Development of fungicide resistance of wheat and barley pathogens against strobilurins: A methodological approach

Abstract

A methodological approach was conducted to investigate how fast isolates of a “one-race-population” adapt to an ingredient with fungicidal activity. A major objective was to maintain a continuous selection pressure on the fungal populations. Different concentrations of strobilurin azoxystrobin (Amistar®) were applied on wheat and barley cotyledons to ensure selection pressure. The fungi reproduced on fungicide-treated leaves in order to display a “worst-case-scenario”. Wheat powdery mildew (Blumeria graminis f. sp. tritici) adapted rapidly to higher concentrations of the fungicide. Already the fifth generation of the fungus was able to grow and reproduce on leaves containing high concentrations of azoxystrobin (0.5x of the recommended dosage in the field). Two replicates led to the same results. Although rapidity of the adaptation was remarkable, the adapted isolates apparently lost their fitness. In contrast, Blumeria graminis f. sp. hordei was significantly more susceptible to azoxystrobin. The dosage of the fungicide was reduced by the factor of 10 to 40. The lowest concentration of Amistar® efficient against wheat powdery mildew was equal to the highest tolerable concentration applicable for barley powdery mildew. Even when the fungus could adapt to these low concentrations, a change to resistance is not likely, because in the field, 0.1x of the recommended dosage will normally not be used. The third fungus investigated, glume blotch of wheat (Septoria nodorum) was tested ad planta and in vitro. Ad planta, the fourth and fifth generation of the fungus seemed to be less susceptible against the active ingredient azoxystrobin, but in vitro no such effects were observed. The methods used in these studies seem to offer an easy and fast tool to estimate the risk of adaptation and to compare sensitivity levels of different fungal species. The experiments showed significant differences in fungicide susceptibility between the two powdery mildews. We presume that disruptive as well as adaptive resistance mechanisms occur in both pathogens and that the two resistance mechanisms are correlated. Fungi possessing high affinity to both are more assertive than other fungi. A disadvantage is that these artificial circumstances do not exactly reflect the situation in the field because sexual reproduction is not considered. Nevertheless, the risk of a continuous selection pressure caused by a single-site- inhibiting fungicide was obvious in these experiments.

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurde in einem modellhaften Ansatz die Fragestellung untersucht, wie schnell sich Individuen einer reinen Rasse an einen fungiziden Wirkstoff adaptieren können. Besondere Bedeutung wurde dabei der Methodik beigemessen, einen permanenten Selektionsdruck auf die Populationen aufrechtzuerhalten. Dieser wurde durch Applikation des Stroh il urins Amistar® auf Weizenbzw. Gerstenkeimblätter in verschiedenen Konzentrationen gewährleistet. Auch die Weitervermehrung der Pilze wurde unter Einfluss des Fungizids vorgenommen und so der „worst case“ dargestellt. Beim Echten Weizenmehltau (Blumeria graminis f. sp. tritici) erfolgte die Adaption an höhere Wirkstoffkonzentrationen sehr schnell. Bereits nach fünf Generationen war der Pilz in der Lage, trotz Applikation hoher Wirkstoffmengen (0,5x der empfohlenen Aufwandmenge) zu wachsen und sich zu reproduzieren. Diese Konzentration wird häufig auch im Feld appliziert. Der Versuch wurde zwei Mal durchgeführt und erzielte dasselbe Ergebnis. Allerdings schienen die adaptierten Individuen unter einem Fitnessverlust zu leiden. Im Gegensatz dazu reagierte der Echte Gerstenmehltau (Blumeria graminis f. sp. hordei) wesentlich sensitiver. Die geringste Wirkstoffkonzentration beim Echten Weizenmehltau stellte die höchste beim Echten Gerstenmehltau dar. Eine Adaption konnte nicht eindeutig festgestellt werden. Zudem waren die Wirkstoffkonzentrationen so gering (bis zu 0,1x der empfohlenen Aufwandmenge), dass eine langsame Adaption an diese Wirkstoffkonzentrationen keine Resistenzgefahr erwarten lässt. Die Versuche zeigten signifikante Unterschiede in der Strobilurinsensitivität der beiden Mehltauarten.

Bei Septoria nodorum, dem Erreger der Blatt- und Spelzenbräune des Weizens, wurden die Versuche sowohl ad planta, als auch in vitro durchgeführt. Ad planta zeigte dieser Pilz eine beginnende Adaption an den Wirkstoff Azoxystrobin, die jedoch in vitro nicht bestätigt werden konnte.

Mit Hilfe der durchgeführten Versuche lassen sich relativ einfach und schnell Aussagen über Adaptionsrisiken bei bestimmten Wirkstoffen treffen. Auch Sensitivitätsvergleiche zwischen verschiedenen Pilzen können angestellt werden. Es scheint, dass sowohl die disruptive, als auch die adaptative Strobilurin- resistenz bei beiden Mehltauarten auftritt. Entscheidender Faktor dabei ist, dass der Echte Weizenmehltau wesentlich stärker zu Resistenzen neigt als der Echte Gerstenmehltau. Vermutlich besteht ein Zusammenhang zwischen den beiden Resistenzmechanismen, so dass Pilze, die über beide Mechanismen verfügen; ein hohes Potential für schnell entwickelnde Resistenzen besitzen. Allerdings lassen sich diese Modellversuche nur schwer auf die Feldsituation übertragen, da sexuelle Reproduktion hierbei keine Berücksichtigung findet. Die Gefahren, die ein permanenter Selektionsdruck in Form eines „single-site-inhibiting“ Fungizids birgt, werden in diesen Versuchen jedoch deutlich.