Verticillium longisporum ist ein bodenbürtiger Erreger, der hauptsächlich Kreuzblütler-Pflanzen wie Raps
infiziert, welcher eine wichtige globale Quelle für Pflanzenöl und Ölmehl darstellt. Die durch V.
longisporum verursachte Krankheit an Raps ist die Stängelstreifigkeit, die in verschiedenen Regionen
Besorgnis hervorgerufen hat. In Europa gilt die Krankheit als der sechsthäufigste biotische Stressfaktor
für Raps.
V. longisporum agiert als ein monozyklischer Pathogen im Raps und durchläuft dabei ruhende, biotrophe
und nekrotrophe Phasen. Im Ruhezustand kann V. longisporum viele Jahre im Boden überleben, in Form
seiner dauerhaften Strukturen, den Mikrosklerotien. Bei Anwesenheit von Raps können diese Strukturen
keimen und die Wurzeln der Wirtspflanze infizieren. Anschließend besiedeln sie systematisch den
Stängel. Während der Ernte bildet er erneut Mikrosklerotien unterhalb der Stängelepidermis und im
Mark des Stängels. Diese Mikrosklerotien gelangen mit den Ernterückständen zurück in den Boden und
warten auf die nächsten anfälligen Kulturen zur Infektion. Da Mikrosklerotien im Krankheitszyklus von V.
longisporum zentral sind und als primäre Inokulumreservoire fungieren, ist die Untersuchung dieser
widerstandsfähigen Strukturen – insbesondere ihrer Keimung und Dormanz – von entscheidender
Bedeutung. Ein vertieftes Verständnis dieser Prozesse könnte es ermöglichen, die Dormanz und Keimung
der Mikrosklerotien gezielt zu manipulieren und dadurch neue Ansätze zur Kontrolle dieser Krankheit zu
entwickeln.
In dieser Studie untersuchten wir zunächst die Faktoren und Mechanismen, die Mikrosklerotien im
Boden in einem Ruhezustand halten. Um zu bestimmen, ob die Dormanz der Mikrosklerotien durch
einen Mangel an Nährstoffen (z.B durch Konkurrenz um Nährstoffe mit anderen Bodenmikroorganismen)
verursacht wird, kultivierten wir Mikrosklerotien in verschiedenen Nährlösungen und auch in Wasser
unter sterilen Bedingungen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass Mikrosklerotien in der Lage sind zu keimen,
auch wenn externe Nährstoffe fehlen, solange ausreichend Wasser vorhanden ist. Dies deutet darauf hin,
dass ein Nährstoffmangel nicht für den Ruhezustand verantwortlich ist. Diese Erkenntnis führte uns zur
Untersuchung möglicher Antibiose-Effekte im Boden. Zur Überprüfung dieser Hypothese kultivierten wir
Mikrosklerotien sowohl in autoklaviertem als auch in nicht autoklaviertem natürlichen Boden. Die
Ergebnisse deuteten darauf hin, dass natürlicher, mikroorganismenreicher Boden die Keimung der
Mikrosklerotien erheblich hemmte. Im Gegensatz dazu keimten die Mikrosklerotien erfolgreich in
autoklaviertem Boden, wo keine Mikroorganismen vorhanden waren. Dies bestätigte, dass
Bodenmikroorganismen der primäre Faktor sind, der die Dormanz von Mikrosklerotien im Boden
aufrechterhält. Um die spezifischen Faktoren mit diesem keimungshemmenden Effekt zu identifizieren,
isolierten wir Bodenbakterien und führten in-vitro-Bioassays durch. Unsere Studien ergaben, dass
sämtliche getesteten Bodenbakterien einen generellen hemmenden Effekt auf Mikrosklerotien hatten.
Weiterführende GC-MS-Analysen identifizierten flüchtige organische Verbindungen (VOCs),
insbesondere flüchtige Fettsäuren, als die Substanzen, die für die Hemmung der Keimung von V.
longisporum Mikrosklerotien verantwortlich sind.
Als Nächstes untersuchten wir, welche Faktoren die Keimung von Mikrosklerotien im Boden anregen, die
zuvor durch Bodenbakterien unterdrückt wurden. Frühere Studien deuteten darauf hin, dass
Wurzelexsudate die Keimung von Mikrosklerotien im Boden auslösen könnten. Basierend auf dieser
Annahme berücksichtigte unsere Forschung auch die Effekte von Bodenbakterien auf die
Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikrosklerotien. Wir untersuchten die Wirkung von
Wurzelexsudaten sowohl von Wirts- als auch von Nicht-Wirtspflanzen auf Mikrosklerotien, deren
Keimung durch Bodenbakterien gehemmt wurde. Unsere Ergebnisse zeigten, dass beide Arten von
Wurzelexsudaten den bakteriellen Hemmeffekt ausgleichen und die Keimung induzieren konnten. Zur
Identifizierung spezifischer aktiver Verbindungen wurden die Wurzelexsudate in polare und nicht-polare
Fraktionen aufgeteilt und ihre Auswirkungen auf die keimungshemmenden Mikrosklerotien bewertet.
Die Ergebnisse unterstrichen die herausragende Bedeutung polarer Verbindungen, insbesondere von
Glutaminsäure, die den stärksten stimulierenden Effekt auf die Keimung von Mikrosklerotien aufwies.
Des Weiteren wurde untersucht, wie Wurzelexsudate die bakterielle Unterdrückung überwinden und die
Keimung von Mikrosklerotien induzieren können. Die Studie ergab, dass die Wurzelexsudate zwar keine
Auswirkungen auf die Lebensfähigkeit der Bakterien hatten, jedoch die bakteriellen Metaboliten
beeinflussten, insbesondere jene, die die Keimung von Mikrosklerotien hemmen.
Schließlich führten wir eine grundlegende Studie zu den molekularen Mechanismen durch, die der
Dormanz und Keimung von Mikrosklerotien zugrunde liegen. Die Genontologie (GO)-Analyse zeigte eine
signifikante Anreicherung mehrerer GO-Terme bei gekeimten, ruhenden und keimungshemmenden
Mikrosklerotien. Diese Ergebnisse deuten auf bedeutende molekulare Unterschiede zwischen diesen drei
Stadien hin, welche möglicherweise neue Zielstrukturen für die Entwicklung innovativer Fungizide oder
biologischer Kontrollmittel darstellen können. Die molekularen Unterschiede zwischen ruhenden und
keimungshemmenden Mikrosklerotien lassen besonders darauf schließen, dass Bodenbakterien aktiv die
molekularen Pfade innerhalb der ruhenden Mikrosklerotien verändern und dadurch deren Keimung
effektiv unterdrücken. Diese Wechselwirkung unterstreicht die entscheidende Rolle der mikrobiellen
Aktivität bei der Modulation des Lebenszyklus von V. longisporum und bietet weitere Einblicke, wie
mikrobielle Umgebungen das Verhalten von Pathogenen beeinflussen können.
Zusammenfassend hat unsere Studie systematisch die Faktoren und Mechanismen erforscht, die die
Dormanz und Keimung von Mikrosklerotien im Boden steuern. Diese Forschung legt eine solide
Grundlage für die Entwicklung neuartiger Strategien zur Bekämpfung dieser Krankheit.Verticillium longisporum is a soil-borne pathogen that primarily infects brassicaceous plants, including
oilseed rape, a major global source of vegetable oil and oil extraction meal. V. longisporum causes stem
striping disease in oilseed rape, which has triggered concern in various regions. In Europe, the disease
ranks as the sixth most prevalent biotic stress on oilseed rape. V. longisporum operates as a monocyclic
pathogen in oilseed rape, progressing through dormant, biotrophic, and necrotrophic stages. In the
dormant stage, V. longisporum can survive for many years in the soil as its dormant structures,
microsclerotia. Upon the presence of oilseed rape, these structures can germinate, infect the root of
host plant, and systematically colonize the stem. At crop maturity, V. longisporum can produce
microsclerotia again beneath the stem epidermis and within the stem pith. These microsclerotia return
to the soil with crop residues, awaiting the next susceptible crops to infect. Since microsclerotia are
central to the disease cycle of V. longisporum and serve as the primary reservoirs of inoculum, studying
these resilient structures—particularly their germination and dormancy—is critical. Understanding these
processes could allow us to artificially manipulate the dormancy and germination of microsclerotia,
providing a novel method to control this devastating disease.
In this study, we first investigated the factors and mechanisms that keep microsclerotia dormant in the
soil. To determine if the dormancy of microsclerotia was due to a lack of nutrients or competition for
nutrients with other soil microorganisms, we cultured microsclerotia in various nutrient solutions and in
water under sterile conditions. Our findings indicated that microsclerotia could germinate without
external nutrients, provided there was sufficient water, suggesting that nutrient deficiency is not
responsible for dormancy. This insight led us to explore the potential antibiosis effects in the soil. To test
this hypothesis, we cultured microsclerotia in both autoclaved and non-autoclaved natural soil. The
results showed that natural soil, rich in microorganisms, significantly inhibited the germination of
microsclerotia, whereas in autoclaved soil, where microorganisms were absent, microsclerotia
successfully germinated. This confirmed that soil microorganisms are the primary factor maintaining the
dormancy of microsclerotia in the soil. To identify the specific factors with this germination-suppressing
effect, we isolated soil bacteria and conducted in vitro bioassays. Our studies revealed that all tested soil
bacteria exerted a general inhibitory effect on microsclerotia. Further investigation identified volatile
organic compounds (VOCs), specifically volatile fatty acids produced by these bacteria, as the substances
responsible for inhibiting the germination of V. longisporum microsclerotia.
Next, we examined which factors stimulate the germination of microsclerotia in the soil, previously
suppressed by soil bacteria. Early studies suggested that root exudates might trigger the germination of
microsclerotia in the soil. Building on this premise, our research also accounted for the effects of soil
bacteria when exploring the interactions between plants and microsclerotia. We investigated the impact
of root exudates from both host and non-host plants on microsclerotia whose germination was inhibited
by soil bacteria. Our findings indicated that root exudates from both host and mon-host plant could
counteract the bacterial inhibitory effect and induce germination. To identify specific active compounds,
we separated the root exudates into polar and non-polar fractions and assessed their effects on the
germination-suppressed microsclerotia. Results highlighted the significant role of polar compounds,
particularly glutamic acid, which exhibited the strongest stimulatory effect on microsclerotia germination.
Additionally, we explored how root exudates overcome bacterial suppression and induce the
germination of microsclerotia. Our study indicated that while the root exudates did not affect the
viability of the bacteria, they altered bacterial metabolites, particularly those that inhibit the germination
of microsclerotia.
Finally, we conducted a basic study on the molecular mechanisms underlying the dormancy and
germination of microsclerotia, particularly focusing on the influence of soil bacteria on these processes.
Gene Ontology (GO) analysis of differentially expressed genes revealed significant enrichment of several
GO terms among germinated, dormant, and germination-suppressed microsclerotia. These findings
indicate profound molecular differences across these three stages, which could potentially offer new
targets for the development of novel fungicides or biological control agents. Specifically, the molecular
differences between dormant and germination-suppressed microsclerotia suggest that soil bacteria
actively alter the molecular pathways within dormant microsclerotia, thereby effectively suppressing
their germination. This interaction highlights a crucial role of microbial activity in modulating lifecycle of
microsclerotia, providing further insight into how microbial environments influence pathogen behavior.
To summarize, our study systematically examined the factors and mechanisms governing the dormancy
and germination of microsclerotia in the soil. This research has laid a fundamental groundwork for
developing new strategies to control this disease.2025-04-1
