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
Infeksjon
i risle
Spredning av
konidiesporer
ved regnsprut
• Fusarium spp.
overlever på
halmrester, stubb,
jord og i såkorn
• Spres i fuktig vær
(ved regn-sprut, ev.
med vind gjennom
lufta)
Fotsjuke
Spiringsfusariose
• Kornplanter mest
mottagelige ved
plantenes
blomstring
Spredning av
konidiesporer
ved regnsprut
Vind-spredning
av ascosporer
Overlevelse i
stubb og halm
Tegning: Hermod Karlsen, fra Brandsæter et al. 2009
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)
Gjennomsnittlig smittegrad (%)
Fusarium/Microdochium
Tidsperiode
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
120
Økt nedbør i juli
Nedbør i juli (mm)
100
b
80
ab
60
a
40
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
F. avenaceum
F. culmorum
X
X
F. equiseti
F. graminearum
X
X
X
X
X
X
X
X
F. langsethiae
X
F. poae
X
X
F. sporotrichioides
X
X
F. tricinctum
FUS-C
ENN
X
MON
X
X
X
X
X
X
X
X
X
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)
Project stucture
Consortium steering committee
Chair: Arne Hermansen (Bioforsk Plantehelse)
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)
Project accountant
Grete Saltom Rikheim
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
The consortium:
WP 0 Management
Project manager Guro Brodal
Bioforsk
UMB
NVH
WP A ”Fus management”
WP B ”resistance”
WP C “toxicity”
Bioforsk Plantehelse, Bioforsk Øst
UMB-IPM
NVH
Felleskjøpet Agri
Ingerd S. Hofgaard, Oleif Elen, Hugh
Riley, Till Seehusen
Åsmund Bjørnstad, Helge
Skinnes, Selamawit Gobena
Steven Verhaegen, Erik Ropstad
Doreen N’Dossi m fl
Felleskjøpet Rogaland og Agder
Norsk landbruksrådgiving SolørOdal: Otto Sveen
Norsk landbruksrådgiving SørØst:
Per-Ove
Lindemark
UMB-IKBM: Morten Sørlie
Graminor
StrandUnikorn
Norgesfôr
Fiskå Mølle
VI : Silvio Uhlig, Gunnar Eriksen
Norgesmøllene
Bayer Crop Science
QUB: Lisa Connolly ++
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
The WP C Approach
Bioforsk, VI
2 chemoraces (9 isolates)
Bioassay-guided fractionation
of Fusarium graminearum
extrolite mixtures, ”-omics”,
and mechanisms
Extrolite
broth
Clean-up
+ standard
toxins
Extraction
Solvents
mixtures
reiterated testing of subfractions in bioassays
C3 – Subfractionation and structure
determination of bioactive metabolites
C2 - BIOASSAY BATTERY
NVH
H295R
Hormones
QUB
RGAs
Receptor binding
NVH
COMET
Genotoxicity
VI
Reiterated subfractionation
Model Toxins
Zearalenone (ZEN)
+ metabolites
+ conjugates
Deoxynivalol (DON)
T-2
HT-2
Enniatin B
Fusarin C
…
Alternariol
Relevant Cell Viability Assays
VI Chemical characterization (Partly)
QUB Mycotoxin antibodies
bioactive fractions
C4 - ”-OMICS” ANALYSIS
NVH
qRT-PCR
Gene Expression
QUB
MCF7 µArray
(4th year)
C5 - MECHANISTIC STUDIES
UMB
Proteomics
NVH
Cellular Stress
and Toxicity
Integration of ”-omics data”
Better understanding of biological problems caused by mycotoxins
Identification of unknown mycotoxins
Fusarium Extracts Affect Hormone Production
To av ekstraktene påvirket både produksjonen av hormoner i cellene og
funksjonen av hormonenes reseptorer.
Mean Progesterone concentration
Mean Estradiol concentration
Mean Estradiol conc (pg/ml)
Mean P4 conc (ng/ml)
5
4
3
2
1
350
Extract 087 increases sex
hormone production
300
250
200
150
100
50
0
5
4
3
2
Fg 087/2008 concentration
1
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.
