Journal Club 04.09.2019

Pilzgifte im Weidegras

Einige Gräser leben in Symbiose mit endophytischen Pilzen. Diese können Alkaloide bilden, die Weidetieren gefährlich werden können. Würzburger Tierökologen haben das Vergiftungspotenzial auf deutschen Wiesen und Weiden untersucht.

Von außen meist völlig unsichtbar, leben in einigen Graspflanzen Pilze des Genus Epichloë als systemische, asymptomatische Symbionten. Während das Gras dem Pilz Nährstoffe und einen Lebensraum bietet, profitiert umgekehrt auch die Pflanze: Der Pilz erhöht die Widerstandskraft gegenüber Trockenheit sowie Fraßfeinden und kann sogar die Immunantwort der Wirtspflanze verstärken. Bei Pflanzenzüchtern sind die Symbionten daher häufig gern gesehen, schließlich erhöhen sie die Stressresistenz der Gräser.

Für Tierbesitzer können die Pilze jedoch zum Problem werden, denn einige der Endophyten bilden Alkaloide. Weidenden Tieren können diese, zum Teil dem Mutterkorn-Toxin ähnelnden Pilzgifte gefährlich werden: Aus den USA, Neuseeland und Australien wurde in der Vergangenheit immer wieder über ein Massensterben bei Weidetieren im Zusammenhang mit den Pilzgiften berichtet. Über Vergiftungen auf europäischen Weiden gibt es bisher hingegen nur wenige Berichte. Doktorandin Veronika Vikuk und ihr Betreuer Jochen Krauss von der Universität Würzburg haben jetzt in Kooperation mit der Pharmazeutischen Biologie der Universität Würzburg und US-amerikanischen Forschern untersucht, welche Gräser auf deutschen Weiden mit Epichloë-Pilzen infiziert sind, und das Vergiftungsrisiko für Pferde und Weidevieh abgeschätzt.

Diese Gräser sind infiziert
Untersucht wurden über 3000 Pflanzen von 13 Grasarten aus drei Regionen in Deutschland: der Schorfheide in Brandenburg, dem Hainich-Nationalpark in Thüringen und der Schwäbischen Alb in Baden-Württemberg.

Fünf der 13 Grasarten waren mit Epichloë-Pilzen infiziert. Landwirtschaftlich von Bedeutung ist zum einen das Deutsche Weidelgras ( Lolium perenne L.), das zu 15 Prozent befallen war – also wesentlich seltener als in Neuseeland oder Australien, wo die Infektionsraten um die 70 Prozent liegen. Zum anderen wird der Wiesen- Schwingel ( Festuca pratensis Huds.) häufig auf Weiden und Rasenflächen genutzt. Diese Spezies war mit 81 Prozent in Deutschland häufiger infiziert als in anderen europäischen Ländern. Endophyten- Infektionen wurden außerdem bei den wilden Grasarten Schaf-Schwingel ( Festuca ovina agg. L., 73 Prozent), Rot-Schwingel ( Festuca rubra L., 15 Prozent) und Gewöhnlichem Knäuelgras ( Dactylis glomerata L., acht Prozent) festgestellt.

Alkaloide im Grashalm
Eine Epichloë-Infektion kann, muss aber nicht mit der Produktion von Alkaloiden einhergehen. Die Endophyten können je nach Epichloë-Spezies Alkaloide aus vier verschiedenen Klassen bilden: Loline und Peramine sind für Insekten giftig, Indol-Diterpene und Mutterkornalkaloide (Ergotalkaloide) werden Vertebraten gefährlich. Eine einzige Grasart kann mit unterschiedlichen Endophyten infiziert sein, daher ist auch die Toxin-Varianz groß. Zudem hängt die Alkaloid-Produktion von verschiedenen Umweltbedingungen ab. Unter anderem kann eine Beweidung die Produktion von Toxinen erst in Gang setzen.

Die Würzburger Wissenschaftler analysierten deshalb neben der Alkaloid- Konzentration in den Proben auch die Fähigkeit der vorhandenen Pilz-Spezies, Toxine zu bilden. Dies ist mithilfe einer PCR möglich, denn die an der Biosynthese der einzelnen Alkaloid-Klassen beteiligten Gene sind bekannt.

Kein Ergovalin im Weidelgras
Die Endophyten-Spezies, die im Deutschen Weidelgras gefunden wurden, sind laut Literatur in unterschiedlichem Maße fähig, Alkaloide zu bilden. Die Würzburger Genanalysen ergaben, dass die Mehrheit der Endophyten im heimischen Deutschen Weidelgras zum einen Peramine bildet, die nur Insekten abwehren. Zum anderen können die Pilze Lolitrem B produzieren – ein Neurotoxin, das in Übersee die „ryegrass staggers“, verursacht. Erkrankte Tiere entwickeln einen Tremor. Die mit der Krankheit verbundenen wirtschaftlichen Verluste sind in Neuseeland und Australien hoch. Entwarnung geben die Wissenschaftler hingegen für das Mutterkornalkaloid Ergovalin. Die meisten Endophyten im Deutschen Weidelgras sind hierzulande nicht in der Lage, dieses Toxin zu synthetisieren, weil ihnen ein für die Biosynthese erforderliches Gen fehlt.

Fast alle infizierten Wiesen-Schwingel waren von Epichloë uncinata befallen, einer Pilzspezies, von der bekannt ist, dass sie Lolin-Alkaloide produzieren kann: giftig für pflanzenfressende Insekten, nicht aber für Wirbeltiere.

Ein Monitoring macht Sinn
Insgesamt schätzen die Autoren die Vergiftungsgefahr durch Endophyten auf deutschen Weiden zurzeit als gering ein, obwohl durchaus für Weidetiere giftige Alkaloide vorkommen. Angesichts des Klimawandels und des zunehmenden Bewuchses von Weideflächen mit infizierten Gräsern könnten Intoxikationen jedoch in naher Zukunft zunehmen. Daher plädieren die Autoren für ein regelmäßiges Endophyten- und Alkaloid- Monitoring.
(VM)

Originalpublikation:
Vikuk V, Young CA, Lee ST, Nagabhyru P, Krischke M, Mueller MJ, Krauss J (2019): Infection Rates and Alkaloid Patterns of Different Grass Species with Systemic Epichloë Endophytes. Appl Environ Microbiol 85(17).
DOI 10.1128/AEM.00465-19.

Drei Fragen an Jochen Krauss und Veronika Vikuk

Wie lassen sich Intoxikationen durch Epichloë-Alkaloide verhindern?
»»Jochen Krauss: Am besten sollten keine Monokulturen von Deutschem Weidelgras oder auch Festuca arundinacea (Rohr-Schwingel) als einzige Futterquelle genutzt werden. Heterogene Wiesen mit verschiedenen Gras- und Krautpflanzenarten sind sicherlich hilfreich. Von unseren heimischen Gräsern sind nur das Deutsche Weidelgras und der Rohr- Schwingel als Ursachen für größere Vergiftungen durch Epichloë-Pilze bekannt.
Diese Punkte sind eigentlich logisch, aber wer weiß: Kein Grassaatgut für Sportplatz, Golfplatz und Flughafenrasen zur Weidetierhaltung nutzen. Kein Saatgut aus Neuseeland oder USA billig im Internet kaufen, wenn nicht absolut klar ist, dass dies nicht infiziert ist.
»»Veronika Vikuk: Man sollte darauf achten, möglichst diverse Wiesen zu erhalten. Durch die Diversität der Grasarten sinkt das Vergiftungsrisiko bei den Tieren, da eine Art Verdünnungseffekt auftritt. Falls doch Vergiftungssymptome auftreten, sollten die Tiere auf eine andere Weide gebracht werden. Die Vergiftung mit Epichloë-Alkaloiden ist in der Regel reversibel, wenn sie rechtzeitig erkannt wird. Außerdem kann es hilfreich sein, verdächtige Wiesen auf Endophyten- Infektionen und Alkaloidproduktion zu kontrollieren.

Sind alle Weidetiere gleichermaßen gefährdet?
»»Vikuk: Prinzipiell sind Ergovalin und Lolitrem B für alle Wirbeltiere giftig, wobei die Toxizitätsschwellen für die Stoffe meist an Mäusen experimentell bestimmt wurden und sich somit nicht endgültig sagen lässt, wie einzelne Wirbeltiergruppen darauf speziell reagieren. Es gibt bisher keine eindeutigen Studienergebnisse, die zeigen, dass Tiere tatsächlich in der Lage sind, die Alkaloide in den Gräsern zu „schmecken“, sodass Futterselektierer im Vorteil wären.
»»Krauss: Es gibt Hinweise in der Literatur, dass Pferde sensibler reagieren als andere Weidetiere. Da wir keine Veterinärmediziner sind, können wir hierzu jedoch wenig sagen. Rasensamen wird teilweise gezielt mit Endophyten besiedelt.

Stellen diese Gräser eine Gefahr für Weidetiere dar?
»»Krauss: Eigentlich nicht, solange niemand auf die Idee kommt, Tiere auf dem Rasen weiden zu lassen. Die Ausbreitung der Gräser wird als gering eingeschätzt, aber dazu gibt es keine gute Studienlage.
»»Vikuk: Die Samen, die gezielt von Saatgutfirmen infiziert sind, werden vor allem in Neuseeland/Australien eingesetzt. Dort hat man extra eine Version des Pilzes gezüchtet, der keine für Wirbeltiere giftigen Stoffe produziert. So hat man die positiven Eigenschaften, wie Trockenresistenz für das Gras, aber es werden keine weidetiertoxischen Substanzen mehr produziert. Man sollte jedoch trotzdem aufpassen und kein Saatgut aus dem Internet aus Neuseeland bestellen.

Veronika Vikuk: Doktorandin am Lehrstuhl für Zoologie III (Tierökologie) der Universität Würzburg
Jochen Krauss: Professor am Lehrstuhl für Zoologie III (Tierökologie) der Universität Würzburg