The role of the genera Bipolaris and Curvularia in mycotoxin contamination of agricultural products  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
116609
Type PD
Principal investigator Kocsubé, Sándor
Title in Hungarian A Bipolaris és Curvularia nemzetségek szerepe mezőgazdasági termékek mikotoxin szennyeződésében
Title in English The role of the genera Bipolaris and Curvularia in mycotoxin contamination of agricultural products
Keywords in Hungarian fumonizin, szterigmatocisztin, HPLC-MS, molekuláris azonosítás, filogenetika
Keywords in English fumonisin, sterigmatocystine, HPLC-MS, molecular detection, phylogenetics
Discipline
Food safety (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Panel Plant and animal breeding
Department or equivalent Department of Microbiology (University of Szeged)
Starting date 2015-09-01
Closing date 2019-11-30
Funding (in million HUF) 24.093
FTE (full time equivalent) 3.25
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A Bipolaris és Curvularia (teleomorf alak: Cochliobolus) nemzetségek számos fontos növényi kórokozót tartalmaznak, melyek komoly terméskieséseket okozhatnak a mezőgazdaságban. A nemzetség tagjai világszerte elterjedtek, habár leggyakrabban melegebb éghajlatú területekről izolálhatóak, azonban a globális felmelegedés és a mezőgazdasági kereskedelem jelentősen módosíthatja ezen fajok földrajzi elterjedését. Szekvencia alapú vizsgálataik során Manamgoda és mtsai. (2014) a glicerinaldehi-3-foszfát dehidrogenázt kódoló (GPDH) génszakaszt találták a legalkalmasabbnak e két nemzetség tagjainak elkülönítésére. Ez a génszakasz azonban több kópiában is jelen lehet a genomban, ezért alkalmazása problémát jelenthet a fajazonosítás során. A pontos azonosítás jelentőségét alátámasztja, hogy a közelmúltban néhány izolátum esetében bebizonyosodott, hogy feltételezhetően képesek két igen fontos rákkeltő hatású mikotoxin, a fumonizinek és a sterigmatocisztin termelésére. A rendelkezésre álló adatok azonban nem széleskörűek. Ezek alapján kutatási tervünkben a következő célokat határoztuk meg:
-Bipolaris és Curvularia fajok izolálása magyarországi mezőgazdasági területekről
-A GPDH génszakasz fajazonosításban történő alkalmazhatóságának vizsgálata, kiegészítve az általunk az Aspergillus-ok elkülönítésében használt gészakaszok elemzésével
-A fumonizin és sterigmatocisztin termeléshez szükséges tenyésztési körülmények optimalizálása
-A toxintermelés igazolása HPLC és HPLC-MS technikával
-Indítószekvenciák tervezése a fumonizin bioszintézisben szereplő néhány gén alapján a termelő izolátumok kimutatására

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A közeli rokonságban álló és világszerte elterjedt Bipolaris és Curvularia nemzetségek megközelítőleg 60 fajt tartalmaznak, melyek között számos komoly terméskiesést okozó növénypatogén található. Magyarországi elterjedtségükről és faji diverzitásukról azonban kevés adat áll rendelkezésünkre. Fontosságukat hangsúlyozza, hogy friss kutatások számolnak be arról, hogy egyes izolátumok képesek lehetnek igen fontos mikotoxinok termelésére. Kutatásunk keretein belül megvizsgáljuk a magyarországi izolátumok toxintermelő képességét, különös tekintettel a fumonizinekre és a sterigmatocisztinre, valamint filogenetikai vizsgálatokat végzünk korábban publikált génszakaszok felhasználásával. Terveink közt szerepel nagyszámú izolátum begyűjtése a két nemzetség tagjai közül és toxin-termelő képességük vizsgálata annak megállapítására, hogy milyen mértékben járulhatnak hozzá ezek a fajok a mezőgazdasági termékek mikotoxin szennyeződéséhez. A vizsgálatok során számos tenyésztési körülmény tesztelését tervezzük. Megvizsgáljuk továbbá néhány, a fumonizin bioszintézisben szerepet játszó gén jelenlétét, illetve szekvenciáik variabilitását. A vizsgálatok eredményeként megkíséreljük olyan indítószekvenciák létrehozását, melyekkel lehetőségünk nyílna a termelő és nem termelő izolátumok elkülönítésére. Elvégezzük továbbá a korábban publikált génszakaszok fajazonosításban történő alkalmazhatóságának vizsgálatát, kiegészítve az általunk végzett korábbi kutatások során elemzett génszakaszokkal.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A Bipolaris és Curvularia nemzetségek tagjai a világ számos területén komoly mezőgazdasági károkat okozó fonalas gombák. Habár ezek a fajok elsősorban melegebb éghajlattal rendelkező területeken gyakoriak, a klímaváltozás jelentősen befolyásolhatja földrajzi elterjedésüket. Korábban már számos tanulmány foglalkozott a globális felmelegedés hatásaival a mikotoxin-termelő gombák elterjedésére. Kutatásunk céljai között szerepel a klímaváltozás hatásainak vizsgálata ennek a két gazdaságilag fontos gombacsoportnak az elterjedésére hazánkban. A kutatásnak nagy jelentőséget ad az, hogy a közelmúltban leírták a fumonizin bioszintézisben szerepet játszó egyik fontos gén jelenlétét B. maydis genomjában. Ezzel párhuzamosan megerősítésre került, hogy egy B. sorokiniana izolátum képes egy másik nagy jelentőségű mikotoxin, a sterigmatocisztin termelésére. Ezek a mikotoxinok feltehetően szerepet játszanak számos emberi és állati megbetegedés kialakításában. Terveink között szerepel a mikotoxin termelés vizsgálata a két nemzetség tagjainak körében annak érdekében, hogy megállapítsuk, milyen mértékben járulhatnak hozzá ezek a fajok a mezőgazdasági termékek mikotoxin szennyezettségéhez. Tervezzük továbbá egy olyan PCR-alapú eljárás kifejlesztését, melynek segítségével különbséget tehetünk a fumonizin-termelő és a nem termelő izolátumok között. A két nemzetség tagjait sok esetben igen nehéz morfológiai alapon elkülöníteni, valamint a rendelkezésre álló molekuláris adatok sem elég széleskörűek. Kutatásaink során elvégezzük a Bipolaris és Curvularia fajok filogenetikai elemzését számos génszakasz felhasználásával annak érdekében, hogy megállapítsuk, mely génszakaszok alkalmasak a fajok egyértelmű elkülönítésére.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A Bipolaris és Curvularia nemzetségek számos fontos növényi kórokozót tartalmaznak, melyek komoly károkat okozhatnak a mezőgazdaságban. A nemzetség tagjai világszerte elterjedtek, habár leginkább a melegebb éghajlatú területeken gyakoriak. A globális felmelegedés és a mezőgazdasági kereskedelem azonban jelentősen módosíthatja ezeknek a fajoknak a földrajzi elterjedését. A nemzetség tagjainak morfológiai alapon történő elkülönítése számos esetben igen nehezen kivitelezhető és sokszor helytelen azonosításhoz vezet. A molekuláris technikák azonban megfelelő lehetőséget biztosítanak a pontos fajszintű azonosítás elvégzéséhez. Napjainkban végzett kutatások megállapították, hogy a nemzetségek néhány faja képes lehet két igen fontos rákkeltő mikotoxin, a fumonizin és a sterigmatocisztin előállításra. Ezeknek a toxinoknak a megjelenése mezőgazdasági termékekben komoly fenyegetést jelent mind az állatok mind az emberek számára. Mindezek alapján a következő célokat fogalmaztuk meg:
-Bipolaris és Curvularia fajok izolálása magyarországi mezőgazdasági területekről
-A korábban más kutatócsoportok által használt génszakaszok fajazonosításban történő alkalmazhatóságának vizsgálata, kiegészítve az általunk végzett korábbi kutatásokban használt génszakaszok elemzésével
-A fumonizin és sterigmatocisztin termeléshez szükséges tenyésztési körülmények optimalizálása
-A toxintermelés igazolása analitikai módszerekkel
-Molekuláris technika kifejlesztése a fumonizin bioszintézisben szereplő néhány gén alapján a termelő izolátumok kimutatására
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The genera Bipolaris and Curvularia (sexual state: Cochliobolus) include many important plant pathogen fungi causing serious yield losses of important agricultural plants. These species are widespread in the world, however they are most commonly found in warmer climates. The effect of global warming, and the transfer of agricultural products from tropical areas can affect the global distribution of these species. Manamgoda et al. (2014) revised these two closely related genera based on molecular data, and found the glycerldehyde-3-phoshate dehydrogenase (GPDH) gene as the best performing gene in the identification on the species level however in several species the GPDH gene is present in more than one copy, leading to possible difficulties in exact species identification. According to recent articles some of these species are potentially able to produce two important carcinogenic metabolites, namely fumonisins and sterigmatocystin. However data on this are limited. Our aims are:
-Isolation and identification of environmental Bipolaris and Curvularia isolates from different field crops in Hungary.
-Examination of the phylogenetic applicability of the GPDH gene in exact species identification, and testing other genes previously used in our works with Aspergilli.
-Optimisation of the culture conditions to obtain well detectable amounts of fumonisins and/or sterigmatocystin.
-Measuring the toxin producing abilities by using HPLC and HPLC-MS techniques.
-Primer design for some genes taking part in the biosynthesis of fumonisins and screening the presence of these genes in all isolates. Development of a PCR-based technique for the detection of producers.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The two closely related genera Bipolaris and Curvularia encompass more than 60 species with several plant pathogens causing severe crop losses worldwide. There is only limited data on the species diversity and prevalence of Bipolaris and Curvularia species in Hungary. Moreover recent studies revealed that there is high chance that some these species can produce mycotoxins with great importance. In this project we plan to examine the mycotoxin producing abilities of these species isolated in Hungary, focusing on fumonisins and sterigmatocystin, and to carry out phylogenetic studies on the applicability of the previously published genes. We plan to isolate a large number of fungi from the above mentioned genera, and analyze their toxin producing abilities to clarify if the members of these two genera can contribute to the fumonisin or sterigmatocystin contamination of agricultural products. To address this question we will use several different culturing conditions. As a part of this project we will examine the presence and sequence variability of genes taking part in the biosynthesis of fumonisins. With the obtained data we will try to design primer sets for the PCR-based detection of fumonisin producing isolates of the examined strains. We also plan to analyze the applicability of the previously published genes in the exact species identification to find the most suitable genomic region for this purpose, supplemented with other single copy genes used in our previous studies.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Members of the genera Bipolaris and Curvularia are important filamentous fungi causing severe crop losses worldwide. However some of these species, especially in the genus Curvularia are more common in warmer regions of the world, climate change can lead to substantial shifts in the species distribution of fungi, especially in countries with temperate climate. Previously several articles have dealt with the effect of global warming on the distribution of mycotoxin producers. The aim of our proposal is to examine the effect of these changes on the distribution of these economically important species in Hungarian agricultural commodities. This work can be of special interest because a recent study demonstrated that an important gene taking part in the fumonisin biosynthesis is present in the genome of B. maydis. In addition, another study revealed that a certain strain of B. sorokiniana is capable to produce sterigmatocystin. Both toxins are possible causative agents of several life-threatening diseases affecting animals as well as humans. We wish to examine a large number of isolates regarding their toxin producing abilities to clarify the role of these species in mycotoxin contamination of different products. Besides this work we plan to design a quick and reliable PCR-based method for the detection of fumonisin producing isolates from the examined two genera. Exact identification of Bipolaris and Curvularia species can be troublesome mainly because of the high degree of similarity in phenotypic trait and the lack of molecular data. We plan to conduct phylogenetic studies including sequences of several loci to choose the best performing gene(s) which can be applied in species identification.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The genera Bipolaris and Curvularia include many important plant pathogenic fungi causing serious yield losses of important agricultural plants. These species are widespread in the world, however they are most commonly found in areas with warmer climate. The effect of global warming, and the transfer of agricultural products from tropical areas can affect the global distribution of these species. Identification of these species based solely on morphology needs tedious work, and often leads to improper description. Molecular techniques provide more accurate tools which can be used for exact species identification. According to recent articles some of these species are potentially able to produce two important carcinogenic mycotoxins, namely fumonisins and sterigmatocystin. Appearance of these toxins in agricultural products can cause serious life-threatening diseases in animals and humans, however data on this topic are limited. Our aims are:
-Isolation and identification of environmental Bipolaris and Curvularia isolates from different field crops in Hungary.
-Examination of the suitability of genes involved in previous studies for species identification of these species together with testing other genes previously used in our works with Aspergilli.
-Optimisation of the culture conditions to unambiguously detect fumonisins and/or sterigmatocystin.
-Measuring the toxin producing abilities of the isolates using analytical techniques.
-Design of molecular probes for some genes taking part in the biosynthesis of fumonisins and screening for the presence of these genes in all isolates. Development of a molecular technique for the identification of toxin producers.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Csoportunk által elvégzett kutatások hozzájárultak a Bipolaris és Curvularia nemzetségek mélyebb megismeréséhez. Azonosítottuk a Bipolaris maydis C4 és C5-ös izolátumokban a fumonizinek bioszintéziséért felelős génklasztert, mely géntartalmában megegyezik a fumonizinek termelésére képes Aspergillus niger és Tolypocladium inflatum fajokéval. A teljes génklaszter jelenlétének ellenére az általunk vizsgált B. maydis izolátumok esetében nem sikerült bizonyítanunk a fumonizinek termelését, habár a fumonizinekhez hasonló vegyületeket azonosítottunk. Számos izolátum bevonásával bebizonyítottuk, hogy a korábbi publikációk ellenére a Bipolaris és Curvularia fajok feltehetőleg nem képesek a sterigmatocisztin termelésére, valamint az elérhető genomszekvenciák alapján nem is tartalmaznak a sterigmatocisztin bioszintézis génekkel homológ géneket. A fumonizin- és sterigmatocisztin-termelés vizsgálatain kívül számos izolátum bevonásával elvégeztük a két nemzetség teljes metabolitprofiljának elemzését. Munkánk során azonosítottunk kettő új Curvularia fajt, melyeket C. coimbatorensis és C. tamilnaduensis néven írtunk le.
Results in English
Experiments carried out by our group led to the better understanding of members of the genera Bipolaris and Curvularia. We identified the gene cluster responsible for the biosynthesis of fumonisins in the available genomes of B. maydis C4 and C5. The gene content of the cluster is similar to that of Aspergillus niger and Tolypocladium inflatum. Despite of the presence of the gene cluster we were not able to identify the presence of fumonisin in the examined B. maydis strains, however, fumonisin-like compounds were found. In contrast to previous publications we were not able to detect sterigmatocystin in any of the examined Bipolaris and Curvularia strains. By screening of the available genoms we have not found any homologs with the sterigmatocystin biosynthetic gene cluster, therefore it is unlikely that the members of these genera are able to produce this mycotoxin. In addition to the experiments on the fumonisin and sterigmatocystin production we examined the full metabolite profile of several Bipolaris and Curvularia species. During our work we identified two new, yet undescribed Curvularia species which were described under the names C. coimbatorensis and C. tamilnaduensis.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=116609
Decision
Yes





 

List of publications

  
Sándor Kocsubé, Giancarlo Perrone, Donato Magistà, Jos Houbraken, János Varga, Jens C. Frisvad, Robert A. Samson: Evidence for the monophyletic origin of Aspergilli based on multilocus phylogenetic analysis, Power of microbes in industry and environment 2016, Book of Abstracts, 2016
Kiss N., Baranyi N., Kocsubé S., Varga M., Szekeres A., Vágvölgyi Cs: Fumonisin production of Bipolaris maydis, 19th Danube-Kris-Mures-Tisa (DKMT) Euroregional Conference on Environment and Health: Program and abstracts. p. 45., 2017
Sonderegger, C., Váradi, G., Galgóczy, L., Kocsubé, S., Posch, W., Borics, A., Dubrac, S., Tóth, GK., Wilflingseder, D., Marx, F.: The Evolutionary Conserved γ-Core Motif Influences the Anti-Candida Activity of the Penicillium chrysogenum Antifungal Protein PAF., Frontiers in Microbiology, 9, 1655. http://doi.org/10.3389/fmicb.2018.01655, 2018
Szabo, B., Toth, B., Toth Toldine, E., Varga, M., Kovacs, N., Varga, J., Kocsube, S., Palagyi, A., Bagi, F., Budakov, D., Stojšin, V., Lazić, S., Bodroža-Solarov, M., Čolović, R., Bekavac, G., Purar, B., Jocković, D., Mesterházy, A.: A New Concept to Secure Food Safety Standards against Fusarium Species and Aspergillus Flavus and Their Toxins in Maize., Toxins 2018, 10(9), 372; doi:10.3390/toxins10090372, 2018
Kartali T, Nyilasi I, Szabó B, Kocsubé S, Patai R, Polgár TF, Nagy G, Vágvölgyi C, Papp T.: Detection and Molecular Characterization of Novel dsRNA Viruses Related to the Totiviridae Family in Umbelopsis ramanniana, Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 9, 249., 2019
Vigneshwari A, Rakk D, Németh A, Kocsubé S, Kiss N, Csupor D, Papp T, Škrbić B, Vágvölgyi C, Szekeres A.: Host metabolite producing endophytic fungi isolated from Hypericum perforatum., PLos One, 2019
Kiss, N.; Homa, M.; Manikandan, P.; Mythili, A.; Krizsán, K.; Revathi, R.; Varga, M.; Papp, T.; Vágvölgyi, C.; Kredics, L.; Kocsubé, S: New Species of the Genus Curvularia: C. tamilnaduensis and C. coimbatorensis from Fungal Keratitis Cases in South India, Pathogens, 2019



Back »