang-Hyeon;Yoon, Dahye;Kim, Suhkman;Ji, Sungyeon;Seo, Young Su;Lee, Jungkwan
한국균학회소식:학술대회논문집
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2018.05a
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pp.33-33
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2018
Air-borne plant pathogenic fungus Fusarium graminearum and seed-borne plant pathogenic bacterium Burkholderia glumae are cause similar disease symptoms in rice heads. Here we showed that two pathogens frequently co-isolated in rice heads and F. graminearum is resistant to toxoflavin produced by B. glumae while other fungal genera are sensitive to the toxin. We have tried to clarify the resistant mechanism of F. graminearum against toxoflavin and the ecological reason of co-existence of the two pathogens in rice. We found that F. graminearum carries resistance to toxoflavin as accumulating lipid in fungal cells. Co-cultivation of two pathogens resulted in increased conidia and enhanced chemical attraction and attachment of the bacterial cells to the fungal conidia. Bacteria physically attached to fungal conidia, which protected bacterium cells from UV light and allowed disease dispersal. Chemotaxis analysis showed that bacterial cells moved toward the fungal exudation compared to a control. Even enhanced the production of phytotoxic trichothecene by the fungal under presence of toxoflavin and disease severity on rice heads was significantly increased by co-inoculation rather than single inoculation. This study suggested that the undisclosed potentiality of air-born infection of bacteria using the fungal spores for survival and dispersal.
Deoxynivalenol (DON) and related trichothecene mycotoxins are extensively distributed in the cereal-based food and feed stuffs worldwide. Recent climate changes and global grain trade increased chance of exposure to more DON and related toxic metabolites in poorly managed production systems. Monitoring the biological and environmental exposures to the toxins are crucial in protecting human and animals from toxicities of the hazardous contaminants in food or feeds. Exposure biomarkers including urine DON itself are prone to shift to less harmful metabolites by intestinal microbiota and liver metabolic enzymes. De-epoxyfication of DON by gut microbes such as Eubacterium strain BBSH 797 and Eubacterium sp. DSM 11798 leads to more fecal secretion of DOM-1. By contrast, most of plant-derived DON-glucoside is also easily catabolized to free DON by gut microbes, which produces more burden to body. Phase 2 hepatic metabolism also contributes to the glucuronidation of DON, which can be useful urine biomarkers. However, chemical modification could be very typical depending on the anthropologic or genetic background, luminal bacteria, and hepatic metabolic enzyme susceptibility to the toxins in the diet. After toxin exposure, effect biomarkers are also important in estimating the linkage and mechanisms of foodborne diseases in human and animal population. Most prominent adverse effects are demonstrated in the DON-induced immunological and behavioral disorders. For instance, acutely elevated interleukin-8 from insulted gut exposed to dietaty DON is a dominant clinical biomarker in human and animals. Moreover, subchronic exposure to the toxins is associated with high levels of serum IgA, a biological mediator of IgA nephritis. In particular, anorexia monitoring using mouse models are recently developed to monitor the biological activities of DON-induced feed refusal. It is also mechanistically linked to alteration of serotoin and peptide YY, which are promising biomarkers of neurological disorders by the toxins. As animal-alternative biomonitoring, huamn enterocyte-based assay has been developed and more realistic gut mimetic models would be useful in monitoring the effect biomarkers in resposne to toxic contaminants in the future investigations.
This study aimed to assess the incidence and distribution of toxigenic fungi in Korean oat. Toxigenic fungi were isolated from oat samples collected from 12 oat fields from heading to harvest in 2017 and 2018. A total of 745 fungal colonies were isolated based on morphology and identified using marker genes. About 92% of the fungal isolates were Fusarium spp. and others were Penicillium (5.9%) and Aspergillus (2.1%). Fusarium isolates comprised mostly of F. asiaticum (83.1%), followed by F. incarnatum (5.4%), F. proliferatum (3.5%), F. fujikuroi (2.8%), F. tricinctum species complex (FTSC) 11 (1.5%) and F. graminearum (1.0%). About 97% of F. asiaticum was nivalenol type, and 3-acetyl deoxynivalenol (3.2%) and 15-acetyl deoxynivalenol (0.4%) types also were found. Pathogenicity test of the selected Fusarium isolates revealed that F. asiaticum isolates have a wide range of virulence depending on the tested plants. F. graminearum and FTSC 11 isolates from blighted spikelets were the most virulent in naked oat. All Fusarium isolates (n=18) except one (FTSC 11) produced nivalenol (0.2-7.6 ㎍/g), deoxynivalenol (0.03-6.1 ㎍/g), and zearalenone (0.1-27.0 ㎍/g) on rice medium. This study is first report that F. asiaticum causes Fusarium head blight disease of oat in Korea. These findings demonstrate the dominance of F. asiaticum in oat agroecosystems as in rice, wheat and barley in Korea.
Fusarium head blight is an important disease of small grains. It is mainly caused by members of the Fusarium graminearum species complex (FGSC). Barley and wheat growers spray fungicides, especially demethylation-inhibitor fungicides, to suppress the disease. The objective of this study was to examine the changes in the sensitivity of the FGSC population to the triazole fungicide, propiconazole. A total of 124 and 350 isolates of FGSC were obtained from barley and wheat in Jeolla Province during 2010-2016 and 2020-2021, respectively. The species identity and trichothecene chemotypes of the FGSC isolates were determined based on polymerase chain reaction assays targeting translation elongation factor 1-alpha and TRI12 genes, respectively. Sensitivity to propiconazole was determined based on the effective concentration that reduced 50% of the mycelial growth (EC50) using the agar dilution method. Of all isolates, F. asiaticum with the nivalenol chemotype was the most common (83.9% in 2010-2016 and 96.0% in 2020-2021), followed by F. asiaticum with the 3-acetyl deoxynivalenol chemotype (12.1% in 2010-2016 and 2.9% in 2020-2021). The EC50 values of the isolates collected in 2010-2016 and 2020-2021 ranged from 0.0180 to 11.0166 ㎍/mL and 1.3104 to 17.9587 ㎍/mL, respectively. The mean EC50 value of the isolates increased from 3.8648 ㎍/mL in 2010-2016 to 5.9635 ㎍/mL in 2020-2021. The baseline resistance to propiconazole was determined to be 7 ㎍/mL, based on the EC50 value of isolates collected in 2010-2016, and the ratio of resistant isolates increased from 9.7% in 2010-2016 to 28.6% in 2020-2021.
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