Dothistroma (red-band) needle blight of pines and the dothistromin toxin: a review

Die Dothistroma-Nadelbräune an Kiefern und das Toxin Dothistromin: eine Literaturübersicht

Authors


Summary

Dothistroma (red-band) needle blight has been a problem in plantations of exotic pines in the southern hemisphere for many decades. The prevalence of this disease is currently increasing in the northern hemisphere and is now affecting trees in their native ranges. The fungal pathogen Mycosphaerella pini with its anamorph Dothistroma pini, which is responsible for the disease, produces a toxin, dothistromin, that is closely related to the potent carcinogen, aflatoxin. Understandably this has provoked concern about possible effects on the health of forestry workers. This review gives a broad coverage of literature on both disease and toxin. The fungus has a complicated taxonomy with many synonyms and in most countries only the anamorph is found. It is a necrotrophic pathogen that kills needle tissue and completes its life cycle in the lesion thus formed. Dispersal of the disease is normally by rain splash of conidiospores but there is evidence that long range dispersal has occurred by transport of contaminated plant tissue and by wind/cloud dispersal of spores in air currents. The severity of disease is affected by humidity, temperature and light. There is variation in susceptibility of different Pinus species and some achieve increased resistance with age. The current method of control in southern hemisphere plantation forests is through spraying with copper fungicides and, with P. radiata, increased disease resistance has been achieved through a breeding programme. The dothistromin toxin is a difuroanthraquinone and is similar in structure to the aflatoxin precursor versicolorin B. Part of a gene cluster encoding dothistromin biosynthetic genes has been cloned and this has confirmed parallels between the dothistromin and aflatoxin biosynthetic pathways. Dothistromin produces damaging oxygen radicals by reductive oxygen activation rather than by photosensitization, but is also thought to exert its toxic effects on specific cellular targets. Studies have shown that dothistromin is a weak mutagen and clastogen and is therefore a potential carcinogen. Although the risks to forest workers are considered very low it is prudent to avoid unnecessary exposure during periods when dothistromin levels are likely to be at their peak.

Résumé

La maladie des bandes rouges causée par Dothistroma est un problème dans les plantations de pins exotiques de l'hémisphère sud depuis de nombreuses années. La prévalence de cette maladie est en augmentation dans l'hémisphère nord et affecte maintenant les pins dans leurs régions d'origine. Le champignon pathogène Dothistroma pini, responsable de la maladie, produit une toxine, la dothistromine, proche de l'aflatoxine qui est un puissant carcinogène. Ceci pose donc la question des effets possibles sur la santé des travailleurs forestiers. Cette revue repose sur une large couverture de la littérature concernant aussi bien la maladie que la toxine. Le champignon a une taxonomie complexe avec de nombreux synonymes, et seul l'anamorphe se rencontre dans de nombreux pays. C'est un champignon nécrotrophe qui tue les tissus de l'aiguille et réalise son cycle biologique dans la lésion ainsi formée. La dissémination de la maladie s'effectue principalement par éclaboussures de pluie contenant les conidies mais une dissémination à longue distance a été mise en évidence par transport de matériel contaminé ou par dissémination des spores par le vent ou les nuages dans les courants aériens. La sévérité de la maladie est affectée par l'humidité, la température et la lumière. Il existe des différences de sensibilité entre espèces de Pinus, et certaines présentent une résistance accrue avec l’âge. La méthode actuelle de lutte dans les forêts de plantations de l'hémisphère sud consiste à pulvériser des fongicides à base de cuivre ; dans le cas de Pinus radiata, une augmentation de la résistance a été obtenue grâce à un programme d'amélioration génétique. La toxine dothistromine est une difuroanthraquinone, similaire en structure à la versicolorine B, précurseur de l'aflatoxine. Une partie d'une batterie de gènes comprenant des gènes de biosynthèse de la dothistromine a été clonée, confirmant les analogies entre les voies de biosynthèse de la dothistromine et de l'aflatoxine. La dothistromine produit des radicaux oxygène nocifs par activation de la réduction de l'oxygène plutôt que par photosensibilisation, mais ses effets toxiques s'exercent aussi probablement sur des sites cellulaires spécifiques. Des études montrent que la dothistromine est un mutagène et clastogène faible, et donc potentiellement carcinogène. Bien que les risques pour les ouvriers forestiers soient considérés comme très faibles, il est prudent d’éviter dans la mesure du possible de s'exposer dans les périodes où les niveaux de dothistromine sont supposés élevés.

Zusammenfassung

Die Dothistroma-Nadelbräune ist in der Südhemisphäre in Plantagen mit exotischen Kiefernarten seit vielen Jahren ein Problem. In der Nordhemisphäre nimmt die Bedeutung dieser Krankheit derzeit zu und sie befällt nun Bäume auch in ihren natürlichen Verbreitungsgebieten. Der Erreger ist der Ascomycet Mycosphaerella pini (Anamorphe: Dothistroma pini). Der Pilz bildet das Toxin Dothistromin, das eng mit dem hochtoxischen Karzinogen Aflatoxin verwandt ist. Daraus ergab sich die Frage nach möglichen Nebenwirkungen dieser Baumkrankheit auf die Gesundheit von Waldarbeitern. Dieser Review fasst die Information über die Krankheit und das Toxin zusammen. Der Pilz hat eine komplizierte Taxonomie mit vielen Synonymen und in den meisten Ländern wurde nur die Anamorphe nachgewiesen. Er ist ein nekrotrophes Pathogen, das Blattgewebe abtötet, und in den so gebildeten Läsionen seinen Lebenszyklus abschliesst. Der normale Ausbreitungsweg der Krankheit erfolgt über Konidiosporen mit Regentropfen, aber es gibt auch Hinweise auf einen Ferntransport mit infiziertem Pflanzenmaterial und über die Verbreitung von Sporen mit dem Wind bzw. Wolken in Luftströmungen. Die Krankheitsintensität wird durch Luftfeuchte, Temperatur und Licht beeinflusst. Es gibt Unterschiede in der Anfälligkeit zwischen verschiedenen Kiefernarten und manche davon werden mit zunehmendem Alter resistenter. Derzeit werden in Plantagen der südlichen Hemisphäre Kupferfungizide zur Kontrolle dieser Krankheit eingesetzt und für Pinus radiata wurde in Züchtungsprogrammen eine erhöhte Resistenz erreicht. Das Toxin Dothistromin ist ein Difuroanthrachinon und ähnelt in seiner Struktur dem Aflatoxin-Präkursor Versicolorin B. Ein Teil des Genclusters, das die Dothistromin-Biosynthese codiert, wurde geklont, und es wurden dabei Parallelen zwischen dem Dothistromin- und dem Aflatoxin-Biosyntheseweg bestätigt. Dothistromin bildet schädliche Sauerstoffradikale (wahrscheinlich eher durch reduktive Sauerstoffaktivierung als durch Photosensibilisierung), es dürfte aber auch auf spezifische Zellkomponenten toxisch wirken. Dothistromin zeigt schwache mutagene und chromosomenschädigende Wirkungen und ist deshalb ein potentielles Karzinogen. Obwohl das Risiko für Waldarbeiter als gering eingeschätzt wird, sollte man in Perioden, in denen der Dothistromingehalt hoch sein dürfte, eine unnötige Exposition vermeiden.

Ancillary