Die Rostige Douglasienschütte: Untersuchungen zur Verbreitungsstrategie und der genetischen Variation von Rhabdocline pseudotsugae Sydow

Rhabdocline pseudotsugae Syd., der Erreger der Rostigen Douglasienschütte, gehört zu den bedeutendsten pilzlichen Pathogenen der Douglasie (Pseudotsuga menziesii [Mirb.] Franco). Basierend auf makroskopischen und mikroskopischen Untersuchungen von Pilzfruchtkörpern, Ascosporen und infizierten Douglasiennadeln wurde der Erreger bisher als Nadelparasit beschrieben, dessen Ascosporen mit dem Wind verbreitet werden. Charakteristische Symptome der Erkrankung sind orangegelbe bis rostrote Fruchtkörper, die von Mai bis Juni auf der Unterseite befallener Douglasiennadeln entstehen, sowie ein vorzeitiger, oft massiver Nadelverlust, der bei wiederholtem Auftreten zu erheblichen Zuwachsverlusten und zum Absterben der Bäume führen kann. Ein erhebliches wirtschaftliches Risiko stellte R. pseudotsugae im 20. Jahrhundert für den Douglasienanbau dar, wobei insbesondere die massive Ausbreitung des Erregers eine Herausforderung für die Forstwirtschaft darstellte. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Bearbeitung grundlegender Fragestellungen zur Infektions- und Verbreitungsstrategie von R. pseudotsugae, um neue Infektionsquellen zu identifizieren und die hohe Ausbreitungsdynamik des Erregers besser nachzuvollziehen. Vor dem Hintergrund der prognostizierten klimatischen Veränderungen sollen die Ergebnisse der Arbeit zu einem verbesserten Verständnis der Biologie von R. pseudotsugae beitragen und somit langfristig das Infektionsrisiko sowie die phytopathologische Gefährdung der Douglasie reduzieren. Die Arbeit umfasst im Wesentlichen drei Schwerpunkte, die als wissenschaftliche Publikationen zusammengefasst und in Zeitschriften mit Peer-Review-Verfahren veröffentlicht wurden. Im ersten Beitrag (Kapitel 4.1) wurde ein spezifisches Nested-PCR-Protokoll zum Nachweis geringster DNA-Mengen von R. pseudotsugae in Mischproben etabliert. Das Verfahren wurde zunächst mit nachweislich infizierten sowie phänotypisch gesunden Douglasien geprüft. Für eine detailliertere Untersuchung der Verbreitung des Erregers im Pflanzengewebe wurden anschließend Knospen und kambiales Gewebe infizierter Douglasien sowie Saatgut einer sächsischen Kreuzungsnachkommenschaft auf einen Befall mit R. pseudotsugae getestet. Der Erreger konnte mit dem etablierten Nachweisverfahren in Knospen, Kambium, Nadeln und Embryonen der Douglasie eindeutig nachgewiesen werden. Aufbauend auf den ersten Ergebnissen wurde im zweiten Beitrag (Kapitel 4.2) ein systematisches Saatgut-Screening durchgeführt. Zur Verfügung stand Saatgut der Küsten- (var. menziesii) und Inlands-Douglasie (var. glauca) aus fünf deutschen, dreizehn nordamerikanischen und zwei ukrainischen Provenienzen. Insgesamt wurde R. pseudotsugae in 19,3 % der getesteten Embryonen nachgewiesen, wobei alle fünf deutschen Provenienzen und sieben nordamerikanische Provenienzen betroffen waren. Im ukrainischen Saatgut konnte der Erreger dagegen nicht nachgewiesen werden. Im dritten Beitrag (Kapitel 4.3) stand erstmals die genetische Struktur von zwei R. pseudotsugae-Kollektiven im Fokus. Auf je einer Versuchsfläche in Sachsen und Nordrhein-Westfalen wurden 184 Apothecien des Erregers gesammelt und mittels BPS- und SCoT-Markern untersucht. Die R. pseudotsugae-Kollektive zeichneten sich insgesamt durch eine hohe genetische Vielfalt sowie eine hohe genetische Diversität aus. Innerhalb der jeweiligen Versuchsflächen konnte eine deutliche räumliche Differenzierung im R. pseudotsugae-Kollektiv nachgewiesen werden, wohingegen eine Differenzierung zwischen den Versuchsflächen nicht beobachtet wurde. Insgesamt konnte in der vorgestellten Arbeit nachgewiesen werden, dass Saatgut eine potenzielle Infektionsquelle für R. pseudotsugae darstellt und die Verbreitung über Ascosporen lokal begrenz ist. Die Auswahl von resistenten Provenienzen, die richtige Standortwahl sowie die konsequente Umsetzung geeigneter waldbaulicher Maßnahmen stellen nach wie vor die Basis für einen erfolgreichen Douglasienanbau dar. Ausgehend von den aktuellen Ergebnissen müssen die bestehenden Behandlungskonzepte allerdings erweitert und vor allem die Saatgutgesundheit stärker berücksichtigt werden. Um das wirtschaftliche Risiko für die forstliche Pflanzenproduktion und den Anbau der Douglasie nachhaltig zu reduzieren, wird empfohlen Saatguterntebestände und Saatgut regelmäßig auf einen Befall zu prüfen. Die Erarbeitung von Grenzwerten für R. pseudotsugae würde darüber hinaus eine objektive Bewertung der Pathogenbelastung ermöglichen und zukünftig eine qualitätsorientierte Auswahl von Saatgut erlauben.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungen 1. Einleitung 2. Stand der Forschung 2.1 Rhabdocline pseudotsugae Sydow 2.1.1 Taxonomie 2.1.2 Wirt 2.1.3 Herkunft und Verbreitung 2.1.4 Infektion und Krankheitsverlauf 2.1.5 Forstwirtschaftliche Bedeutung und Management 2.2 Detektion und Identifikation von Pflanzenpathogenen 2.3 Untersuchung der genetischen Variation phytopathogener Pilze 3. Zielsetzung und Gliederung der Arbeit 4. Publikationen 4.1 Rhabdocline needle cast – Investigations on various Douglas fir tissue types 4.2 Rhabdocline needle cast – most recent findings of the occurrence of Rhabdocline pseudotsugae in Douglas fir seeds 4.3 Genetic variation between and within two populations of Rhabdocline pseudotsugae in Germany 5. Diskussion 5.1 Verbreitungsstrategien von Rhabdocline pseudotsugae 5.2 Konsequenzen für den Douglasienanbau 6. Ausblick 7. Zusammenfassung 8. Summary 9. LiteraturverzeichnisRhabdocline pseudotsugae Syd., the causal agent of Rhabdocline needle cast, is one of the most important fungal pathogens of Douglas fir (Pseudotsuga menziesii [Mirb.] Franco). Based on macroscopic and microscopic investigations of fungal fruiting bodies, ascospores and infected Douglas fir needles, the pathogen has so far been described as a needle parasite with ascospores spread by the wind. Characteristic symptoms of the disease are orange-yellow to rust-red fruiting bodies, which appear on the underside of infected Douglas fir needles from May to June, as well as premature, often massive needle loss. If an infection occurs repeatedly, it can cause considerable growth losses and the death of the trees. R. pseudotsugae was a considerable economic risk for Douglas fir cultivation in the 20th century, with the massive spread of the pathogen in particular posing a challenge to forestry. The aim of the present work was to study fundamental questions on the infection and spreading strategy of R. pseudotsugae in order to identify new sources of infection and to better understand the high spread dynamics of the pathogen. In the context of predicted climatic changes, the results of the work should contribute to an improved understanding of the biology of R. pseudotsugae and thus reduce the risk of infection and the phytopathological threat to Douglas fir in the long term. The work essentially covers three main topics, which have been published as scientific papers in peer-reviewed journals. In the first publication (Chapter 4.1), a specific nested PCR protocol was established to detect extremely small quantities of DNA from R. pseudotsugae in mixed samples. The procedure was initially tested with confirmed infected as well as phenotypically healthy Douglas firs. For a more detailed study on the distribution of the pathogen in plant tissue, buds and cambial tissue of infected Douglas firs as well as seeds of a Saxon controlled cross-breeding population were subsequently tested for infestation with R. pseudotsugae. Using the previously established detection method, the pathogen could be clearly identified in buds, cambium, needles and embryos of the Douglas fir. Based on these results, a systematic seed screening was described in the second paper (chapter 4.2). Seeds of coastal (var. menziesii) and inland (var. glauca) varieties of Douglas fir from five German, thirteen North American, and two Ukrainian provenances were available for this study. Overall, R. pseudotsugae was detected in 19.3% of the embryos tested, with all five German provenances and seven North American provenances being affected. In contrast, the pathogen could not be detected in Ukrainian seeds. In the third paper (chapter 4.3), we focused on the genetic structure of two R. pseudotsugae collectives for the first time. On two experimental plots in Saxony and North Rhine-Westphalia, 184 apothecia of the pathogen were collected and examined using BPS and SCoT markers. In general, the R. pseudotsugae collectives were characterised by a high genetic variation as well as a high genetic diversity. A clear spatial differentiation in the R. pseudotsugae collective could be detected within the respective experimental plots, whereas no differentiation between the test areas was observed. In summary, the presented work has demonstrated that seeds are a potential source of infection for R. pseudotsugae and that dissemination via ascospores is locally limited. The selection of resistant provenances, the proper choice of site as well as the consistent implementation of suitable silvicultural measures still form the foundation for successful Douglas fir cultivation. Based on the latest results, existing treatment concepts need to be expanded, and the seed health has to receive more attention. In order to sustainably reduce the economic risk for forest plant production and the cultivation of Douglas fir, it is recommended to regularly check seed harvesting stands and seeds for infestation. The definition of threshold values for R. pseudotsugae would also allow an objective assessment of the pathogen load and a quality-oriented selection of seeds in the future.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungen 1. Einleitung 2. Stand der Forschung 2.1 Rhabdocline pseudotsugae Sydow 2.1.1 Taxonomie 2.1.2 Wirt 2.1.3 Herkunft und Verbreitung 2.1.4 Infektion und Krankheitsverlauf 2.1.5 Forstwirtschaftliche Bedeutung und Management 2.2 Detektion und Identifikation von Pflanzenpathogenen 2.3 Untersuchung der genetischen Variation phytopathogener Pilze 3. Zielsetzung und Gliederung der Arbeit 4. Publikationen 4.1 Rhabdocline needle cast – Investigations on various Douglas fir tissue types 4.2 Rhabdocline needle cast – most recent findings of the occurrence of Rhabdocline pseudotsugae in Douglas fir seeds 4.3 Genetic variation between and within two populations of Rhabdocline pseudotsugae in Germany 5. Diskussion 5.1 Verbreitungsstrategien von Rhabdocline pseudotsugae 5.2 Konsequenzen für den Douglasienanbau 6. Ausblick 7. Zusammenfassung 8. Summary 9. Literaturverzeichni