Nieuwe ontwikkelingen in de detectie en bestrijding van Fusarium bij de tulp

19 februari 2018 11:12

• Duurzaamheid & Innovatie

Hogeschool Leiden heeft de afgelopen 2 jaar in samenwerking met het MKB (tulptelers, -broeiers en transporteurs uit de bloembollensector), adviseurs, branche vereniging (KAVB), RABObank Bollenstreek, Koppert BS, Proeftuin Zwaagdijk en Baseclear een veelzijdig onderzoek* gedaan naar Fusarium oxysporum f.sp. tulipae (FOT) bij de tulp. Vanuit de praktijk kwam de vraag “hoe kunnen we het hoge infectiepercentage van FOT bij de tulp drastisch verlagen?”

Onderzoekers bestudeerden bronnen, verspreidingsroutes en  besmettingsfrequentie van FOT, risicofactoren op infectie tijdens het productieproces en de erfelijke eigenschappen van deze schimmel. Nieuwe, methoden specifiek voor de detectie en de specifieke identificatie van FOT werden ontwikkeld en mogelijkheden voor de verbetering van de bodem en bescherming van het gewas werden bestudeerd.

Fusarium, een serieuze bedreiging voor de tulpenbranche

Infectie van tulpenbollen door de agressieve schimmel, Fusarium oxysporum f.sp. tulipae (FOT), ook wel “zuur” genoemd, is een grote bedreiging voor de tulpenindustrie en kan zelfs leiden tot faillissement van een bedrijf. Tijdens  dit onderzoeksproject met als titel “Fusarium bij de tulp” bleek gemiddeld 35% van de onderzochte op het oog gezonde tulpenbollen zowel in- als uitwendig  besmet te zijn met FOT. Het project heeft als belangrijkste doel het ontwikkelen van producten en praktische richtlijnen voor kwekers, broeiers en exporteurs in de tulpenbranche, wat zou resulteren in een sterke vermindering van zuuraantasting van de tulp.

Risicofactoren tijdens het productieproces

Zuur is een ketenprobleem dat begint met het planten van zieke bollen die bij de oogst al voor een basisbesmetting zorgen. Tijdens de oogst en verwerking kan zuur zich snel verspreiden en voor hoge percentages uitval zorgen vooral omdat de omstandigheden voor de schimmel gunstig zijn.

Punten van aandacht tijdens het verwerkingsproces zijn handelingen zoals oogsten en rooien, spoelen en drogen en machinaal sorteren, schonen/pellen. Tijdens deze processen worden de tulpenbollen een aantal keren natgemaakt en gedroogd. Het gevaar bestaat dat het drogen niet zorgvuldig genoeg gebeurt en de bollen te nat blijven. Een andere belangrijke risicofactor op infectie van de bol tijdens het productieproces is de ruwe verwerking (bv machinaal pellen, sorteren) van de bollen.  Dit bleek n.a.v. verwondingsproeven waarbij het effect van mechanische schade op FOT infectie werd onderzocht (zie afbeelding)  Tijdens deze proeven werden bollen verwond door vallen (1m hoogte), prikken, plak uit bol snijden en eveneens zijn er niet-verwonde bollen ter controle meegenomen. Na beschadiging zijn deze bollen van verschillende cultivars kunstmatig besmet met FOT. Het bleek dat vallen en snijden een zeer hoog risico op infectie (90-100%) van de besmette bol oplevert. Het prikken in de bol had minder effect op het risico van een infectie met FOT.

Geïnterviewde ondernemers zagen bovengenoemde resultaten “Minder spoelen en beter drogen,  het vermijden van bol pellen en verminderen van beschadigingen tijdens het gehele proces (rooien, sorteren, planten) als “quick-wins” in het productieproces

FOT-besmetting; de tulp is geen partij voor FOT

Van de ca. 4000 duizend onderzochte tulpenbollen, afkomstig van 8 verschillende cultivars, bleek  gemiddeld 35% van de bollen besmet met FOT. Deze besmetting vindt niet alleen plaats op de buitenzijde van de bol, maar is voornamelijk aan de binnenzijde van de bol aanwezig. De mate van besmetting aan de binnenzijde van de bol is recht evenredig aan de zuurgevoeligheid van de cultivar. In zuurgevoelige cultivars loopt het besmettingspercentage op tot wel 70%. Wat wel belangrijk is; een besmetting betekent nog geen infectie van de bol. De tulp is eigenlijk geen partij voor FOT; Fusarium heeft namelijk een significant hogere evolutiesnelheid dan de tulp (resp. uren versus jaren) In enkele uren heeft de schimmel zich vermeerdert en kan zich in relatief korte tijd aanpassen aan veranderende omstandigheden van de omgeving en nieuwe ziekmakende (virulente) eigenschappen aanmeten terwijl het bij de tulp het jaren duurt om nieuwe resistentie te ontwikkelen tegen bepaalde ziekten zoals FOT.

Bovendien bleek uit DNA analyse (zie “onderzoek erfelijk materiaal van FOT”)  dat FOT de afgelopen jaren zeer brede resistente eigenschappen heeft ontwikkeld door het jarenlang  gebruik van diverse combinaties van desinfecterende middelen voor bestrijding van ziekten zoals zuur. Dit betekent dat door deze eigenschappen van zowel FOT (snelle resistentie ontwikkeling tegen chemische bestrijding) als de tulp (lage evolutie snelheid), infectie met FOT in de tulp niet duurzaam kan worden bestreden d.m.v. desinfectie tijdens de voorbereiding op het planten. Het effect  is namelijk maar van korte duur en levert een toename in resistentie van de schimmel op. Bovendien wordt door deze intensieve vorm van desinfectie de biodiversiteit van micro-organismen in de bodem sterk gereduceerd. Deze micro-organismen hebben o.a. een belangrijke rol bij de bescherming van het gewas tegen ziekten.

Verspreidingsroutes en bronnen van infectie

De verspreiding van FOT gaat niet via de lucht. Dit bleek uit bemonstering van lucht en bodem (zie afbeelding) . Verspreiding van FOT wordt versneld door een vochtige bodem. In vochtige grond waren gezonde bollen, die in de buurt van een geïnfecteerde bol in vochtige grond stonden, binnen 1 week geïnfecteerd. In droge grond duurde het 3 weken voordat de bollen waren geïnfecteerd. Een snellere verspreiding van FOT in vochtige bodem wordt mogelijk veroorzaakt door het anaerobe milieu wat hierdoor ontstaat. Verspreiding is ook mogelijk door direct contact van besmette of geïnfecteerde bollen (tijdens opslag).

Onderzoek naar bescherming van gewas en verbetering van bodem

Een van de teeltmaatregelen die er toe zouden bijdragen om een FOT-aantasting te beperken is het uitvoeren van bolontsmetting en ontsmetting van de bodems met chemische middelen. Zo worden er jaarlijks in de bollenteelt grote hoeveelheden chemische gewasbeschermingsmiddelen gebruikt. Dit zorgt voor emissie van deze middelen in het milieu, blootstelling van arbeidskrachten aan gewasbeschermingsmiddelen en hoge kosten. Maar bovenal is het gebruik van desinfecterende middelen een korte termijn oplossing vanwege de snelle resistentie ontwikkeling van FOT tegen deze middelen. Door desinfectie wordt de biodiversiteit in de bodem sterk gereduceerd. Hierdoor is er een verminderde concurrentie van  micro-organismen en er ontstaat selectie van resistente stammen als FOT. Dit resulteert in een snelle verspreiding van hoge aantallen FOT in de tulpenbol via de bodem.

Proeftuin Zwaagdijk en Koppert BS onderzochten, in het kader van dit project, de effectiviteit van biologische producten en de combinatie daarvan met de gangbare chemische gewasbeschermingsmiddelen op de bescherming van de bol tegen FOT.  Zowel de toepassing met chemische middelen als een bepaalde combinatie met biologische producten bleken effectief tegen FOT en verbeterden de oogstopbrengst. De huidkwaliteit van de bol werd echter niet verbeterd en de grondbehandelingen met chemische middelen hadden geen toegevoegde waarde in de bestrijding van FOT.

Onderzoek erfelijk materiaal (DNA) van FOT

De Hogeschool Leiden (HL) heeft met haar partners expertise en beschikking over diverse moleculaire technieken waarmee het erfelijk materiaal van FOT geanalyseerd kan worden. Deze technieken kunnen  bijdragen, om een  beter inzicht te krijgen in de pathogeniciteit (ziekmakende karakter) van deze schimmel en variabiliteit in de zuurgevoeligheid van cultivars. Zo vonden studenten en onderzoekers met deze technieken dat het erfelijk materiaal (DNA) van zes onderzochte FOT stammen zeer veel resistente eigenschappen bevat tegen een groot aantal antischimmel middelen en desinfectantia en bovendien tegen onkruidbestrijdingsmiddelen (met een antimicrobiële activiteit). Daarnaast bleken agressieve FOT stammen meer genetische eigenschappen te bevatten om de specifieke afweer van de cultivar te omzeilen en produceren zij bovendien enzymen voor de afbraak van tulpweefsel.

Bovengenoemde  genetische informatie van FOT werd  eveneens gebruikt voor het ontwikkelen van een snelle diagnostische methode voor identificatie van deze schimmel in materialen (bodem, bol, water, etc.).

Snelle methodieken voor identificatie van FOT

Normaliter is het identificeren van FOT in monsters zoals bodem, tulpenbol, water, e.d. een tijdrovend, weken durend proces. Tijdens het onderzoek zijn met succes twee verschillende snelle en betrouwbare diagnostische platforms ontwikkeld  om FOT direct uit onderzoeksmateriaal kwantitatief te identificeren;

1. Op basis van unieke DNA fragmenten kan FOT direct uit bodenmateriaal, tulpenbollen, etc. worden gedetecteerd en geïdentificeerd. Bovendien zijn er ook FOT specifieke genen aangetoond, die het agressieve karakter van FOT aantonen. Deze DNA fragmenten zijn gebruikt voor de ontwikkeling van een techniek welke is gebaseerd op een PCR reactie. Deze diagnostische test is gevalideerd.
2. Op basis van unieke eiwitten van een gegroeide kweek (niet direct uit monsters) wordt een karakteristiek eiwitspectrum gegenereerd met behulp van massaspectrometrie (MALDI-TOF MS, afbeelding 3). Deze methode is niet gevalideerd als diagnostische methode.

Beide methoden blijken zeer gevoelig en specifiek FOT aan te kunnen tonen. Bovendien is er een FOT-specifiek protocol ontwikkeld om de verspreiding van deze schimmel te kunnen traceren.

Vervolg onderzoek naar duurzame bestrijding van Fusarium

De ontdekking van de zeer brede resistentie van FOT tegen de meest uiteenlopende chemische desinfectie- en bestrijdingsmiddelen moet zorgen voor een kentering in de conventionele tulpenteelt. Bestrijden van deze schimmel is een korte termijnoplossing. Conventionele bestrijdingsmaatregelen zoals stomen, chemische grondontsmetting en inundatie zijn bedoeld om ziektes of plagen te bestrijden, maar er ontstaat daarmee ook een risicosituatie. Door verstoring van het bodemleven neemt de weerbaarheid van de tulp tegen ziekten en plagen af. Door chemische bestrijding wordt het gros van het bodemleven vernietigd en heeft Fusarium geen natuurlijke concurrentie van andere micro-organismen. Er ontstaat een risico dat bij overleving of herintroductie van de ziekteverwerker, deze alle ruimte heeft om opnieuw schade aan te richten. Bij FOT is dit risico groot.  Een duurzame oplossing biedt biologische teelt, waarbij gebruikt gemaakt wordt van de ziektewerende functie (antagonisme) van bodem(micro)organismen. Een hoge bodembiodiversiteit is van belang voor een gezond gewas. Om die reden moet bij teelt van gezonde tulpen gelet worden op een goede bodembiodiversiteit.

Het benutten van de bodembiodiversiteit begint met het meten en analyseren van o.a. biologische bodemparameters. Door de toepassing van recent ontwikkelde technieken zoals DNA-analyse m.b.v. de MinIOn (Oxford Nanopore), is een snelle analyse van de biodiversiteit van de bodem mogelijk.

In combinatie met de in dit project ontwikkelde diagnostische tools voor FOT kan een van de belangrijkste ziekte verwekkers van de tulp worden gemonitord tijdens verschillende interventies om de bodemdiversiteit te verbeteren.  In een volgend project willen wij ons hierop richten. Op dit moment vinden de voorbereidingen hiervoor plaats. Met diverse kennisinstellingen, instituten en bedrijven op het gebied van metagenomics (genetische informatie van het gehele microbiologische bodemecosysteem) wordt een platform ontwikkelt om de microbiologische diversiteit van de bodem in één analyse in kaart te brengen.

*Het hier beschreven onderzoeksproject “Fusarium bij de tulp” is gefinancierd door het Innovatiefonds van de RABO bank Bollenstreek (100K euro) en de Stichting Innovatie Alliantie SIA (RAAK-mkb, projectnr: 2015-02-37M, 300K euro).

Auteurs: Willem van Leeuwen, lector moleculaire diagnostiek, Farideh Hosseinkhani, onderzoeker en Marijke Mostert, projectmanager, Faculteit Science & Technology, Hogeschool Leiden.

Heeft u vragen over dit onderzoek of heeft u interesse in het vervolgonderzoek dan kunt u contact opnemen met Willem van Leeuwen (leeuwen.van.w@hsleiden.nl) of Marijke Mostert (mostert.m@hsleiden.nl).

Interessant artikel? Deel het: