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Poisonous grasses: new study provides partial reassurance
Giftige Gräser: Neue Studie gibt (teilweise) Entwarnung


Würzburg, Germany
July 31, 2019

Stories of mass poisoning incidents of livestock due to toxic grasses made headlines especially overseas. Animal ecologists from Würzburg have studied whether this hazard is also lurking on German pastures.

Infektionen mit Epichloë-Pilzen sind in der Regel von außen nicht sichtbar. Der rote Pfeil zeigt auf eine Epichloë-Hyphe zwischen den Pflanzenzellen.Usually, an infection with Epichloë fungi does not affect the appearance of the plant. The red arrow points to an Epichloë hypha between plant cells. (Image: Jochen Krauss)
 

"Dangerous Pastures: Deadly Grass Puts Horses at Risk" – Such dire warnings on the websites of horse owners and horse lovers may cause people to see their environment in a whole new light. Because what they once considered the epitome of pristine nature, green meadows of grass gently swaying in the wind, is actually home to numerous toxic substances that can be lethal for horses, cattle and sheep.

Scientists from the Department of Animal Ecology and Tropical Biology of the University of Würzburg have teamed up with US researchers to find out whether this is also true for Germany. To accomplish this, PhD student Veronika Vikuk and Professor Jochen Krauß, her mentor, analysed the toxicity of 13 grass species in three German regions. Their results published in the journal Applied and Environmental Microbiology reveal that toxic substances are also found in German grasses. However, there is little risk of mass poisoning of grazing animals. And the risk can be further reduced by taking some simple measures.

A fungus produces the toxins

Strictly speaking, it is not the grass itself that endangers the lives of horses and other grazing animals: "Grass species can form a symbiosis with fungal endophytes of the genus Epichloë. These fungi are capable of producing so-called alkaloids that can be poisonous to grazing livestock," Veronika Vikuk describes the problem. Endophytes are fungi that live within a plant and are usually not visible from the outside. Both partners benefit from the symbiotic relationship: The grass host provides nutrients for the endophyte and the endophyte helps protect the plant from drought stress and pests. When danger is imminent, the forage grass can encourage the fungus to step up toxin production to prevent animals from eating the plant.

"We have learned of this symbiosis mainly through poisoning incidents of grazing livestock such as sheep or cattle in New Zealand, Australia and North America," Jochen Krauß explains. Around 100,000 animals are believed to have died as a result of toxic grasses in Australia in 2002; the annual costs for the farmers are estimated at two billion dollars. But not everyone considers the fungus to be a threat. Turfgrass breeders welcome the symbiosis of certain turf varieties and special fungi because it increases stress tolerance and boosts yield. For this reason, some grass seeds are deliberately infected with special endophytes.

Toxins discovered in five grass species

In Europe, reports of such poisoning incidents of grazing livestock have been rare so far," Veronika Vikuk says and she adds that previously little had been known about the infection rates of different grass species in Germany and the type of toxins produced. The study published by an international team of researchers has changed that. For the first time, it provides a comprehensive overview of infection rates and alkaloid production in grasses infected with Epichloë fungi in Germany. The study found that five of the 13 grass species tested are infected with various Epichloë fungi. They produce substances that are poisonous to insects and vertebrates. The researchers are still figuring out how high the toxin concentrations are and whether they are already life-threatening for the animals.

In its study, the international team of researchers determined the presence or absence of different genes required to produce the alkaloids. Subsequently, they analysed which toxins are actually produced in the laboratory to assess the potential toxicity. They believe that this method is well suited to evaluate the endophyte status on pastures and check it on a regular basis to avoid livestock poisoning in the future.

Higher diversity reduces the risk

In one aspect, however, Vikuk and Krauß give the all-clear: "We were able to show that the start gene for the production of ergovaline, a substance that is poisonous to vertebrates, is largely absent in perennial ryegrass in Germany and that the substance is actually not produced," Vikuk says. This piece of information should be of particular interest to seed developers seeking to harness the benefits of fungal infection while avoiding the negative impacts on grazing livestock. This does not apply to lolitrem B, another vertebrate poison found in perennial ryegrass, which is present in toxic concentrations.

The scientists believe that the risk of poisoning for horses, cattle or sheep can be reduced with relatively little effort: "Farmers should increase the diversity on their pastures and avoid monocultures, especially of perennial ryegrass," Jochen Krauß says. Mass poisoning of livestock occurs mostly in areas where the animals are forced to feed on the toxic grass because there are no alternatives. On meadows which are home to a variety of different plant species, the animals can switch to other grasses and thereby avoid high toxin levels.

More diversity is also recommended in view of global warming. After all, grasses that live in a symbiosis with fungal endophytes have an advantage over grass species not infected by the fungus as our climate becomes warmer and drier due to their higher stress tolerance. If no measures are taken, the scientists fear that the risk of poisoning for grazing animals will rise in Germany, too, as a result of climate change.

Infection Rates and Alkaloid Patterns of Different Grass Species with Systemic Epichloë Endophytes. Veronika Vikuk, Carolyn A. Young, Stephen T. Lee, Padmaja Nagabhyru, Markus Krischke, Martin J. Mueller, Jochen Krauss. Applied and Environmental Microbiology, DOI: 10.1128/AEM.00465-19


Giftige Gräser: Neue Studie gibt (teilweise) Entwarnung

Massensterben von Weidetieren, ausgelöst durch giftige Gräser: Solche Schlagzeilen kennt man vor allem aus Übersee. Ob diese Gefahr auch in deutschen Wiesen steckt, haben Würzburger Tierökologen erforscht.
 

Infektionen mit Epichloë-Pilzen sind in der Regel von außen nicht sichtbar. Der rote Pfeil zeigt auf eine Epichloë-Hyphe zwischen den Pflanzenzellen.Infektionen mit Epichloë-Pilzen sind in der Regel von außen nicht sichtbar. Der rote Pfeil zeigt auf eine Epichloë-Hyphe zwischen den Pflanzenzellen. (Bild: Jochen Krauss)
 

„Vorsicht Gift – Gefahr auf der Pferdeweide! Warum das Pferdeparadies den Tod bedeuten kann“: Wer im Internet die Seiten von Pferdehaltern und Pferdeliebhabern liest, könnte danach seine Umgebung mit ganz neuen Augen sehen. Denn das, was er bisher für den Inbegriff einer unbelasteten Natur gehalten hat – sattgrüne Wiesen, auf denen die Grashalme sich sanft im Wind wiegen – ist demnach in Wirklichkeit ein Hort zahlreicher giftiger Substanzen, die Pferde, Rinder und Schafe in Lebensgefahr bringen.

Ob diese Aussagen für Deutschland stimmen, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Lehrstuhl für Tierökologie und Tropenbiologie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) in Kooperation mit Wissenschaftlern aus den USA untersucht. Die Doktorandin Veronika Vikuk und ihr Betreuer, Professor Jochen Krauß, haben dafür das Vergiftungspotenzial von 13 Grasarten in drei Regionen Deutschlands bestimmt. Ihre Ergebnisse, die sie jetzt in der Fachzeitschrift Applied and Environmental Microbiology veröffentlicht haben, zeigen: Auch in Deutschland finden sich giftige Substanzen in Gräsern. Die Gefahr, dass sich Tiere auf der Weide massenhaft vergiften, ist jedoch gering. Und mit vergleichsweise einfachen Mitteln lässt sie sich weiter reduzieren.

Ein Pilz produziert die Giftstoffe

Dabei sind es eigentlich gar nicht die Gräser, die das Leben von Pferden und anderen Weidetieren in Gefahr bringen: „Gräser können in Symbiose mit endophytischen Pilzen leben. Diese Pilze sind in der Lage, sogenannte Alkaloide zu produzieren, die für Weidevieh giftig sein können“, beschreibt Veronika Vikuk das Problem. Endophytisch bedeutet: Der Pilz lebt innerhalb der Pflanze, er ist von außen zumeist unsichtbar. Von dieser engen Symbiose profitieren beide Partner: Der Pilz erhält von der Pflanze Nährstoffe, die Pflanze wird im Gegenzug resistenter gegen Stressfaktoren, wie beispielsweise Fraßfeinde, oder Trockenheit. Droht Gefahr, kann das Weidegras den Pilz dazu animieren, verstärkt Giftstoffe zu produzieren. Diese halten die Tiere davon ab, die Pflanze zu fressen.

„Diese Symbiose wurde vor allem durch Vergiftungsereignisse bei Weidevieh, wie Schafen oder Kühen, in Neuseeland, Australien und Nordamerika bekannt“, erklärt Jochen Krauß. Rund 100.000 Tiere sollen 2002 in Australien daran gestorben sein; die jährlichen Kosten für die Landwirtschaft werden auf zwei Milliarden Dollar geschätzt. Allerdings betrachten nicht alle den Pilz als Gefahr: Aus Sicht von Pflanzenzüchtern ist die Symbiose von einigen Rasengräsern und speziellen Pilzen erwünscht, immerhin erhöht sie dessen Stressresistenz und verbessert den Ertrag. Saatgut wird deshalb heute teilweise gezielt mit speziellen Endophyten besiedelt.

Gift in fünf Grasarten entdeckt

„In Europa gibt es bisher nur wenige Berichte über solche Vergiftungen von Weidevieh“, sagt  Veronika Vikuk. Wie hoch die Infektionsraten verschiedener Gräser in Deutschland sind und welche Giftstoffe diese produzieren, sei allerdings bisher weitestgehend unbekannt. Das ändert sich mit der jetzt von dem internationalen Forscherteam veröffentlichten Studie. Sie liefert erstmals einen umfassenden Überblick über Infektionsraten sowie Alkaloidproduktion in Gräsern in Deutschland, die mit Epichloë-Pilzen infiziert sind. Demnach sind fünf der untersuchten 13 Grasarten mit verschiedenen Epichloë-Pilzen infiziert. Sie produzieren für Insekten und Wirbeltiere toxische Giftstoffe. Wie hoch die Konzentrationen sind und ob diese schon lebensbedrohlich für die Tiere sind, untersucht das Forscherteam zur Zeit noch.

Für seine Studie hat das internationale Forscherteam in den Gräsern die An- beziehungsweise Abwesenheit verschiedener Gene bestimmt, die für die Produktion der Alkaloide nötig sind. Anschließend hat es im Labor analysiert, welche Alkaloide tatsächlich produziert werden, um so ein mögliches Vergiftungspotential abzuschätzen. Diese Methode eignet sich seiner Meinung nach gut, um den Endophyten-Status auf Weideflächen zu überprüfen und regelmäßig zu kontrollieren. So könnten mögliche Vergiftungen auch in Zukunft vermieden werden.

Eine höhere Diversität senkt die Gefahr

In einem Punkt können Vikuk und Krauß allerdings Entwarnung geben: „Wir konnten nachweisen, dass das Startgen für die Herstellung von Ergovalin, einer für Wirbeltiere toxischen Substanz, im heimischen Deutschen Weidelgras weitestgehend fehlt und dass die Substanz auch tatsächlich nicht produziert wird“, sagt Vikuk. Diese Information könnte vor allem Saatgutentwickler interessieren, die die Vorteile der Pilzinfektion nutzen, gleichzeitig aber die negativen Effekte auf Weidetiere vermeiden wollen. Ein weiteres Wirbeltiergift im Deutschen Weidelgras, Lolitrem B, ist davon aber unbeeinflusst und kommt in toxischen Konzentrationen vor.

Die Gefahr einer Vergiftung von Pferden, Rindern oder Schafen lässt sich nach Ansicht der Wissenschaftler allerdings vergleichsweise leicht verringern: „Landwirte sollten darauf achten, die Diversität auf Weiden zu erhöhen und Monokulturen, vor allem vom Deutschen Weidelgras zu vermeiden“, sagt Jochen Krauß. Ein Massensterben von Tieren trete insbesondere dort auf, wo die Tiere mangels Alternativen gezwungen sind, das giftige Gras zu fressen. Auf Wiesen mit unterschiedlichen Pflanzenarten könnten sie auf andere Gräser ausweichen und damit hohe Giftkonzentrationen vermeiden.

Eine höhere Diversität sei auch angesichts der Klimaerwärmung angeraten. Schließlich sind Gräser, die mit endophytischen Pilzen in Symbiose leben, bei steigenden Temperaturen und zunehmenden Dürreperioden im Vergleich zu Gräsern ohne Pilzbefall aufgrund ihrer höheren Stressresistenz im Vorteil. Ohne Eingriffe von außen sei deshalb zu befürchten, dass der Klimawandel auch in Deutschland das Risiko für Vergiftungen von Weidetieren erhöht.

Infection Rates and Alkaloid Patterns of Different Grass Species with Systemic Epichloë Endophytes. Veronika Vikuk, Carolyn A. Young, Stephen T. Lee, Padmaja Nagabhyru, Markus Krischke, Martin J. Mueller, Jochen Krauss. Applied and Environmental Microbiology, DOI: 10.1128/AEM.00465-19



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Published: July 31, 2019

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