Resistance of Maize (Zea mays L.) Against the European Corn Borer (Ostrinia nubilalis Hb.) and its Association with Mycotoxins Produced by Fusarium spp.

Abstract

The European corn borer (ECB, Ostrinia nubilalis Hübner) is a major pest of maize (Zea mays L.) in Europe and continues to spread to northern maize growing regions. The ECB severely affects commercial maize production by decreasing yield stability. In addition, damaged plants often show an increased susceptibility to secondary infections caused by Fusarium spp.. Information about the potential of Bt hybrids (event 176, MON810) to reduce yield losses and mycotoxin contamination under Central European growing conditions is still lacking. However, such monogenic resistances with a strong negative effect on the ECB will break down rapidly. Improving the natural host plant resistance of maize could provide an economical and ecological tool for an integrated pest management system.

The overall goal of this study was to evaluate alternative breeding strategies for improving resistance of maize against ECB damage and Fusarium spp.. The objectives were to (1) initiate a selection experiment in the early maturing European flint pool and evaluate a breeding program for ECB resistance in the European dent pool, (2) compare the efficiency of host plant resistance vs. Bt resistance in maize, (3) determine Fusarium-caused mycotoxin contamination of maize genotypes with improved host plant resistance to ECB, and (4) study the association between important agronomic traits, ECB resistance traits, and mycotoxin concentration in early European maize germplasm.

The goal of the Hohenheim ECB breeding program, initiated in 1992, was to select lines with improved per se and testcross performance for multiple agronomic traits and ECB resistance. In the standard breeding scheme, line development started from a segregating S1 population. Genotypes were evaluated for their line per se ECB resistance in generations S1, S3, and S5. Lines from the S2, S4, and S5 generations were testcrossed and evaluated for their agronomic performance. Selection was based on ECB resistance and TC performance for grain yield and maturity.

In order to compare transgenic Bt maize hybrids carrying event 176 or MON810 with their isogenic counterparts and commercial hybrids or experimental hybrids, field trials in multiple environments were conducted in 1998 to 2000. Furthermore, a laboratory bioassay with neonate ECB larvae was performed to assess mortality and subsequently the level of Bt antibiosis present in the used hybrids of 1998.

Resistance traits such as damage rating of stalks, number of damaged plants, and number of larvae per plant were assessed exclusively in manually ECB infested plots. Grain yield, grain dry matter content and plant height were determined in the insecticide protected and the ECB infested main plots. In addition, grain samples from each subplot were drawn at random and analyzed separately for Fusarium mycotoxins such as type B trichothecenes (DON, NIV), Zearalenon (ZEN), Fumonisins (FUM), and Moniliformin (MON).

The inbred lines displayed a significant genotypic variance for all ECB resistance traits evaluated. However, in the further course of selection and topcross testing, most dent and flint lines, especially those displaying improved resistance to ECB larvae feeding, were discarded because of their poor agronomic performance. Negative correlations between grain yield, early maturity and the damage rating of stalks were identified. However, three dent lines (P028, P029, P030) with moderate resistance to ECB were developed.

In all experiments, Bt hybrids were superior to other hybrids in the control of ECB larvae. Non-Bt hybrids displayed a significant genotypic variance for all evaluated resistance traits; grain yield reductions ranged from 8.6 to 21.8% under manual infestation of ECB. All evaluated resistance traits were highly significantly correlated with each other and showed significant negative correlations to grain yield reduction. Bt hybrids did not differ from their isogenic counterparts for most agronomic traits.

Highly significant location and genotype × location interactions were identified for all mycotoxins evaluated, except MON. MON concentration doubled under manual infestation of ECB compared to insecticide protected conditions and a similar trend was found for FUM. Bt hybrids displayed significantly lower MON concentrations than non-Bt hybrids and significantly lower DON concentrations than their isogenic counterparts under ECB infestation. Highly significant correlations between ECB resistance traits and MON were found. However, a significant genotypic variance was observed for DON, 15-A-DON, FUM, and MON concentrations, suggesting variation for resistance against Fusarium spp. in current elite hybrids.

By combining different sources of monogenic Bt resistance and quantitatively inherited resistances to ECB, it may be possible to develop hybrids with multiple resistance by pyramiding the underlying genes in one genotype. Therefore, further research is required to identify new sources of ECB resistance and new breeding strategies should be developed. Furthermore, there is indication that an improved resistance against Fusarium spp. possesses a greater potential for reducing mycotoxin contamination of maize kernels than a high level of ECB resistance. Since resistance to ECB and resistance to Fusarium spp. are inherited fairly independently, simultaneous improvement of both resistances seems to be necessary for improving the stability and quality of future maize hybrids.

Der Maiszünsler (ECB, Ostrinia nubilalis Hübner) ist einer der Hauptschädlinge im europäischen Maisanbau (Zea mays L.) und breitet sich derzeit weiter in nördlicher gelegene Anbaugebiete aus. ECB-Schäden beeinträchtigen daher zunehmend die Ertragssicherheit in der Maisproduktion. Zusätzlich besitzen die vom ECB befallenen Pflanzen oft eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber den von Fusariumpilzen (Fusarium spp.) verursachten Sekundärkinfektionen. Allerdings sind derzeit noch keine Informationen zu Bt-Maishybriden (Event 176, MON810) verfügbar, welche eventuell auch unter zentraleuropäischen Wachstumsbedingungen Ertragsverluste und Mykotoxinkontaminationen verringern könnten. Jedoch besteht die Gefahr, dass monogene Resistenzen vom Schadinsekt überwunden werden können. Daher kann die Verbesserung der natürlichen Widerstandskraft der Pflanze ein ökonomisches sowie ein ökologisches Konzept für den integrierten Pflanzenschutz bieten.

Ziel der vorliegenden Studie war die Untersuchung alternativer Züchtungsstrategien zur Verbesserung der Resistenz von Mais gegen ECB und Fusariosen. Hierzu wurden (1) ein Selektionsexperiment im frühreifen Europäischen Flintpool initiiert und ein Peedigreezuchtprogramm zur Verbesserung der ECB-Resistenz im frühreifen Europäischen Dentpool evaluiert; (2) die Wirkung von quantitativen Resistenzen und Bt-Resistenz miteinander verglichen; (3) die Mykotoxingehalte in Genotypen mit verbesserter ECB Resistenz ermittelt und (4) der Zusammenhang zwischen wichtigen agronomischen Eigenschaften, der ECB-Resistenz und der Mykotoxinkonzentration im frühreifen europäischen Maismaterial untersucht.

Ziel eines 1992 iniitierten Zuchtprogramms war die Identifizierung von Maislinien mit verbesserter Eigen- und Testkreuzungsleistung für wichtige agronomische Merkmale und ECB-Resistenzeigenschaften. Der Zuchtgang wurde mit einer spaltenden S1 Population begonnen. Die Eigenleistung der Genotypen für die ECB-Resistenz wurde in Generation S1, S3 und S5 ermittelt. Mit den Maislinien der S2, S4 und S5 Generation wurden Testkreuzungen erstellt, um deren agronomische Leistung zu bewerten. Die Selektion basierte auf der ECB-Resistenz und der Testkreuzungsleistung für Kornertrag und Frühreife.

Um die Bt-Maishybriden, welche das Event 176 oder MON810 besitzen, mit ihren isogenen Partnerhybriden, sowie Sorten- und Experimentalhybriden zu vergleichen, wurde in verschiedenen Umwelten von 1998 bis 2000 Feldversuche durchgeführt. Darüber hinaus wurde 1998 ein Laborversuch mit neonaten ECB-Larven angelegt, um deren Mortaliät und den vorhandenen Antibiosegrad im Hybridmaterial bestimmen zu können.

Die Resistenzmerkmale Schadensbonitur des Stengels, Anzahl geschädigter Pflanzen und Anzahl der Larven pro Pflanze wurden nur in den manuell mit ECB infestierten Parzellen erhoben. Die agronomischen Merkmale Kornertrag, Korntrockensubstanzgehalt und Wuchshöhe wurden sowohl in den mit Insektizid geschützten als auch in den manuell mit ECB infestierten Großparzellen ermittelt. Zusätzlich wurden Körnerproben aus jeder Parzelle gezogen und separat auf die folgenden Fusarientoxine hin untersucht: Typ B Trichothecene (DON, NIV), Zearalenon (ZEN), Fumonisin (FUM) und Moniliformin (MON).

Alle getesteten Inzuchtlinien zeigten eine signifikante genotypische Variation für die untersuchten Resistenzmerkmale. Jedoch wurden im Verlauf des weiteren Zuchtganges viele Dent- und Flintlinien mit verbesserter ECB-Resistenz aufgrund ihrer unzureichenden agronomischen Leistungen verworfen. Zudem wurden negative Korrelationen zwischen Kornertrag und Frühreife sowie der Schadensbonitur des Stengels gefunden. Jedoch konnten aus dem Zuchtprogramm drei Dentlinien (P028, P029, P030) mit mittlerer ECB-Resistenz entwickelt werden.

In allen Experimenten demonstrierten die Bt-Hybriden ihre Überlegenheit in der Kontrolle von ECB. Die nichttransgenen Hybriden zeigten eine signifikante genetische Varianz für die erhobenen Resistenzmerkmale und den Kornertrag, wobei deren Kornertragsreduktion unter manueller ECB-Infestierung zwischen 8,6% und 21,8% schwankte. Alle Resistenzmerkmale waren hoch signifikant miteinander korreliert und zeigten eine signifikante und negative Korrelation zur Kornertragsreduktion. Zudem waren die Bt-Hybriden in ihren agronomischen Merkmalen nahezu nicht von den isogenen Partnerhybriden zu unterscheiden.

Hochsignifikante Umwelt- sowie Genotyp × Umwelt-Interaktionen wurden außer bei MON für alle Mykotoxine nachgewiesen. Die MON-Konzentration war in den mit ECB infestierten Parzellen ungefähr zweimal höher als in den insektizidgeschützten Parzellen. Ein ähnlicher Trend wurde ebenfalls für FUM festgestellt. Die Bt-Hybriden zeigten signifikant niedrigere MON Konzentrationen als die nichttransgenen Hybriden, sowie signifikant niedrigere DON Konzentrationen als ihre isogenen Partnerhybriden unter ECB-Infestierung. Es wurden hochsignifikante Korrelationen zwischen den ECB-Resistenzmerkmalen und der MON-Konzentration gefunden. Jedoch wurde für DON, 15-A-DON, FUM und MON eine signifikante genetische Variation gefunden, was wiederum zeigt, dass ein unterschiedliches Resistenzniveau gegen Fusarium spp. in den Elitehybriden vorhanden ist.

Mit Hilfe einer Pyramidisierung von verschiedenen monogenen Bt-Resistenzquellen und der verbesserten quantitativen ECB-Resistenz wäre es prinzipiell möglich, Genotypen mit einer stabilen Resistenz zu schaffen. Um neue Resistenzquellen zu identifizieren und geeignete Zuchtprogramme zu entwickeln, sind allerdings weitergehende Untersuchungen nötig. Desweiteren kann durch eine verbesserte Fusariosenresistenz ein höherer Wirkungsgrad zur Verminderung von Mykotoxinbelastungen im Erntegut erreicht werden als dies derzeit durch ein hohes ECB-Resistenzniveau möglich ist. Da ECB- und Fusariosenresistenz weitgehend unabhängig voneinander vererbt werden, ist eine gleichzeitige züchterische Bearbeitung beider Resistenzen nötig, um die Ertragssicherheit und Qualität künftiger Sorten bei Mais weiter zu verbessern.