Forskningsprosjekt om Mykotoksiner i korn 01.05.2010-31.04.2014 Foto: Erling Fløystad Guro Brodal Bioforsk Norkorns fagdag 29. mars 2012
Disposisjon Fusarium-arter, biologi/smittekilder Forekomster, betydning av vær/klima Mykotoksiner «Mykotoksinprosjektet» 2010-2014
Fusarium-sopper En gruppe åkermuggsopper som angriper korn og gras Fusarium avenaceum, Fusarium culmorum, Fusarium equiseti, Fusarium graminearum, Fusarium langsethiae, Fusarium poae, Fusarium sporotrichioides, Fusarium tricinctum, Microdochium nivale og M. majus (tidl Fusarium nivale), mfl Forårsaker flere typer symptomer og skader på ulike stadier av kornplantenes utvikling (dårlig spireevne, skrumpne korn/avlingstap, mykotoksiner)
Aksfusariose (Fusarium Head Blight), forårsaket av arter innen Fusarium-slekten, har blitt en av de viktigste hvetesjukdommene i verden pga soppenes evne til å utvikle mykotoksiner. I Norge, særlig problematisk i havre, men utfordringer også i bygg og hvete. Orange sporehoper på overflaten (ved kraftige angrep)
Biologi og smittekilder fusarioser Fusarium spp. overlever på halmrester, stubb, jord og i såkorn Spres i fuktig vær (ved regn-sprut, ev. med vind gjennom lufta) Kornplanter mest mottagelige ved plantenes blomstring Spredning av konidiesporer ved regnsprut Spredning av konidiesporer ved regnsprut Spiringsfusariose Vind-spredning av ascosporer Fotsjuke Infeksjon i risle Tegning: Hermod Karlsen, fra Brandsæter et al. 2009 Overlevelse i stubb og halm
Gjennomsnittlig smittegrad av Fusarium/Microdochium i såkorn av bygg, havre og hvete i 10-årsperioder fra 1970 til 2010 (data fra Statens Frøkontroll, Statens landbrukstilsyn og KIMEN) Tidsperiode Gjennomsnittlig smittegrad (%) Fusarium/Microdochium Bygg Havre Hvete 1970-1980 13a 9a 6a 1981-1990 10a 5a 13b 1991-2000 12a 8a 18bc 2001-2010 25b 23b 26c Gj snitt 1970-2010 15 12 17
Nedbør i juli (mm) 120 Økt nedbør i juli 100 b 80 60 40 ab a 20 0 1970-1979 1980-1989 1990-1999 2000-2008 Tidsperiode Lenger vekstsesong: Vekstsesongen (basert på jord- og lufttemperatur målt ved 39 værstasjoner) begynner 3-4 uker tidligere i dag sammenlignet med for 20 år siden (Rafoss, T. 2009)
Klimaforhold Fuktighet/nedbør, temperatur har betydning for hvilke Fusariumarter som dominerer: I fuktige og varme strøk har F. graminearum vært den viktigste arten I kjølige strøk (Norden, Nord-Europa) har F. avenaceum, F. culmorum, F. poae, F. langsethiae and M. nivale vært mest vanlig, men i seinere år har forekomsten av F. graminearum økt i kjølige strøk
Hvilke Fusarium-arter produserer hvilke toksiner? (ufullstendig tabell) DON + 3AC-DON T2 + HT2 ZEA NIV FUS-C ENN MON F. avenaceum X X X F. culmorum X X X X F. equiseti X X X F. graminearum X X X X F. langsethiae X X F. poae X X X X X F. sporotrichioides X X X X F. tricinctum X X X
God kunnskap om Fusarium-soppenes biologi, smittekilder og spredningsmåter, og om forhold som påvirker angrep og utvikling, er en forutsetning for å kunne sette inn aktuelle mottiltak (gjøre noe med problemene der de oppstår, eller forhindre at de oppstår) Mangelfull kunnskap om effekter av toksiner, avdekke hva som forårsaker sykdom hos mennesker/dyr (ikke alltid tydelig sammenheng mellom symptomer i dyrebesetninger og toksininnhold i fôret)
Mycotoxin contamination in Norwegian food and feed modelling, reductive approaches and risk assessment with regards to the whole food chain 01.05.2010-31.04.2014 Main goal: Reduce the risk of mycotoxin contamination in Norwegian food and feed, and evaluate health risks posed by mixed exposure scenarios in humans and animals Hovedmål: Redusert risiko for mykotoksiner i norsk mat og fôr og evaluering av potensiell helserisiko av mykotoksiner hos mennesker og dyr
Prosjektform: KMB prosjekt (helkjedeprosjekt) Deltakere: Bioforsk i samarbeid med 11 aktører i kornbransjen UMB-IPM i samarbeid med Graminor NVH/VI/UMB-IKBM i samarbeid med Animalia Finansiering: FFL/JA -16,36 mill NOK (hvorav 10,634 mill fra FFL og 5,726 mill fra JA) Næringa 2,64 mill NOK Interne midler NVH/VI/UMB 0,8 mill NOK Totalt 19,8 mill NOK Prosjekteier: Bioforsk Plantehelse Prosjektleder: Guro Brodal Foto: Erling Fløystad Foto: Jafar Razzaghian
KMB-project: Mycotoxin contamination in Norwegian food and feed Modeling, reductive approaches and risk assessment with regards to the whole food chain (2010-2014) Consortium steering committee Chair: Arne Hermansen (Bioforsk Plantehelse) Project stucture Øystein Johnsen (UMB), Olav Reksen (NVH), Hans Stokke, (Felleskjøpet Agri), Hans Jakob Lund (StrandUnikorn), Kjetil Aandstad (Flisa Kornsilo og Mølle), Idun Christie (Graminor), Ola Nafstad (Animalia) The project group consisting of the Project manager and WP managers will meet regularly/when needed. In addition there will be meetings 1-2 times per year with all scientists working in the project. In addition there will be a reference group with all the financial contributors (the consortium) and representatives from the Norwegian Agricultural Extension Service that meet once a year for discussions with the project group. International partners will be invited to some of the meetings Project accountant Grete Saltom Rikheim WP A Fus management Bioforsk Plantehelse, Bioforsk Øst Ingerd S. Hofgaard, Oleif Elen, Hugh Riley, Till Seehusen Norsk landbruksrådgiving Solør- Odal: Otto Sveen Norsk landbruksrådgiving SørØst: Per-Ove Lindemark WP 0 Management Project manager Guro Brodal WP B resistance UMB-IPM Åsmund Bjørnstad, Helge Skinnes, Selamawit Gobena WP C toxicity NVH Steven Verhaegen, Erik Ropstad Doreen N Dossi m fl UMB-IKBM: Morten Sørlie VI : Silvio Uhlig, Gunnar Eriksen QUB: Lisa Connolly ++ The consortium: Bioforsk UMB NVH Graminor Felleskjøpet Agri Felleskjøpet Rogaland og Agder StrandUnikorn Norgesfôr Fiskå Mølle Norgesmøllene Bayer Crop Science Animalia Braskereidfoss Kornsilo Flisa Mølle og Kornsilo Norkorn Lantmännen Cerealia
Three work-packages: Work Package A (Bioforsk): Improved management of Fusarium spp. in Norwegian oats and spring wheat through the development of prediction models and guidelines for good agricultural practice Work Package B (UMB-IPM) Develop improved methods and germplasm for breeding resistant cultivars Work Package C (NVH/VI/UMB-IKBM) Assess health risks following exposure to complex mixtures of mycotoxins using animal and human in vitro models
Delmål arbeidspakke A: Optimalisering av dyrkingsmetoder og videreutvikling av varsling/prognose-tjenester for å redusere risikoen for mykotoksiner i norsk havre og hvete 1 Komme frem til jordarbeidingsstrategier som ivaretar nødvendige miljøhensyn med redusert risiko for mykotoksiner 2 Identifisere stedegne forhold som kan forklare den regionale/lokale variasjonen i mykotoksin-innhold 3 Videreutvikle prognose/varslingstjeneste for mykotoksin-risiko i havre og vårhvete, inkludert å peke ut risikoområder/partier Arbeidspakka gjennomføres av Bioforsk Plantehelse (Ingerd Skow Hofgaard, Jafar Razzaghian, Oleif Elen, Guro Brodal) og Bioforsk Øst (Hugh Riley, Till Seehusen), i samarbeid med Norsk landbruksrådgiving (Solør-Odal, Sør-Øst) og forskere i USA (Ruth Dill-Macky, Univerisity of Minnesota) og England (Simon Edwards, Harper Adams University College)
WP A: Improved management of Fusarium spp. Optimal jordarbeiding for å redusere smitterisikoen fra planterester, dvs hva betyr mengde planterester for angrep av Fusarium og utvikling av mykotoksiner? WP A: Improved management of Fusarium spp. Foto: Till Seehusen
dyp harving grunn harving pløying Foto: Till Seehusen WP A: Improved management of Fusarium spp.
Fusarium spp. isolated from straw residues collected after sowing
Effekt av jordarbeiding på Fusarium-smitte i planterester av havre Over 80% av planterestene er infisert med Fusarium spp Pløying reduserer mengde planterester i overflata
Måling av sporespredning gjennom lufta WP A: Improved management of Fusarium spp. Foto: Till Seehusen
Prognosemodeller (varsling) Samler inn mest mulig datagrunnlag for Fusarium og toksinforekomster med tilhørende dyrkingsinformasjon og klimadata, som grunnlag for modeller for beregning av risiko for mykotoksiner i den enkelte åker, og som grunnlag for dyrkingsveiledning. Testversjoner av modeller som beregner risiko for DON i hvete og havre, og dermed sprøytebehov omkring blomstring, er lagt ut i VIPS (www.vips-landbruk.no). Dyrkere har dermed et hjelpemiddel for å vurdere om det er behov for behandling, og om tidspunktet er riktig. Testversjon av modell for å beregne innhold av DON i modent korn av havre ble prøvd i VIPS i 2010 og forbedret i 2011, fortsatt behov for videreutvikling.
Metoder for hurtige analyser av mykotoksiner - En rekke metoder er screenet og de mest aktuelle er validert for «storskala» rutineanalyser (mykotoksinene DON og T2+HT2) - Kornbransjen har tatt i bruk hurtigtester for DON ved en del kornmottak fra 2010 (de fleste fra 2011) og fra 2011 er samtlige partier av havre analysert for DON i kornlaboratorier, som grunnlag for gradert avregning Toksin konsentrasjon? Lateral Flow/Dipstick Fast ELISA Beregning av DON-innhold før/ved levering av kornet kombinert med hurtigtesting av DON-innhold ved mottak muliggjør grovsortering av kornpartier.
Klimascenarier og effekt på DON i hvete Europeisk studie sett på effekter på DON og planteutvikling ved ulike klimascenarier, inkl. norske toksindata (fra Bioforsk) Noen hovedkonklusjoner: - Klimaendringer vil kunne øke DON-forekomster med en faktor på opp mot 3 - Økningen ser ut til å kunne bli større i vårhvete enn høsthvete
Delmål arbeidspakke B: Utvikle bedre metoder og foredlingsmateriale for å foredle resistente sorter (havre) 1 Utvikle havre med resistens mot Fusarium basert på adaptert genmateriale 2 Undersøke infeksjonsprosessen (F. graminearum) i havre i forhold til toksininnhold og spireevne ved angrep Etablere forsøksplaner for større presisjon i feltforsøk 3 Utvikle NIR/NIT-kalibrering for screening av Fusarium-infeksjon og toksininnhold i havre og hvete Arbeidspakka gjennomføres av IPM-UMB (Åsmund Bjørnstad, Helge Skinnes, Selamawit Gobena) i samarbeid med Graminor og forskere i USA (Ruth Dill-Macky, Yanhong Dong, begge Univerisity of Minnesota) og ved Nofima (Vegard Segtnan)
Eks på ulik resistens mot aksfusariose i hvete Mottakelig sort (Vinjett) og sort med sterk, ekte resistens (Sumai 3) fra Kina Foto: Helge Skinnes
Resistenskilder Tysk havre er godt tilpassa, men er kanskje for nært i slekt og dermed har de samme genene? Analyserer nordisk og tysk havre for DNA-variasjon og kjent slektskap Ei samling av nordisk havre frå 1891? Amerikanske linjer med bakgrunn i Avena sterilis? Vavilovinstituttet: Russiske kjelder til resistens mot Fusarium? Men, til nå er det ikke funnet noen gode resistenskilder i havre
Fusarium Head Blight (symptoms) Very unreliable in oats (Left cv. Hurdal, right Z615)
Delmål arbeidspakke C: Vurdere helserisiko hos mennesker og dyr ved eksponering med mykotoksiner/blandinger ved bruk av in vitro-modeller (toksisitet) 1 Metabolite screening of Norwegian Fusarium graminearum isolates (ekstrakter fra Fusarium graminearum isolert fra forskjellige muggsoppkulturer). 2 Bioassay guided fractionation and structure determination of bioactive metabolites (metodikk basert på biologisk aktivitet i cellekulturer). 3 Subfractionation and structure determination of bioactive metabolites 4 Omics Analysis 5 Mechanistic studies Arbeidspakka gjennomføres av NVH/VI/UMB-IKBM (Erik Ropstad, Steven Verhaegen, Silvio Uhlig, Gunnar Eriksen m fl) i samarbeid med UMB-IKBM, Animalia og forskere i Nord-Irland (Queens University Belfast)
C 1 Metabolite screening of Norwegian Fusarium graminearum isolates Bioforsk, VI + standard toxins mixtures 2 chemoraces (9 isolates) C2 - BIOASSAY BATTERY NVH H295R Hormones Extrolite broth Clean-up Extraction Solvents QUB RGAs Receptor binding The WP C Approach Bioassay-guided fractionation of Fusarium graminearum extrolite mixtures, -omics, and mechanisms reiterated testing of subfractions in bioassays NVH COMET Genotoxicity C3 Subfractionation and structure determination of bioactive metabolites VI Reiterated subfractionation Model Toxins Zearalenone (ZEN) + metabolites + conjugates Deoxynivalol (DON) T-2 HT-2 Enniatin B Fusarin C Alternariol Relevant Cell Viability Assays bioactive fractions VI Chemical characterization (Partly) QUB Mycotoxin antibodies C4 - -OMICS ANALYSIS C5 - MECHANISTIC STUDIES NVH qrt-pcr Gene Expression QUB MCF7 µarray (4th year) UMB Proteomics NVH Cellular Stress and Toxicity Integration of -omics data Better understanding of biological problems caused by mycotoxins Identification of unknown mycotoxins
Mean P4 conc (ng/ml) Mean Estradiol conc (pg/ml) Fusarium Extracts Affect Hormone Production To av ekstraktene påvirket både produksjonen av hormoner i cellene og funksjonen av hormonenes reseptorer. 5 4 3 Mean Progesterone concentration 350 300 250 200 Mean Estradiol concentration Extract 087 increases sex hormone production 2 150 1 100 50 0 5 4 3 2 1 Fg 087/2008 concentration 0 5 4 3 2 1 Fg 087/2008 concentration Extract 067 lowers sex hormone production Ndossi et al, unpublished
Ved bruk av en human binyrecellelinje (H295R) ble det vist at zearalenon og dets metabolitter (alpha- og beta- zearalenol) påvirker dannelsen av proteiner i cellene som er av betydning for viktige biologiske funksjoner. Resultatene fra undersøkelsen vil bidra til å øke forståelsen av hvordan muggsopptoksiner virker og til å belyse hvilke toksiner som er av størst betydning når det gjelder effekter på hormonproduserende celler.